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Auteur : les anciens

Eté 2008 : Brieuc.

Notes : 16.03.09

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Limiter le surdimensionnement

On connaît le besoin de limiter la puissance d’une installation. Parole d’un installateur : « aucun système de climatisation ne peut apporter le confort si la puissance frigorifique spécifique est élevée ». Mais on ne reviendra pas ici sur cette nécessité de limiter le besoin de froid (limitation des surfaces vitrées, placement de protections solaires, …).
Pour un bâtiment donné, l’objectif est ici de limiter la sur-puissance de l’installation et de ses composants auxiliaires (pompes, ventilateurs, tours de refroidissement,…) et donc d’établir le calcul des charges sur base de paramètres de dimensionnement corrects.

Évaluer

Pour en savoir plus sur l’impact énergétique du surdimensionnement de l’installation frigorifique, cliquez ici !

On peut comprendre qu’un bureau d’études souhaite se protéger de toute contestation ultérieure (manque de puissance). Dans ce but, la tendance est d’utiliser des coefficients de sécurité maximaux… et de surdimensionner l’installation. Par contre, le maître d’ouvrage peut expressément « prendre sur lui » les risques éventuels d’inconfort et préciser au bureau d’études qu’il souhaite des critères plus précis de dimensionnement.
S’il souhaite limiter l’investissement initial et la consommation future, le maître d’ouvrage pourra demander que le dimensionnement des installations de conditionnement d’air soit réalisé :

Sur base de température et humidité extérieures réalistes :

Les valeurs extrêmes qui servent au dimensionnement pour l’été sont souvent de 30°C et 50 % HR (c’est la valeur proposée par l’AICVF, Association des Ingénieurs en Climatique, Ventilation et Froid, pour le Nord de la France), parfois même 32°C est choisi « par sécurité ». Or, le fabricant Carrier (dont la méthode de calcul pour le dimensionnement fait autorité dans le monde entier) propose 28° et 40 % HR pour Lille et 30° et 40% pour Reims.
Il est important de dissocier les valeurs de dimensionnement des valeurs limites de fonctionnement. On peut sélectionner un équipement capable de ne pas déclencher en dessous de 35, voire 40°C. Ainsi, l’appareil dimensionné pour donner sa puissance nominale pour 30° fonctionnera à 40°, tout en ne fournissant pas temporairement toute la puissance requise (40°C = lors d’une période de canicule, où en plus l’air serait localement chauffé par la présence d’une toiture en roofing noir et d’un mur stoppant tout balayage par le vent !).
Par exemple, si on dimensionne sur 30°C, la centrale de traitement d’air risque de ne pas avoir la puissance suffisante par 32°C extérieurs, et donc de pulser l’air hygiénique à 17°C au lieu de 16°C, mais les ventilo-convecteurs (qui ont été dimensionnés avec une incidence très faible de la température extérieure et en choisissant le modèle « juste au-dessus dans la gamme des appareils ») pourront compenser localement ce léger déficit.
De plus, l’IRM atteste que la température à Uccle ne dépasse jamais 30°C sur une année type-moyenne (. Cette température n’est dépassée que quelques jours par an durant les années « chaudes ».

Répartition des conditions climatiques à Uccle sur base de l’année-type moyenne de l’IRM. Un point correspond à 1 h. Cela signifie l’heure pour laquelle la charge énergétique extérieure est la plus grande (correspond à l’enthalpie maximale) correspond à l’enthalpie du point (30°C et 50%).
Dimensionner sur base d’un point correspondant à 30°C, 40% ne laisse « échapper » que quelques heures par an.

Un cahier des charges qui impose un dimensionnement sur base de 30° et 40%, voire même, 28° et 40% HR limitera les consommations durant toute la vie des équipements.
C’est le responsable du bureau d’études qui demandera au fournisseur de sélectionner un appareil qui ne déclenche pas par action du pressostat de sortie du compresseur pour une température trop faible.

Sur base de température et humidité intérieures « enveloppes » qui réservent une « zone neutre » :

Les puissances frigorifiques seront établies sur base d’une température de consigne minimale de 24°C en période de refroidissement, le critère énergétique optimum étant de 26°C. L’AICVF propose une température de l’air de 25°C, saufs locaux particuliers.
À noter que la température de 26°C n’est pas pour autant la température de consigne permanente. C’est la température de dimensionnement pour une température extérieure extrême. Cela signifie que, par très forte chaleur extérieure, le bâtiment pourrait « monter » jusqu’à 26°C. Or, les occupants venant d’une température élevée à l’extérieur apprécieront que l’écart thermique ne soit pas trop important.
Dans le cas de la technique de climatisation par plafonds froids, une température d’air de 26°C génère un confort équivalent à une température de 24°C obtenue avec un système classique du type ventilo-convecteur, grâce à l’effet de rayonnement frais sur les têtes des occupants.
Un tel niveau de consigne permet l’existence d’une zone neutre entre la consigne d’hiver et la consigne d’été, gage de ne pas voir les productions de chaud et de froid fonctionner simultanément dans le bâtiment.

Sur base de besoins d’air de ventilation limités

Le respect du RGPT est souvent la base du calcul 30 [m³/h.pers] mais la norme européenne NBN EN 13779: 2004 (Ventilation dans les bâtiments non résidentiels-Spécifications des performances pour les systèmes de ventilation et de climatisation) peut constituer une nouvelle référence de base opposable. Il propose 3 débits d’air neuf à respecter en fonction de la qualité de l’ambiance à respecter (dans des locaux dont la pollution principale est d’origine humaine) pour les locaux sans fumeur en fonction de la qualité d’air souhaitée :

Norme européenne EN 13779: 2004
pour les locaux sans fumeur.

Catégorie de qualité d’air

Débit d’air neuf
Excellente qualité
(niveau ambiant de CO2 < 400 ppm au dessus du niveau extérieur).
> 54 [m³/h.pers]
Qualité moyenne
(niveau ambiant de CO2 400-600 ppm au dessus du niveau extérieur).
de 36 à 54 [m³/h.pers]
Qualité acceptable
(niveau ambiant de CO2 600-1 000 ppm au dessus du niveau extérieur).
de 22 à 36 [m³/h.pers]
Faible qualité
(niveau ambiant de CO2 > 1 000 ppm au dessus du niveau extérieur).
< 22 [m³/h.pers]

Sur base de taux d’occupation des locaux prédéfinis en fonction de leur usage

Il est important d’informer le bureau d’études de l’occupation des personnes la plus réaliste. En cas de doute, on sollicitera la mise en place d’une gestion de la ventilation en fonction des besoins.

Sur base de niveaux d’apports internes prédéfinis en fonction du niveau d’équipement

L’équipement prévisible des locaux doit lui aussi être défini avec soin si l’on ne désire pas que le bureau d’études se base sur des valeurs standards qui sont parfois bien au-delà de la réalité : le 25 W/m² pris traditionnellement pour estimer les charges de la bureautique par exemple, n’est plus atteint aujourd’hui, sauf dans des secteurs spécifiques comme le secteur bancaire.

Sur base de besoins de déshumidification limités

Traditionnellement, sauf indication contraire, le bureau d’études dimensionne sur base d’un taux d’humidité de 50 % intérieur. Or le corps humain n’est pas sensible à l’humidité dans la fourchette de 35 à 65 % HR. La déshumidification d’été est donc coûteuse, d’autant qu’elle risque de générer l’enclenchement de la post-chauffe pour ne pas pulser un air trop froid dans l’ambiance. Ce qui est dommageable au niveau énergétique.
Un dimensionnement basé sur une humidité intérieure de 60 % est suffisant et recommandé.
Remarque : dans la technique des plafonds froids, un taux d’humidité particulièrement bas est requis pour limiter le risque de condensation dans les locaux.

Sur base de coefficients de foisonnement réalistes

Sur les puissances moyennes d’équipements, sur les taux d’occupation, . des coefficients de foisonnement peuvent être appliqués sur base de l’idée que tout le monde n’est pas toujours présent en même temps. Une étude réaliste des taux d’occupation prévisible est nécessaire.

Sur base d’un fonctionnement 24h/24 en période de canicule

Le temps de fonctionnement supposé de l’installation frigorifique va influencer les résultats (fonctionnement 12h/24 ? 16h/24 ? 24h/24 ?). Un dimensionnement sur base d’un fonctionnement 24h/24 va diminuer la puissance installée (et donc le coût d’investissement) et donc permettre un meilleur rendement durant toute l’année.
La régulation de base travaillera au régime 8h00 – 18h00 et, en cas de canicule, la régulation prolongera automatiquement la période de fonctionnement (en fonction du maximum atteint par la température extérieure, par exemple).

Exemple.

1. En collaboration avec le bureau d’études de Tractebel, un test à été fait sur un immeuble de bureaux pour tester l’impact de la période de fonctionnement des équipements. Les résultats sont très variables en fonction de l’inertie du bâtiment :

Inertie
Durée de fonct. équip.
Facteur solaire baies
Puiss. en W/m²
Puissance relatives
Différence
lourd
12h/24
0,8
99
100 %
lourd
16h/24
0,8
86
87 %
– 13 %
lourd
24h/24
0,8
84
85 %
– 15 %
Inertie
Durée de fonct. équip.
Facteur solaire baies
Puiss. en W/m²
Puissance relatives
Différence
léger
12h/24
0,8
113
100 %
léger
16h/24
0,8
112
99 %
– 1 %
léger
24h/24
0,8
112
99 %
– 1 %

L’acceptation de faire fonctionner les équipements pendant 16h/24 au lieu de 12 lors de pointes de chaleur permet de sous-dimensionner les équipements de 13 %, si l’inertie du bâtiment est élevée. L’impact est inexistant sur les bâtiments légers.

2. L’impact de l’inertie sur la valeur de la puissance installée nous a motivés à creuser ce paramètre. Voici les résultats (toujours valable pour l’immeuble étudié) :

Inertie
Durée de fonct. équip.
Facteur solaire baies
Puiss. en W/m²
Puissance relatives
Différence
lourd
24h/24
0,8
85
100 %
moyen
24h/24
0,8
91
108 %
+ 8 %
léger
24h/24
0,8
111
132 %
+ 32 %

Un bâtiment léger va majorer la puissance frigorifique de l’ordre de 30 % !

3. Voyant l’intérêt de nos lecteurs passionnés par l’étude, divers compléments ont été encore testés pour relativiser les impacts :

La prise en compte d’un facteur d’occupation du bâtiment de 80 % permet de sous-dimensionner les équipements de 9 %. (dans les tableaux ci-dessus le facteur d’occupation était de 100 %)

Une réduction drastique du facteur solaire des baies permet de sous-dimensionner les équipements frigorifiques de 42 %.

La couleur des parois extérieures est sans influence sur le dimensionnement.

Prévoir les outils de gestion

À l’image d’un moteur diesel, une installation frigorifique sera d’autant plus efficace qu’elle travaille sur des longues périodes, sans arrêts successifs.
A l’aide d’une horloge, il sera utile de pouvoir minimiser le temps de marche du système de réfrigération en fonction des périodes d’occupation du bâtiment et de la charge de refroidissement. Si l’on prévoit un système de régulation numérique, il peut être imaginé de rendre ces temps de fonctionnement dépendants de la température extérieure. Par période de forte chaleur, on pourra alors laisser fonctionner les équipements 24h/24.

Attention : l’horloge ne doit pas redémarrer l’installation en période de tarif électrique défavorable, pour limiter le coût de la pointe de puissance quart-horaire.

Pour permettre cette gestion lorsque parmi les utilisateurs, certains demandent une production de froid permanente, il peut être intéressant de dissocier les productions de manière à éviter de faire fonctionner en continu, notamment en hiver, une machine frigo beaucoup trop puissante par rapport aux besoins.

Créer un réseau d’eau glacée qui favorise une température élevée à l’évaporateur

Un régime de fonctionnement qui s’adapte aux besoins réels du bâtiment

Le bureau d’études dimensionne l’installation afin qu’elle puisse répondre aux conditions extrêmes de température extérieure (30°C) et d’ensoleillement (ciel serein).
Souvent, pour limiter le coût d’investissement, il prévoit pour la boucle d’eau glacée un régime départ 6° – retour 11°.
Or la boucle d’eau glacée circule dans un bâtiment à 22°…24°C. Elle présente donc des pertes tout au long de son parcours. En rehaussant la température de départ de l’eau, on diminue le Delta T° et donc les pertes des tuyauteries.
De plus, l’air ambiant condense en dessous de 12°C environ. Beaucoup d’énergie du compresseur sera donc consacrée à déshumidifier l’air dans les échangeurs, déshumidification qui n’est souvent pas nécessaire.
Enfin, le compresseur verra son travail diminuer si la température d’évaporation est augmentée.
Faire travailler le réseau d’eau froide au régime 12° – 17° est donc beaucoup plus efficace.
Comment ? Divers concepts d’installation sont possibles afin de mieux « coller » aux besoins variables.

Adopter des échangeurs à haute température

Il faut « faire du froid » avec l’équipement « le plus chaud possible » !

Le plafond froid est très performant à ce sujet : il profite de l’importante surface qui lui est donnée pour faire du froid avec de l’eau comprise entre 15 et 18°C.

Le ventilo-convecteur peut être également efficace pour autant qu’il soit choisi pour fonctionner au régime 12° – 17°C. Mais l’échangeur du ventilo devra alors être surdimensionné. Donc un coût d’investissement et un encombrement plus importants.

L’ unité terminale du système de climatisation à Débit de Réfrigérant Variable est également très performante puisque la régulation numérique va adapter la température de refroidissement aux besoins effectifs de déshumidification de la pièce : la température du fluide frigorigène ne descendra à 6°C que lorsque le local sera en demande de déshumidification.

Réaliser une température glissante par vanne 3 voies sur le départ de la boucle d’eau glacée

Par exemple, adopter les régimes suivants pour le départ de l’eau froide : 6° en été, 9° en mi-saison, 12° en hiver.
Pour que cette solution convienne, il faut que le profil de consommation du bâtiment soit fortement lié à l’évolution de la température extérieure. En climatisation, c’est le cas lorsque les besoins de réfrigération sont ceux liés au traitement de l’air neuf. Par contre, les apports dus aux machines, à l’éclairage, aux personnes sont constants. Les apports solaires sont plus ou moins liés à l’évolution de la température extérieure (c’est en été que température et soleil sont au maximum) mais le soleil peut être important certaines journées d’avril…
En mi-saison, l’installation pourra toujours répondre à un apport solaire momentané, mais proportionnellement avec une puissance maximale plus faible puisque la température de départ de l’eau glacée sera plus élevée. Cette régulation peut se faire, soit manuellement (2 ou 3 adaptations par an), soit automatiquement. Dans ce cas, il faudra trouver l’emplacement du capteur qui sera fidèle des besoins de l’installation.

Parallèle : en chauffage, un régulateur avec courbe de chauffe adapte la température de départ en fonction de la sonde extérieure.

Exemple.

Soit le réseau alimentant la batterie de froid du caisson de préparation de l’air neuf (débit = 50) et le réseau d’eau glacée (débit = 100).

Si les deux réseaux sont au régime 7 – 12, la température moyenne à l’évaporateur est de 9,5°C.

Si le réseau d’eau glacée passe au régime 12 – 17, la température moyenne à l’évaporateur passe à 10,75°C, soit une hausse de 1,25°C.

Cet impact est faible, mais il aura lieu durant toute la vie de l’installation, et il se cumulera aux pertes par tuyauteries plus élevées et à la consommation de latente plus forte également.

Réaliser des réseaux d’eau froide distincts, avec une modulation par vanne 3 voies sur chaque départ

Si l’installation comporte plusieurs types de locaux dont les besoins sont différents, cela se complique !
Par exemple, imaginons qu’il existe un local à apports internes importants et constant (salle informatique par exemple) et dont la puissance des émetteurs est juste suffisante : il devront toujours être alimentés à 6°. Si par ailleurs, plusieurs locaux plein sud avec larges baies vitrées présentent des besoins liés à la température extérieure et à l’ensoleillement, une modulation de la température de départ de ce circuit sera intéressante.
On peut alors réaliser des circuits différents commandés à des températures différentes, via des vannes trois voies motorisées. Ici, on ne modulera que la température du circuit « locaux plein sud ».

Parallèle : en chauffage, il apparaît normal de séparer les circuits en zones thermiquement homogènes (façade Sud, façade Nord,…), puis de moduler la température de départ de chaque circuit en fonction des besoins de la zone qu’il alimente. Ne disposer que d’une seule boucle d’eau glacée à 6°, c’est un peu comme si le chauffage n’était alimenté que par une seule boucle à 90°… !

Réguler les équipements terminaux sur le débit, en fonction de la température de retour

En thermique, il existe deux manières de réguler : agir sur le débit ou agir sur la température.
Moduler le débit sous-entend conserver une température constante.
En chauffage, le régime de température adopté lors du dimensionnement du matériel est élevé : généralement 90° – 70°. Ceci entraîne un écart de température élevé par rapport à l’ambiance et donc des pertes de maintien élevée. On aura donc tout intérêt à réguler sur la température.
En réfrigération, par contre, le régime classique 6° – 11° ou 7° -12° présente peu d’écart par rapport à l’ambiance. De plus, le débit est important (à puissance égale, il faut 4 fois plus de débit pour transporter du froid que du chaud puisque le Delta T° est 4 fois plus petit) et sa modulation est plus aisée. Si les besoins sont fort variables, on sera dès lors plus facilement tenté par une régulation sur le débit, avec une température de départ constante, une température de retour la plus élevée possible… et des économies d’énergie sur le transport de l’eau par l’utilisation d’une pompe à vitesse variable. Cependant, un débit minimum dans l’évaporateur est requis par le constructeur, sous peine de le geler à certains endroits. L’installation devra comprendre un by-pass de recyclage ou un découplage hydraulique par une bouteille casse-pression.
Cette technique nécessite des éléments terminaux (comme les ventilo-convecteurs, les centrales d’air, les sous-stations, …) régulés avec des vannes deux voies. Lorsque les besoins diminuent, le débit total de la boucle diminue également. Pour maintenir la pression constante aux bornes des équipements, on utilise des pompes à débit variable pilotées soit par la température de retour, soit par la pression.
Par opposition à la possibilité de régulation sur sonde extérieure, on réalise ici une régulation sur boucle fermée plus fidèle aux besoins du bâtiment. Pour l’évaporateur, ce n’est plus la température de départ qui est augmentée, mais la température moyenne de fonctionnement (régime 6° – 14° par exemple). La température moyenne à l’évaporateur est donc augmentée, ce qui est favorable.

Placer les consommateurs en série en fonction de leur température de fonctionnement

Pour augmenter la température à l’évaporateur, on peut penser à trois solutions :

  • Augmenter la température de départ de la machine frigo : cela sera possible si tous les utilisateurs demandent une température d’eau plus élevée.
  • Freiner le débit à l’évaporateur : c’est limiter car il faut irriguer en permanence la machine frigorifique à un débit minimal (voire constant) imposé. À défaut de débit insuffisant à l’évaporateur, la machine se mettra en sécurité.
  • Placer les échangeurs frigorifiques en série en fonction de leur température de travail : l’alimentation des unités terminales sera greffée en série, après la batterie froide du caisson de traitement d’air.

De plus, on préférera un couplage en injection car il permet de couper l’alimentation d’un échangeur sans perturber le reste de l’installation.

Une seule condition de bon fonctionnement : le débit de la boucle primaire doit toujours être >> débit de chaque boucle partielle (pour éviter toute inversion dans le by-pass).

Insérer un réservoir tampon

Un ballon tampon amplifie l’inertie thermique de l’installation, ce qui prolonge la durée de fonctionnement des compresseurs. Il permet de résoudre le problème de l’anti-court cycle (c’est-à-dire la temporisation du démarrage si l’installation vient de s’arrêter) et de prolonger la durée de vie du matériel en diminuant le nombre de démarrages par heure ou par jour.
De plus, cela permet également de réguler le compresseur en fonction de la température du ballon-tampon, ce qui est une bonne solution.
On dimensionne un ballon tampon de telle sorte que son stockage corresponde à 5 à 10 minutes de la consommation en eau glacée.

On peut amplifier encore cette possibilité en insérant une bâche à eau glacée dans l’installation. Cette solution peut permettre de diminuer la pointe quart-horaire de l’installation par délestage des groupes frigorifiques.

Choisir une régulation numérique

Quel intérêt ?

La régulation numérique (ou digitale) est en plein essor ces dernières années. Cette fois, ce n’est plus le câblage qui va déterminer les séquences mais bien le programme inclus dans l’automate programmable ou le régulateur du groupe.
Il s’agit en fait d’une gestion globale du système qui vient se superposer aux équipements décrits ci-dessus.
La régulation d’ensemble en sera fortement améliorée :

  • Possibilité de modifier les points de consignes, les horaires de fonctionnement,… à distance.
  • Régulation modulante de la température par l’usage d’un détendeur électronique.
  • Possibilité de réaliser un délestage du groupe au moment de la pointe ¼ horaire du bâtiment.
  • Visualisation meilleure du fonctionnement par mesure des pressions et des températures tout au long du cycle.
  • Estimation des performances, de l’énergie consommée …

Il suffit d’imaginer la difficulté d’un technicien appelé pour résoudre une panne pour comprendre tout l’intérêt d’enregistrer différents paramètres de l’installation.

Exemple d’entretien prévisionnel.

Les pressions d’entrée et de sortie d’un compresseur et les mesures des températures d’entrée et de sortie du frigorigène de cette machine ont été repérés lors de la mise au point de l’installation. Si la température de refoulement est plus élevée qu’elle ne le devrait, c’est que ce compresseur a un problème d’étanchéité de clapet. Il faut agir.

Exemple de délestage.

Chez Delhaize, on met en place un délesteur de charge sur les groupes frigorifiques de telle sorte que ceux-ci ne s’enclenchent pas simultanément au démarrage des fours à pain, lorsque le bâtiment est en période de pointe électrique.

L’inertie des équipements frigorifiques est telle que l’arrêt de quelques minutes ne pose pas de difficulté majeure. Et l’économie tarifaire est appréciable !

Quels paramètres faut-il superviser dans une GTC de machine frigorifique ?

La réponse est fonction de l’importance de l’installation et de la qualité du personnel d’intervention pour en exploiter les résultats. On trouvera dans la maintenance des installations frigorifiques une liste de paramètres qui peuvent être suivis.

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