Actualisation : Geoffrey, août 2014

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Auteur : les anciens

Eté 2008 : Brieuc.

Notes : 03.03.09

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Unités extérieures d’un système à débit de réfrigérant variable.

Pour connaître les caractéristiques technologiques et le fonctionnement d’un système DRV, cliquez ici.

Quand opter pour un système à débit réfrigérant variable ?

Si le bâtiment demande une grande souplesse dans la gestion des besoins de  chaleur et de froid (basculements rapides entre des besoins de chaud et de froid d’un local particulier ou à des besoins simultanés de chaud et de froid dans des locaux proches), un système à Débit de Réfrigérant Variable offre la souplesse nécessaire pour y répondre.
En particulier, le DRV est pertinent :

Lorsque le bâtiment est bien isolé et peu inerte

Ce type de climatisation (chauffage et refroidissement) est très souple dans son fonctionnement. Il semble dès lors bien adapté pour des bâtiments neufs très bien isolés et dont le souhait de modularité a rendu les parois très légères (cloisons intérieures démontables).
En effet, la faible inertie des parois rend ces bâtiments très sensibles aux variations de charges : occupants d’une salle de réunion, rayons de soleil, équipements bureautiques, … Dans ce type de bâtiment, une relance de chauffage est parfois nécessaire au matin, alors que dès midi le refroidissement du bâtiment devra être organisé.
Or ce type d’installation de climatisation peut y répondre avec beaucoup de souplesse.
Une installation de ventilo-convecteurs à 4 tubes permet également une telle souplesse de réponse, mais en amont du ventilo, il faudra prévoir un réseau d’eau glacée et sa machine frigorifique, ainsi qu’un réseau d’eau chaude et sa chaudière. Le danger du 4 tubes est le risque de fonctionnement simultané du chaud et froid qui engendrerait une destruction d’énergie.
Voici l’extrait d’une régulation sur un local de bureau (reconstitution à partir de l’historique enregistré sur le système de régulation d’un système DRV).

Lorsque l’on prévoit des demandes de chaud et de froid simultanées

La variante dite « à récupération d’énergie » est particulièrement intéressante si l’on prévoit des apports internes élevés durant l’hiver : salle informatique, locaux intérieurs, … La chaleur extraite pourra être restituée vers les locaux demandeurs en façade. Elle peut être intéressante également en mi-saison (façades d’orientation différentes).
Il faut avoir conscience que cette situation est plus rare qu’on pourrait le penser (essentiellement en mi-saison). Dans l’étude d’un bureau-type de 3 000 m², l’analyse des besoins par simulation a fait apparaître que le potentiel de récupération de chaleur sur la demande de froid avoisine les 20 % de la demande de froid annuelle. C’est un potentiel théorique. Nous ne connaissons pas actuellement le pourcentage réel d’exploitation de ce potentiel par le système. Par contre d’autres applications s’y prêtent très bien :

  • la récupération de chaleur depuis un local informatique ou d’un process industriel,
  • la production d’eau chaude sanitaire par récupération de chaleur des locaux en été,
  • l’alimentation en chaud ou en froid d’une batterie terminale d’un groupe de ventilation

Mais ce potentiel augmenterait fortement si, au lieu de prendre une structure classique rectangulaire (bureaux en façade et couloir central), une structure carrée avait été décidée, ou si des étages enterrés en sous-sol étaient programmés.
Une analyse des besoins thermiques est très utile pour aider à la décision.

Lorsque l’on prévoit de fréquentes modifications de l’organisation interne des locaux

La possibilité de passer instantanément du mode refroidissement au mode chauffage donne au système la même souplesse que celle d’une installation de ventilo-convecteurs 4 tubes.

Lorsque la rénovation du bâtiment ne permet pas de dégager des espaces techniques importants

Ce système peut s’adapter facilement en rénovation puisque aucun local technique n’est requis (pose en toiture) et que les tuyauteries ont un faible encombrement.
Si le placement d’un faux plafond n’est pas possible, un système en allège ou en plafonnier apparent sera prévu.
De plus, le fractionnement de la puissance totale de l’unité extérieure en multiples modules permet un montage plus aisé, chaque module pouvant être monté par ascenseur, par exemple.
On sera attentif au bruit de l’unité extérieure pour le voisinage, mais le fonctionnement à vitesse variable permet de limiter celui-ci à des valeurs acceptables.

Lorsque l’on a affaire à des bâtiments où l’occupation des locaux n’est pas constante (chambre d’hôtels par exemple).

Les limites des systèmes DRV

On sera attentif aux aspects suivants qui peuvent écarter ce choix :

Le prix semble être encore élevé, surtout en regard à la puissance frigorifique fournie

Comme pour tout produit nouveau sur le marché, le prix d’investissement est proportionnellement élevé. Surtout pour la solution énergétiquement la plus performante, l’installation 3 tubes. Mais il faut envisager le coût global sur 20 ans, exploitation comprise. Nous manquons de chiffres pour faire apparaître la performance à l’exploitation de ce système qui paraît importante. Mais notons que le prix d’un système DRV doit être mis en parallèle au prix d’une technologie 4 tubes (groupe de froid et chaudière). À ce moment-là, on se rend compte de cout est comparable, voir inférieur.
Le travail de conception et de dimensionnement est réduit puisque le constructeur propose son installation « clé sur porte ». Sachant qu’il est limité en puissance frigorifique et calorifique, il aura tendance à dimensionner son équipement en ne surévaluant pas les besoins, ce qui est un gage d’efficacité énergétique à l’exploitation.
Remarque
L’avenir de la tarification électrique devrait être plutôt favorable à ce système. En effet, les fournisseurs d’électricité vont favoriser les systèmes capables de délester au moment de la pointe, capables de réguler le diagramme de charge en pilotant les compresseurs à vitesse variable.
Les utilisateurs de ces systèmes pourraient alors bénéficier d’un tarif préférentiel diminuant le coût d’exploitation. Dans plusieurs pays, des primes à l’investissement sont octroyées, ce qui a permis une évolution plus rapide de ce type d’installation.

L’existence d’un réseau de fluide frigorigène dans l’ensemble du bâtiment

Placement des tuyauteries en faux plafond.

Les fabricants ont réduit la charge de fluide au maximum et les techniques d’aujourd’hui permettent a priori une installation « zéro fuite », mais un risque subsiste. Non pas pour les occupants (les fluides ne sont pas nocifs), mais vis-à-vis d’une réglementation future plus restrictive au niveau environnemental.
Il faut reconnaître qu’une fuite quelque part dans un faux plafond… n’est pas simple à détecter.
Actuellement, le Permis d’Environnement de l’IBGE n’interdit pas cette technique. Mais le Luxembourg qui a, un certain temps interdit cette technique, limite la puissance des installations à 50 kW.
La norme européenne EN 378 limite la concentration du R410A à  440 gr/m³. Elle considère que l’ensemble du gaz d’une installation peut s’échapper dans un local. Pour une quantité totale de réfrigérant de 30 kg contenue dans une installation, aucun local de moins de 68,2 m³ (+/- 27,3 m²) ne pourrait théoriquement donc être chauffé/refroidit par le système DRV sauf si la ventilation permet d’abaisser la concentration sous le seuil maximal en moins de 10 minutes.

Réglementations

Des contrôles d’étanchéités doivent être faits une ou plusieurs fois par an suivant la quantité de gaz de l’installation. Pour plus d’informations : cliquez ici.

Le chauffage en hiver par pompe à chaleur sur l’air extérieur

Il semble que les performances des pompes à chaleur soient en constante évolution (par la technique INVERTER de variation de vitesse du compresseur, par les techniques de dégivrage nettement améliorées, …), mais nous ne disposons pas de valeurs de  SPF hivernal, mesuré sur site réel, par un organisme indépendant. Quel est le COP global de la machine lorsque la température extérieure descend à – 5… – 10 °C ?
D’un point de vue énergétique :
En considérant facteur d’énergie primaire de 2,5 pour l’électricité et un rendement de chaudière de 95 % pcs. Il suffirait d’un SPF de 2,38 pour équilibrer le bilan énergétique, équipements auxiliaires (ventilateurs,…) compris.
D’un point de vue économique :
Avec un système DRV, le courant électrique utilisé est un courant de jour (environ 0,23 €/kWh, pointe comprise). Si le gaz se maintient autour des 0,09 €/kWh pcs. Avec un rendement d’une chaudière gaz condensation de 95 % pcs Il suffirait d’un COP moyen de  2,43 pour équilibrer le coût énergétique, équipements auxiliaires (ventilateurs,…) compris.
Ces valeurs de COP sont probables.
De plus, un fonctionnement au tarif avantageux de nuit est possible pour la relance du bâtiment du matin, ce qui fait l’essentiel des besoins de chauffage.
Les installations DRV sont rarement surdimensionnées, en premiers lieux à cause de la limite en puissance, mais également pour éviter faire tourner les compresseurs en régime trop faible ce qui détériore les rendements. Pour éviter des facteurs de relance trop élevés les constructeurs préconisent de maintenir la température de nuit jusqu’à 17 – 18 °C afin d’éviter des dégivrages trop fréquents en hiver. Or ce procédé augmente entre 17 et 38 % les consommations journalières en hiver.

Le refroidissement en été handicapé par le type de compresseur

Les constructeurs annoncent des EER entre 3,1 à 4,3. Ces valeurs restent dans la moyenne des machines à refroidissement/réchauffement par air, à près tout c’en est une. Malheureusement il n’existe pas de valeur d’efficacité saisonnière (ESEER), ni auprès de fabricants ni auprès d’organisme indépendant. Celle-ci aurait pu nous aider à se faire une idée réelle de l’efficacité.
Ce qui est sûre, c’est qu’énergétiquement parlant, si la récupération d’énergie (chaleur provenant d’un local informatique, transfert de chaleur entre locaux dont les besoins sont forts différents, process industriel nécessitant la production d’eau glacée,…) est impossible ou faible, il faudrait mieux vous tourner vers une autre technologie.

Conclusion

On ne peut aujourd’hui que tirer une conclusion provisoire, en disant que le système DRV présente des avantages indéniables, qu’il semble d’une bonne performance énergétique grâce à une électronique intelligente et qu’il s’adapte tout particulièrement aux petites et moyennes surfaces à traiter.

Choisir le type de système DRV

En dehors des spécificités technologiques des différentes marques, les choix principaux sont :

Le choix de l’existence d’une récupération entre locaux

L’installation peut être du type « froid seul » : c’est le choix qui sera fait lorsque l’installation vient en complément d’une installation de chauffage existante (rénovation d’un ancien bâtiment). A éviter sous peine de risque de destruction d’énergie.
L’installation peut être du type « froid seul » ou « chaud seul » : les unités intérieures produisent alors toutes en même temps, soit du froid, soit du chaud. Ce système demande que les besoins du bâtiment soient assez homogènes et qu’une plage neutre (plage où la température fluctue sans intervention) de 21 à 25 °C par exemple, soit acceptée par chacun. Ce ne sera donc pas un système adéquat pour un immeuble comportant des zones intérieures (à refroidir toute l’année) ou des façades fortement vitrées, orientées Est-Ouest. Sauf si la zone intérieure du bâtiment est importante, au point qu’un circuit indépendant (avec sa propre unité extérieure) se justifie rien que pour cette zone centrale.
L’installation peut travailler en mode « froid » et en mode « chaud », simultanément : les unités intérieures peuvent assurer du chauffage dans certains locaux et du refroidissement dans d’autres. Le confort est donc nettement amélioré puisque l’on peut répondre à des besoins différents dans chaque local.
De plus, ce système permet la récupération d’énergie dans la mesure où il est capable de transférer la chaleur puisée dans les locaux à refroidir vers les locaux à réchauffer. C’est l’existence d’un réseau de fluide frigorigène, la performance des nouveaux compresseurs à vitesse variable et une électronique sophistiquée qui permet cet avantage appréciable. C’est le système à choisir lorsque l’analyse des besoins prévoit des superpositions importantes de demandes de chaleur et de froid simultanées.
Mais un supplément de prix de l’ordre de 30 à 50 % sera demandé par rapport au mode « froid ou chaud ».

 Études de cas

Les bureaux de Franki Geotechnics.

Les paramètres de prédimensionnement

Pour réaliser un appel d’offres permettant de comparer les solutions entre elles, certains éléments doivent être précisés dans le dossier.

Un découpage des zones lié au choix du système 2 tubes ou 3 tubes

En 2 tubes :
Si les locaux sont répartis sur des façades différentes, où si certaines pièces ont des besoins forts différents des autres, il est à première vue adéquat de diviser le bâtiment en plusieurs zones, une pour chaque façade par exemple. On peut dire que 2 installations de climatisation sont alors installées dans le bâtiment, puisque les 2 unités travailleront en parallèle.

En 3 tubes :
Pour optimiser la récupération de chaleur, il faut privilégier une seule installation pour l’ensemble du bâtiment. Si cela n’est pas possible, à cause de la limite de puissance par exemple, il peut être utile de découper le bâtiment horizontalement. Si on intègre dans la même zone des locaux de façades différentes, un transfert d’énergie peut avoir lieu à l’intérieur du bâtiment, en mi-saison.
Il est donc indispensable d’évaluer si des demandes de chaud sont prévues simultanément à des demandes de froid. Tout particulièrement, si un local informatique est présent, il est opportun de l’intégrer dans une zone où les autres locaux sont majoritairement en demande de chauffage.

Une évaluation réaliste des besoins de refroidissement

Un dimensionnement très soigné doit avoir lieu. En effet, ce type d’installation travaille avec un mauvais rendement à bas régime.
Le compresseur tourne à vitesse variable en fonction de la demande. Mais une limite inférieure de 20 Hz ne peut pas être franchie. À ce moment, le compresseur développe 17 % de sa puissance nominale. Pour toute puissance inférieure, il risque d’adopter un régime de fonctionnement entrainant la destruction d’énergie. Le rendement en sera fortement dégradé.
Il faut donc éviter que l’installation soit sur-dimensionnée, c’est-à-dire, dimensionnée pour répondre à des conditions de canicule ou de froid extrême, avec des coefficients de sécurité supplémentaires, … entraînant de facto un fonctionnement fréquent à bas régime.
Plus positivement, on adoptera un facteur de foisonnement réaliste sur l’utilisation simultanée des équipements
En quelque sorte, l’installation  n’a pas la possibilité de profiter de l’inertie d’un ballon tampon…

Une analyse de la technologie la plus adéquate

Sans entrer dans trop de détails techniques, les systèmes mis sur le marché varient d’un fabricant à l’autre. Tout particulièrement, le réseau de distribution des fluides qui est plus en « râteau » chez l’un et en « botte » chez l’autre. Certains systèmes seront plus vite limités en longueur de tuyauteries après le boîtier de répartition.
Ces nuances peuvent générer des coûts très différents lors de la mise en œuvre (nombre de boîtiers de distribution, facilité de passage de tubes au niveau des poutres, …).
Il sera donc utile de préciser la disposition des locaux, leur usage, … et l’accès prévu pour les techniques (gaines techniques, trémies, réservation dans les poutres…). Si un seul réseau peut être prévu en faux plafond pour alimenter des cassettes en dessous et des unités intérieures en allège pour l’étage du dessus, le coût d’installation peut être réduit.
À la limite, surtout en 2 tubes, il faudra écarter l’un ou l’autre local de l’ensemble parce qu’il a un comportement trop différent du restant des locaux à traiter.

Comparer ce qui est comparable

Comparer deux systèmes de climatisation n’est pas toujours aisé. Un système DRV chauffe et refroidit, il est installé avec sa propre régulation, il ne demande ni chaufferie ni cheminée…
Exemples :

  • Un local de réunion peut être traité spécifiquement avec un système d’apport d’air neuf autonome (fonctionnement en free cooling).
  • La partie self 24h/24 d’une agence bancaire sera traitée distinctement des bureaux.

Qu’en est-il de la garantie ? Certains constructeurs proposent 5 ans de garantie omnium sur l’ensemble de la solution.
L’installateur est-il agréé par le constructeur ?
La location d’une grue pour poser les équipements frigorifiques en toiture est-elle présente dans l’offre ?
Dans l’appel d’offres, il faudra en tenir compte pour pouvoir ensuite comparer plus facilement des solutions différentes.

Check-list qualité

Voici quelques critères de qualité à vérifier au niveau du cahier des charges :

  • L’étanchéité du réseau est déterminante et l’objectif « zéro fuite » doit être poursuivi. Les soudures seront réalisées sous atmosphère d’azote (permet d’éviter la formation de calamine) lors du brasage  Lors de la réception, l’installation sera testée sous minimum 30 bars d’azote durant 48 heures minimum, afin de détecter les fuites possibles du réseau.
  • Le cuivre doit être de qualité, de type frigorifique.
  • Une distribution d’air et de chaleur de qualité dans les locaux suppose un nombre suffisant de bouches ou de cassettes. Or l’installateur voudra réduire son prix en limitant le nombre de points de distribution dans les locaux. Pour que le client ne se retrouve pas avec une seule cassette très puissante au centre de son bureau paysager, le cahier des charges devra préciser le niveau de qualité à atteindre en matière de vitesse résiduelle d’air à la limite de la zone d’occupation, ou directement en matière de nombre d’appareils à prévoir.En termes de prix,  placer une cassette de 5 kW à la place d’une de 2 kW dans un bureau paysager entraine un supplément de  quelques centaines d’euros. Ajouter une cassette supplémentaire dans un local génère un coût de  plusieurs milliers d’euros… environ. Mettons-nous à la place de celui qui veut obtenir le marché…!Il ne faut ni air stagnant dans un coin du local, ni turbulence à la jonction de 2 flux d’air venant d’appareils différents. Pour s’assurer du bon brassage de l’air, on demandera un spectre de distribution de l’air garanti.La distribution prévue permet-elle une modification ultérieure éventuelle des cloisons ? (flexibilité).
  • Il faut vérifier la solution proposée pour que de l’air froid ne soit pas pulsé sur les occupants lors de la période de dégivrage de la pompe à chaleur. Tout particulièrement lorsqu’une arrivée d’air neuf est intégrée à l’entrée des unités intérieures…
  • C’est souvent l’intersaison qui pose problème… Lorsqu’une solution « froid ou chaud » est prévue, le « change over » (passage d’un mode à l’autre) devra être organisé. Si le bâtiment est assez inerte et homogène, un passage « été – hiver » manuel suffira. Dans le cas contraire, il est possible qu’il faille majoritairement chauffer au matin et refroidir l’après-midi. Et un change over automatique, décidé par le système en fonction de la demande majoritaire, est utile. Tous les systèmes ne le proposent pas. À noter que certains systèmes en mode « froid ou chaud » peuvent travailler alternativement en froid et puis en chaud, afin de satisfaire une fois l’un, une fois l’autre !
  • Les cassettes à intégrer dans le faux plafond sont-elles équipées d’origine de pompes pour remonter les condensats (les pompes ajoutées par après sont souvent beaucoup plus bruyantes) ?
  • Une possibilité de variante URE est-elle intégrée au cahier des charges ?
  • Le fluide frigorigène prévoit-il les exigences réglementaires futures ?
  • En cas d’appareil en allège, un manchon de raccord entre l’unité intérieure et la grille de l’habillage est-il prévu (pour éviter le court-circuitage partiel de l’air pulsé) ?

La hauteur de l’unité intérieure ne correspond pas toujours à la hauteur prévue pour l’habillage.