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Auteur : les anciens

Eté 2008 : Brieuc.

Notes : 24.02.09

  • Winmerge : ok – Sylvie
  • Mise en page [liens internes, tdm, en bref !, passage général sur la mise en page de la feuille] – Sylvie

Principe

Les particularités des locaux intérieurs sont

  • de ne pas avoir de parois en contact avec l’extérieur et donc pas de déperditions en hiver, pas plus que d’apports solaires en été,
  • d’être en permanence en demande de refroidissement puisque les occupants et les équipements internes (dont l’éclairage) génèrent une chaleur qui ne peut s’échapper naturellement : sans intervention, la température ne ferait qu’augmenter …
  • d’être, dans le cas d’un local de réunion, en demande d’un traitement thermique uniquement lorsqu’il y a présence des occupants (90 % de la demande est créée par les occupants et l’éclairage).

La solution traditionnelle, souvent appliquée lorsqu’il s’agit d’un local isolé, consiste à placer un climatiseur dans le local. Mais cette solution ne peut être généralisée pour un ensemble de locaux « aveugles » puisqu’il n’y a pas un accès facile vers l’extérieur pour l’évacuation de la charge thermique (difficile de placer les condenseurs en façade)
Une solution plus centralisée est nécessaire.
On pense alors au placement de ventilo-convecteurs sur une boucle d’eau glacée, avec production de froid et condenseur en toiture. Mais deux aberrations énergétiques sont présentes :

  1. Durant tout l’hiver, on va refroidir artificiellement le cœur du bâtiment, sans profiter de l’air froid extérieur.
  2. On va évacuer la chaleur à l’extérieur alors que les locaux en façade ont besoin de chauffage …

Deux solutions apparaissent alors

  1. La solution « tout air » qui se fonde principalement sur l’idée que l’air extérieur froid peut répondre aux besoins de refroidissement une grande majorité du temps.
  2. La solution « fluide réfrigérant variable » qui se base sur l’idée que la chaleur extraite des locaux centraux peut être récupérée dans les locaux périphériques.

La solution « tout air »

Partons de plusieurs constats pour élaborer une réponse adaptée :

Un réseau d’air hygiénique est nécessaire pour apporter de l’air neuf aux occupants :

Un apport de 30 m³/h par personne est requis. Si une personne occupe 10 m², elle vit dans 30 m³ d’air (hauteur sous plafond de 3 m). Lui apporter de l’air hygiénique entraîne donc un renouvellement d’air du local de 1 volume par heure. Autrement dit, si les locaux font X m³, le débit d’air neuf nécessaire sera de X m³/h.
La solution la plus simple consisterait à placer un réseau d’extraction mécanique dans les locaux, laissant l’air entrer naturellement sous les portes (ou par des grilles dans les portes), via les couloirs. C’est économique à l’investissement, mais peu efficace en pratique, car le débit réel sera fonction de l’étanchéité globale du bâtiment…
Un réseau d’air pulsé paraît impératif pour atteindre une bonne qualité d’air intérieur.

Refroidir les locaux par de l’air froid suppose un débit d’air nettement plus élevé que celui de l’air hygiénique.

En effet, l’air ne peut être soufflé avec un écart de température par rapport à l’ambiance supérieur à 10°C (si l’ambiance est de 24°C, la pulsion sera de 14°C minimum).
Dans ces conditions chaque m³ d’air apporte 3,4 W de refroidissement. Or une personne et son éclairage génèrent 20 W/m² de chaleur, soit 6,7 W/m³ (si hauteur sous plafond de 3 m). Il faudra donc :

6,7 [W/m³local] / 3,4 [W/m³air] = 2 [m³air/m³local],

soit un renouvellement horaire minimal de 2 volumes par heure.
Et bien souvent, de nombreux équipements bureautiques dégagent une chaleur nettement plus importante encore. Si bien que le taux de brassage de l’ambiance par de l’air froid est en général situé entre 4 et 6. Autrement dit, si les locaux font X m³, le débit d’air froid nécessaire sera de 4X … à … 6X m³/h.

En Belgique, la température extérieure est 98 % du temps inférieure à 24°C.

Il existe donc un pouvoir rafraîchissant naturel important de l’air extérieur, sans traitement et donc sans coût énergétique autre que son transport. Logiquement, on pense dès lors à mettre en œuvre un système « tout air », c’est-à-dire une installation où le rafraîchissement est transporté par l’air, installation qui serait apte à transporter cet air froid « gratuit ».

Le free cooling de nuit peut décharger les parois de la chaleur accumulée en journée.

L’air extérieur de nuit est, lui, toujours rafraîchissant, en été comme en hiver (même en période de canicule, la température de nuit avoisine les 15°C). Mais cet air n’est efficace que pour autant que son débit soit suffisamment élevé : un taux de renouvellement d’air minimum de 4 volumes/heure est nécessaire. Ici encore, l’intérêt de mettre en place une installation « tout air » est manifeste.
Seul bémol à cette proposition, le free-cooling nocturne utilise l’inertie du bâtiment comme « réservoir tampon » : en fin de nuit d’été, le bâtiment est déchargé de sa chaleur en l’amenant à une température de 22°C, et en fin de journée on laisse flotter la température jusqu’à 26°C, par exemple. Dans ce cas, le free-cooling peut effectivement procurer des économies au système de climatisation. Ceci entraîne une fluctuation des températures intérieures qu’il faut être prêt à accepter.

En Belgique, la température extérieure est 65 % du temps inférieure à 14°C, soit inférieure à la température de pulsion.

On souhaite profiter du froid extérieur, mais il est impossible d’injecter de l’air à 0°C dans les locaux ! Il y a nécessité de préchauffer l’air pulsé. Or on travaille avec des débits d’air élevés (4 à 6 renouvellements horaires). Le coût du pré-chauffage de l’air risque d’anéantir les économies réalisées sur le refroidissement !
Deux solutions se présentent alors

  • Soit on recycle partiellement l’air extrait : c’est la chaleur des locaux eux-mêmes qui préchauffent « gratuitement » l’air neuf, par mélange. Par exemple, les 4 renouvellements horaires sont constitués de 3/4 d’air recyclé et de 1/4 d’air neuf.
    Inconvénient : l’air de tous les locaux est repris, mélangé et redistribué dans les différents locaux, ce qui peut poser problème…
  • Soit on place un échangeur de chaleur sur l’air extrait : puisqu’il s’agit seulement d’un préchauffage de l’air, un échangeur à plaques ou un double échangeur à eau glycolée peut transférer la chaleur de l’extraction vers la pulsion, sans mélange entre l’air neuf et l’air vicié, en atteignant les puissances requises.

Chaque local nécessite une régulation spécifique

L’enclenchement d’un photocopieur, la tenue d’une réunion, … crée des besoins variables entre les différents locaux. Une régulation individualisée doit être proposée.
De plus, le coût du transport de l’air n’est pas négligeable dans une installation « tout air ». Il est donc intéressant de ne pulser que les débits nécessaires : pulser la moitié du débit nominal génère le huitième de la consommation électrique du ventilateur.
Ces deux constats étant faits, le conditionnement d’air à Volume d’Air Variable (VAV) apparaît comme la solution la plus adéquate. Le thermostat de chaque local agit sur le clapet modulant l’arrivée d’air. Une sonde de pression placée dans la gaine commande la vitesse des ventilateurs de pulsion et d’extraction.

Le cas particulier des bureaux paysagers

La particularité des grandes plates-formes de bureaux paysagers, c’est d’avoir dans le même local à la fois une zone centrale (où la chaleur est excédentaire) et des zones en façades (où les parois froides génèrent de l’inconfort). Dans ce cas, on prévoit simultanément la pulsion d’air frais en zone centrale et l’apport de chaleur par des radiateurs en allège des fenêtres. La régulation de ces deux flux contradictoires doit être soignée afin qu’il n’y ait pas destruction d’énergie : une plage neutre doit être réservée entre chauffage et refroidissement (par exemple, les vannes thermostatiques de radiateurs sont réglées sur 21°C et l’ouverture du débit d’air froid ne commence qu’à 23°C). Entre 21 et 23°C, le corps humain est situé dans sa plage de confort optimale.

Les inconvénients d’une telle solution

L’investissement à consentir au départ est loin d’être négligeable :

  • les conduits sont volumineux et encombrants, donc coûteux en argent et en espace,
  • la régulation est plus élaborée, et donc coûteuse et pas toujours facile à la mise au point et à la maintenance.

Il sera donc utile de chiffrer le budget énergétique d’une telle solution et de parler en terme de coût global sur 15 ans. Notamment pour comparer cette solution à la traditionnelle boucle d’eau glacée sur laquelle sont greffés les ventilo-convecteurs.
C’est le rôle du bureau d’études, car la situation est spécifique à chaque projet.

Études de cas 

Un exemple d’une telle démarche a été réalisé pour le cas de 4 locaux de consultation à l’hôpital de Chimay.

La solution « fluide réfrigérant variable »

L’approche se construit sur les éléments suivants :

1.  Nouvelles possibilités technologiques des compresseurs

On connaît le fabuleux « rendement » thermodynamique d’une machine frigorifique récente : pour faire 3 kWh de froid, il suffit de 1 kWh électrique au compresseur. Il en résulte alors 4 kWh de chaleur rejetés au condenseur. Si ces 4 kWh sont récupérés dans des locaux demandeurs de chaleur, le bilan théorique s’impose de lui-même : avec 1 kWh au compresseur, on réalise 7 kWh utiles : 3 de refroidissement et 4 de chauffage !
Si dans le bâtiment, en parallèle avec la demande de refroidissement du cœur du bâtiment, il y a une demande de chauffage des locaux périphériques, la solution thermodynamique est alléchante !
Mais la difficulté, c’est qu’en été tous les locaux sont demandeurs de froid. L’échangeur du local en façade doit alors passer du mode « condenseur » à un fonctionnement en « évaporateur ».
On a bien essayé la solution de placer des pompes à chaleur réversibles sur une boucle d’eau commune à tous les locaux, mais sans trouver la souplesse de la solution actuelle de la climatisation à « fluide réfrigérant variable » qui supprime tout vecteur intermédiaire.

Ici, dans le cas idéal où il y aurait égalité entre la demande de froid et la demande de chaud, toute la chaleur évacuée dans les locaux à refroidir est transférée vers les locaux à chauffer :

Installation en équilibre.

2.  Séparation des fonctions

À l’usage, la séparation des fonctions « apport d’air neuf » et « apport de chaud ou de froid » présente des avantages de facilité de régulation et de qualité hygiénique.

3.  Pas de fluide intermédiaire

C’est le fluide frigorifique qui circule entre les échangeurs et le compresseur. En quelque sorte, c’est l’ensemble du bâtiment qui travaille « en détente directe et en condensation directe ».

4.  Une régulation très fine en fonction de la demande

Rien n’est plus souple que du fluide frigorigène pour s’adapter aux besoins. Chaque échangeur est autonome dans la régulation de son local.
De plus, la régulation en place est étudiée pour limiter au maximum toute consommation d’énergie excessive.
Par exemple : une boucle d’eau glacée au régime 7°-12° va condenser inutilement la vapeur d’eau présente dans le local. Avec un système « fluide réfrigérant variable », l’humidité du local est mesurée en permanence et la température de l’évaporateur sera réglée « au plus haut » en fonction des besoins de froid du local, évitant ainsi toute condensation inutile.

5. Inconvénients

  • L’apport d’air neuf hygiénique n’est pas résolu. De plus, il n’existe pas de production d’eau chaude par une chaudière pour alimenter les batteries de chauffe d’un éventuel groupe central de traitement de l’air hygiénique. L’apport d’air neuf va demander une installation spécifique dont on devra soigneusement étudier la régulation pour que de l’énergie ne soit pas « cassée » : il ne faudrait pas simultanément préchauffer l’air neuf à 20°C et refroidir le local !
  • La technique est encore relativement neuve dans nos régions (malgré une large expérience au Japon)…
  • Il faut franchir le problème lié à la circulation du fluide frigorigène dans les locaux, malgré l’étanchéité des installations actuelles et la non-toxicité des fluides utilisés. Comment retrouver une fuite si les conduits circulent dans tous les faux plafonds ? L’évolution va dans le sens d’un confinement des équipements utilisant le fluide frigorigène et d’un transport du froid par de l’eau ou de l’air dans le bâtiment. Il semble que la technique du DRV soit d’ailleurs interdite au Luxembourg, pour des raisons environnementales.
  • La technologie est assez sophistiquée, bourrée d’électronique, et seul le fabricant peut réellement intervenir sur l’installation… Certains craindront alors le coût des contrats de maintenance, d’autres diront que nos voitures ont suivi la même évolution… sans que cela nous pose trop de problèmes. Des logiciels d’auto-diagnostic permettent la gestion automatique.
  • Si l’ensemble de l’installation travaille en mode « froid », le rendement du compresseur n’atteint pas celui d’une grosse machine frigorifique à vis, par exemple…

A nouveau, un bilan énergétique détaillé et annuel est nécessaire, mais il faut avouer que dans cette technique nouvelle, les bureaux d’études sont relativement dépourvus d’outils fiables d’évaluation… et les fabricants ne nous proposent aucun rapport d’évaluation neutre.
Au minimum, on essayera d’établir un planning des périodes de chauffe et de refroidissement des différents locaux pour visualiser les recouvrements. Si une récupération de la chaleur des locaux intérieurs est prévisible une bonne partie de l’année (salle informatique au centre du bâtiment, par exemple), le DRV se justifie.

Conclusions

Un local « intérieur » est en permanence demandeur de rafraîchissement.
Une simple ventilation ne suffit pas.
La solution traditionnelle par ventilos-convecteurs sur boucle d’eau glacée ne permet pas d’utiliser l’air frais extérieur présent les 3/4 du temps dans nos régions. Si elle est cependant adoptée, on sera attentif à prévoir une possibilité de refroidissement direct de l’eau glacée par free-chilling.
Deux solutions sont possibles :

1° Une installation « tout air » à débit variable (VAV)

  • elle permet d’utiliser l’air neuf extérieur, de jour comme de nuit,
  • elle va limiter le défaut des installations « tout air » : la forte consommation des ventilateurs,

mais,

  • elle demande de préchauffer l’air extérieur en hiver, soit via un recyclage partiel de l’air repris (d’où problème de mélange de l’air des différents locaux), soit via un récupérateur de chaleur sur l’air extrait.

Concevoir

Pour aller plus loin dans la conception d’une installation VAV, cliquez ici !

2° Une installation à « fluide réfrigérant variable » avec récupération de chaleur

  • en hiver, elle permet de récupérer la chaleur extraite des locaux à refroidir pour les donner aux locaux en demande de chaleur,
  • elle garantit la performance énergétique d’une technologie de pointe (compresseur, régulation, …),

mais,

  • la technique sous-entend la présence d’un réseau de fluide dans les locaux.

Concevoir 

Pour aller plus loin dans la conception d’une installation DRV, cliquez ici !

Un bilan énergétique annuel devrait départager ces solutions. Il doit être établi au cas par cas par un bureau d’études mais celui-ci va manquer de données fiables sur la performance moyenne annuelle des équipements.

21-08-2008 : comparaison du contenu ok ! [sylvie]