Sommaire
Organiser un balayage nocturne
Le free cooling naturel
Dans un bâtiment existant, le free cooling peut se faire au moyen d’une ventilation naturelle, par de grandes ouvertures en façades, c’est-à-dire a priori, par les fenêtres (on imagine mal de percer des ouvertures dans la façade et les planchers).
Ventilation naturelle individuelle de chaque locaux.
Ventilation naturelle transversale.
Grille de ventilation nocturne intensive. Ces grilles, réalisées sur mesure, se fixent par l’intérieur en été, laissant toute liberté de manipulation de la fenêtre par les occupants.
Il existe évidemment une série de contraintes à la réalisation et à l’efficacité d’une ventilation naturelle nocturne intensive. Citons notamment :
- la collaboration nécessaire des occupants,
- les risques de sous-refroidissement des locaux, le matin,
- l’inertie nécessaire des parois,
- …
Pour garantir l’efficacité du free cooling nocturne malgré ces contraintes, la ventilation naturelle peut être automatisée (ouvertures automatiques, régulées en fonction de la température intérieure et extérieure).
Hors de prix ? Pas vraiment, ainsi la “fenêtre de toiture” avec ouverture automatique est aujourd’hui un produit vendu en grande série (si la T° intérieure dépasse in certain seuil, la fenêtre s’ouvre via une petite vis sans fin motorisée. Si nécessaire, un détecteur de pluie entraîne sa fermeture).
Il est difficile d’estimer, dans un cas particulier, le gain réalisable grâce au free cooling nocturne. Cela dépend de la structure du bâtiment, de mode de ventilation, de la taille des ouvertures, de la température extérieure, …
| Pour fixer un ordre de grandeur, nous avons simulé le comportement d’un immeuble de bureaux type.
Dans ce bâtiment de 3 000 m², la température intérieure maximum est maintenue sous 24°C par un système de climatisation. Une ventilation naturelle nocturne, de 4 renouvellements par heure, est organisée lorsque la température intérieure dépasse 23°C et la température extérieure est inférieure à 18°C. Nous avons constaté une diminution de la consommation due à la climatisation :
Ce cas est évidemment idéal puisqu’il suppose la présence d’un système d’ouvertures automatiques régulé en fonction des températures. Ces estimations doivent être revues à la baisse dans le cas d’une gestion manuelle du free cooling. |
Mentionnons cependant qu’il existe des exemples de bâtiments existants dans lesquels, au moyen de grilles installées dans les châssis existants et manipulées manuellement par les occupants, on est parvenu à des résultats probants en matière de maîtrise des surchauffes d’été.
| Le bâtiment “PROBE” du CSTC à Limette : une ventilation intensive de nuit permet, sans climatisation, d’y limiter la température intérieure de la plupart des bureaux en dessous de limites de confort d’été. |
Intégrer l’air frais dans le système de climatisation
Le free cooling mécanique
Il est possible également de valoriser la présence du système de climatisation, en forçant la ventilation mécanique durant la nuit. Ce n’est pas toujours intéressant du point de vue énergétique : la consommation électrique des ventilateurs pour assurer un débit suffisant durant la nuit pourrait être pratiquement semblable à la consommation de la climatisation pour évacuer la même quantité de chaleur à la relance matinale !
En pratique, la ventilation ne devrait s’enclencher que si l’écart de température entre l’intérieur et l’extérieur dépasse 5 K à 8 K. Tout dépend de la perte de charge du réseau qui est associé au ventilateur et à la performance de celui-ci.
Il faut de bons débits d’air pour assurer un effet de refroidissement notable. Si c’est uniquement l’air de ventilation qui est pulsé, cela n’apportera qu’une puissance de 10 W/m² environ. Ce sont donc les systèmes “tout air” qui sont les plus efficaces à ce niveau. Ce sera le cas pour des salles de réunion, de conférence, etc …
Avec les systèmes de climatisation “tout air”, le free cooling de jour est également possible. En effet, lorsque des besoins en refroidissement se font ressentir pour une température extérieure inférieure à la température intérieure, il y a tout intérêt à valoriser le pouvoir rafraîchissant de l’air extérieur plutôt que faire fonctionner la batterie de refroidissement. La régulation devra alors augmenter l’ouverture des volets d’admission d’air neuf au détriment de l’air recyclé.
Cas particulier : les bâtiments équipés de roof-top
Ce sont des appareils dimensionnés pour vaincre les pires canicules de l’été. Le débit des ventilateurs est donc fort important. Non seulement on lui adaptera utilement un variateur de vitesse pour limiter le débit d’air en hiver, mais en plus on l’exploitera durant la nuit en été pour réaliser le free cooling du bâtiment à faible coût. Avec un peu de tâtonnement au début pour ajuster la courbe, un régulateur en fonction de l’air extérieur devrait faire des merveilles !
| Pour en savoir plus sur les possibilités d’exploitation du pouvoir rafraîchissant de l’air extérieur et sur application pratique du free-cooling. |
Exploiter la ventilation hygiénique en complément de la climatisation
On a vu que le free cooling nocturne ne pouvait remplacer la climatisation que sous certaines conditions, notamment la réalisation de renouvellements d’air importants, ce qui impose l’utilisation de la ventilation naturelle.
Dans un bâtiment climatisé, on peut aussi se demander si, durant la nuit, on ne peut pas profiter du réseau de ventilation hygiénique pour décharger la chaleur accumulée durant la journée et faciliter la relance matinale du système de climatisation.
| Exemple.
Comparons 2 systèmes, dans un bureau individuel maintenu, par la climatisation, à 26°C en journée :
Système 1 durant la nuit, les ventilo-convecteurs sont mis à l’arrêt. La ventilation hygiénique (soit 30 m³/h) est maintenue en fonctionnement pour profiter du pouvoir refroidissant de l’air extérieur.
Si la température de pulsion de l’air est de 16°C (ce qui équivaut à une température extérieure de l’ordre de 14°C si on considère que les pertes du ventilateur et les pertes de charge augmentent la température de l’air neuf de 2°C), la puissance frigorifique fournie par l’air équivaut à : 0,34 [W/(m³/h).K] x 30 [m³/h] x (26 [°C] – 16 [°C]) = 100 [W] La puissance absorbée par les ventilateurs (pulsion et extraction) nécessaire à cette ventilation est de l’ordre de 0,65 W/(m³/h) (ordre de grandeur courant pour un réseau de ventilation hygiénique double flux équivalent à une perte de charge totale de 1 500 PA et un rendement total de ventilateur de 0,65), soit : 0,65 [W/(m³/h)] x 30 [m³/h] = 19,5 [W] Bilan : on appelle donc une puissance électrique de 19,5 W pour produire 100 W de froid. Système 2 durant la nuit, la ventilation est mise à l’arrêt et les ventilo-convecteurs assurent l’abaissement nocturne de la température.
Pour fournir une même puissance frigorifique que dans le premier système, soit 100 W, le système de climatisation consommera (avec une efficacité frigorifique de 3) :
Soit un total de 36,5 W. Bilan : on consomme donc 36,5 W pour produire 100 W de froid. |
Conclusions
Dans l’exemple ci-dessus, réaliser un free cooling de nuit au moyen d’une ventilation mécanique consomme nettement moins d’électricité que l’élimination de la chaleur résiduelle du bâtiment par les ventilo-convecteurs. On ne peut cependant pas en faire une généralité. Ceci dépend évidemment des consommations respectives des différents équipements.
Par exemple, la puissance électrique des ventilateurs (ici : 0,65 W/(m³/h)) dépend de la perte de charge du réseau de distribution d’air, donc de la complexité du réseau de distribution et de la présence d’équipements comme des batteries de chauffage, des humidificateurs ou silencieux.
Dans un simple circuit de ventilation hygiénique particulièrement étudié pour diminuer la consommation électrique (rendement de ventilateur élevé, pertes de charge faibles), cette puissance peut être réduite à 0,25 W/(m³/h), ce qui favorise grandement le free cooling mécanique nocturne par rapport à la climatisation. Par contre dans un réseau complexe (avec batterie de traitement d’air, …), on peut arriver à des puissances de ventilateur de l’ordre de 1 W/(m³/h).
De même, l’efficacité frigorifique de la production de froid est variable en fonction de sa qualité intrinsèque et des conditions de fonctionnement. On repère, par exemple, dans les spécifications techniques d’un fabricant que l’efficacité frigorifique de la machine x varie de 1,8 (pour une température d’eau froide de 5°C et une température d’air au condenseur de 45°C) à 3,7 (pour une température d’eau froide de 10°C et une température d’air au condenseur de 25°C).
Comme le montre le tableau suivant, le choix du mode de fonctionnement peut varier en fonction de la qualité des équipements.
Exemple : comparaison de la puissance absorbée par le free cooling nocturne et la puissance absorbée par une machine frigorifique pour évacuer 100 W (dans les conditions de fonctionnement de l’exemple ci-dessus) en fonction de la qualité énergétique de la ventilation et de la production de froid .
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L’idéal serait donc de pouvoir comparer sur site les consommations des deux systèmes existants.
En outre, pour que le type de free cooling décrit ici soit efficace, il faut que la température extérieure soit suffisamment basse pour permettre un refroidissement réel.
Dans l’exemple ci-dessus, si la différence entre la température intérieure et la température de l’air neuf pulsé diminue en dessous de 10°C, il est nécessaire d’augmenter le débit d’air neuf pour garantir la même puissance frigorifique de 100 W. Ainsi si la température de pulsion est inférieure de 5°C par rapport à la température intérieure (ce qui équivaut à une température extérieure de 26 [°C] – 5 [°C] – 2 [°C] = 19 [°C]), le débit de ventilation devrait être augmenté à 56 m³/h, ce qui entraîne une consommation électrique au minimum identique à celle des ventilo-convecteurs. Si l’écart de température diminue encore, ce qui est possible durant les nuits chaudes d’été, le free cooling mécanique sera plus consommateur que le système de climatisation par ventilo-convecteurs !
Ce qui montre la limite du free cooling nocturne mécanique.
Auteur : les anciens
Eté 2008 : Brieuc.
Notes : 16.02.09
[…] des fenêtres, ce qui n’est pas toujours évident. Dès lors, une fonction sur la VMC est utile : un enclenchement de la ventilation au débit correspondant […]