Sommaire
Préalable
L’année climatique type caractérise le climat qu’il fait dans une région bien particulière (par exemple à Uccle). Les températures et les humidités moyennes sont collectées heure par heure et ce pendant plusieurs années. Chaque point heure donne la température et l’humidité moyenne.
Sur base des points heures climatiques, il est intéressant de déterminer comment réagissent théoriquement les équipements composant un système de climatisation tout air neuf.
Pour maintenir le confort de l’occupant, il est nécessaire de contrôler la température et l’humidité ambiantes. De l’existence d’une tolérance ou d’une “fourchette” sur ces paramètres dépendra l’économie d’énergie.
Dans les hôpitaux, la tolérance est faible de part l’exigence accrue de confort des patients et du personnel. Néanmoins, la tolérance aux variations de l’humidité est plus importante qu’à celles de la température. Pour cette raison, on étudie ici la consommation théorique des équipements de climatisation en fonction du contrôle de l’humidité sachant que dans de nombreux espaces de l’hôpital les débits d’air sont importants et conditionnent la facture énergétique plus que dans tous autres bâtiments.
Apports internes
1. Chaleur sensible
Les apports internes
Ils sont de deux ordres :
- liés à l’activité humaine (chaleur du corps des occupants),
- et à la chaleur dégagées par les équipements médicaux et de bureautique.
Les apports externes
Ils dépendent de la qualité (isolation) et la mise en œuvre des matériaux constituant l’enveloppe de la zone considérée en période chaude.
Les déperditions
Elles dépendent de la qualité (isolation) et la mise en œuvre des matériaux constituant l’enveloppe de la zone considérée en période froide.
Bilan
Il est nécessaire de tenir compte de ces apports et déperditions afin de règler la température de soufflage qui est fonction :
- du taux de renouvellement exprimé en [volume/h],
- le volume de la salle en [m³],
- de la capacité thermique volumique de l’air ρc = 0,34 [Wh/m³K],
- de la température ambiante désirée pendant l’opération,
- du bilan des apports et des pertes.
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La température de soufflage est exprimée par : T°soufflage = T°ambiante– Bilan / (qv x c x volume x taux de renouvellement) [°C] |
| Exemple.
Soit :
On détermine la température de soufflage : T°soufflage = 20 – 3 000 / (0.34 x 30 x 150) soit T°soufflage = 18° C |
2. Chaleur latente
En considérant que dans les hôpitaux les occupants sont très nombreux, il est intéressant d’évaluer l’apport d’eau dans l’air par transpiration et par conséquent de déterminer la valeur de la chaleur latente de vaporisation.
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Apport d’eau = apport par personne x nombre de personne / qv x ρ [kWh/an]
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| Exemple.
Soit :
pour un débit de 4 500 m³/h, l’apport dans la salle est de l’ordre de : Apport d’eau = 80 [geau / h] x 10 / (4 500 [m³/h] x 1.2 [kg/m³air]) = 0,15 geau / kgair ou, La chaleur de vaporisation/condensation étant de 2 500 kJ/kg environ, la correspondance est donnée par : 800 [g/h] x 2 500 [J/g] / 3 600 [s/h] = 555 [Watts] |
À titre de comparaison, en une heure suivant le graphique ci-dessous, la batterie froide déshumidifie l’air extérieur de 9 [geau /kgair]
Soit 9 [geau /kgair] x 1.2 [kg/m³] x 4 500 [m³/h] x 2 500 [J/g] / 3 600 [s/h]
= 33 750 [Watts]
En conclusion, on peut constater qu’il sera nécessaire de légèrement déshumidifier plus pour tenir compte des apports d’eau interne. Mais quand on compare les puissances en présence, il ne sera pas nécessaire de surdimensionner la batterie froide pour englober les apports d’eau dans la déshumidification de l’air extérieur surtout à des débits aussi importants.
Influence du contrôle de l’humidité
Le traitement de l’air est variable au cours de l’année suivant les conditions climatiques extérieurs et intérieures. La maîtrise de l’humidité ambiance est déterminante des consommations des équipements.
On analyse quelques cas de figure théoriques :
Les graphes des cas traités ci-dessous représentent 5 zones distinctes divisant la représentation de l’ensemble des binômes température-humidité extérieurs heure par heure au cours d’une année climatique type (sans canicule et froid sibérien). Pour amener l’air extérieur à une température de soufflage fixe, pour les différents points il est nécessaire de :
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Préchauffer et d’humidifier. |
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Préchauffer. |
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Refroidir, déshumidifier et post-chauffer. |
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Refroidir et déshumidifier sans post-chauffer. |
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Refroidir et humidifier. |
On impose la température et l’humidité de soufflage à 18°C et 7.3 geau / kgair
On constate que ce type de contrôle de traitement de l’air est très “énergivore” ne fusse que par la nécessité d’humidifier et de déshumidifier pratiquement toute l’année. Cette configuration est extrême et demandera de la part des intervenants dans le projet de porter un jugement pertinent quant à la nécessité de fixer ou pas la consigne d’humidité.
On impose la température de soufflage à 18°C et une fourchette sur l’humidité de soufflage entre 6.6 et 9.5 geau / kgair
Énergétiquement parlant, cette solution est intéressante car elle permet de réduire l’humidification, la déshumidification et la post-chauffe. En effet :
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Zone 1 : on diminue l’humidification en ne ramenant l’humidité de l’air extérieure qu’à la valeur de consigne inférieure de l’humidité d’ambiance |
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Zone 2 : ces points-heures de l’air extérieur ne nécessite pas d’humidification |
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Zone 3 : on diminue le refroidissement, la déshumidification et la post-chauffe en ne ramenant l’humidité de l’air qu’à la valeur de consigne supérieure de l’humidité d’ambiance. |
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Zone 4 : ces points-heures de l’air extérieur ne nécessite pas de post-chauffe |
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Zone 5 : on diminue l’humidification en ne ramenant l’humidité de l’air extérieure qu’à la valeur de consigne inférieure de l’humidité d’ambiance |
Préchauffage et humidification de l’air : influence de la consigne d’humidité
1. Introduction
Il s’agit ici d’estimer la consommation de chauffage et d’humidification de l’air de la salle d’opération pendant les heures ouvrables (8h00-18h00) en fonction de la consigne d’humidité ambiante. Le choix des heures ouvrables se justifie par le fait qu’en période d’inoccupation on se soustrait au devoir de contrôler le taux d’humidité ambiant (il est plus lié à l’activité dans la zone à risque).
| Soit un système de climatisation “tout air neuf” de salle d’opération où l’on prend en compte un certain nombre de données et d’hypothèses.
Données
Hypothèses
par conséquent, les déperditions à travers des parois en hiver et les apports externes en été sont négligeables.
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Afin de mettre en évidence l’intérêt de laisser “flotter” l’humidité relative d’ambiance dans une fourchette acceptable, on se propose d’étudier deux cas distincts :
- l’humidité est fixée à HR = 50% pour 20 °C de température ambiante; soit 7.3 geau / kgair;
- l’humidité peut varier dans une plage acceptable comme par exemple entre 6.6 et 9.5 geau / kgair (ce qui correspond pour une température de 20°C d’ambiance à 45-65 % d’humidité relative).
2. Cas où la consigne d’humidité est fixée à 7.3 geau / kgair
La méthode de détermination du bilan énergétique de chauffe est basée sur l’intégration des écarts d’enthalpie de chauffe pendant une année climatique type.
Dans ce cas, la plage des points heures climatiques étudiée est au-dessous de la valeur de 7.3 geau / kgair. La plage au-dessus nécessite de, paradoxalement, déshumidifier l’air afin de pouvoir “ramener” le point heure extérieur à la bonne valeur de l’humidité.
Chaque point du diagramme de l’air humide représentant une heure pendant laquelle les conditions climatiques sont fixes et représentatives de la période de chauffe.
Chauffage de l’air
On calcule l’énergie totale annuelle nécessaire pour chauffer l’air en intégrant tous les écarts d’enthalpie; l’enthalpie de chauffe de chaque point se déduisant de la manière suivante :
| Chauffage de l’air pour une année type. |
Le résultat du calcul donne :
| Remarque.
Une autre façon de calculer l’énergie nécessaire au chauffage de l’air pour une année type est l’utilisation des degrés-heures d’une année climatique type. Le réchauffage de l’air est fonction :
D°Hvent = Σ heures ventilation x (T°ambiante – T°extérieure) Les besoins de chauffage sont alors exprimés par :
Pour déterminer les Degrés-Heures de ventilation, sur base du climat à Uccle, on peut utiliser le programme de calcul suivant :
calcul
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Humidification de l’air
On calcule l’énergie totale annuelle nécessaire pour humidifier l’air en intégrant tous les écarts d’enthalpie; l’enthalpie d’humidification de chaque point se déduisant de la manière suivante :
| Humidification de l’air pour une année type. |
Le résultat du calcul donne :
| Remarque.
Une autre façon de calculer l’énergie nécessaire à l’humidification de l’air pour une année type est l’utilisation des grammes-heures d’une année climatique type. Pour atteindre la valeur d’humidité HR de 50 % à 20 °C, il en résulte une consommation fonction :
GHhum = Σ Heures humidification x (Humambiante – Humextérieure ) La consommation nette est alors exprimée par :
Pour déterminer les Degrés-Heures d’humidification, il est possible de déterminer les Grammes-Heures qui conviennent à votre situation particulière en cliquant ici sur :
On détermine le nombre de grammes-heures d’humidification pour une consigne d’ambiance dans la zone contrôlée de 50 % à 20 °C, soit 5 488 (geau / kgair) . heure/an.
Attention !
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3. Cas où la consigne d’humidité est “flottante” entre 6.6 et 9.5 geau / kgair
Dans ce cas, la plage des points heures climatiques étudiés
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Au-dessous de la valeur de 7.3 geau / kgair , nécessite la préchauffe et l’humidification de chaque point heure; |
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Comprise dans la fourchette 6.6-9.5geau / kgair (45-65 % à 20 °C) , demande uniquement le chauffage de l’air. On voit tout de suite l’intérêt d’élargir la plage de contrôle de l’humidité afin de réduire la nécessité d’humidifier. |
Chauffage de l’air
On calcule l’énergie totale annuelle nécessaire pour chauffer l’air dans les deux zones du graphe ci-dessus.
| Chauffage de l’air pour une année type. |
Le résultat du calcul donne :
Humidification de l’air
On calcule l’énergie totale annuelle nécessaire pour humidifier l’air dans la zone 1 du graphe ci-dessus.
Le résultat du calcul donne :
4. Comparaison
Le bilan énergétique de chauffe et d’humidification dans une année type donne :
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Besoin
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Consigne d’humidité
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fixe |
flottante (45-65 %) selon la NF S90-351 |
flottante (40-70 %) selon le RGPT
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| Besoin énergétique de chauffe et d’humidification (kWh/an) | |||
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Chauffage [kWh/an] |
27 551 |
25 599 |
22 841 |
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Humidification [kWh/an] |
15 106 |
10 642 |
6 958 |
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Chauffage [kWh/an] |
0 |
3 930 |
6 708 |
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Total [kWh/an]
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42 657
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40 171
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36 507
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Soit une économie sur l’année
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6 %
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14 %
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Il est évident que plus la plage flottante entre deux valeurs d’humidité est large, plus l’économie sera grande. Dans les zones non contrôlées telles que les zones de bureau, de consultation, … on essayera d’ouvrir la fourchette au maximum sachant qu’il faut respecter les règlementations en vigueur en Belgique.
Mais tout le débat se situe surtout au niveau de l’hygiène des zones contrôlées. La qualité de l’air augmente lorsque l’humidité ambiante diminue; ce qui signifie que l’on a intérêt à baisser le taux d’humidité le plus bas possible. Énergétiquement parlant, pour l’année type, fixer à 40 % le taux d’humidité ambiant, signifie que l’on va diminuer la consommation en réchauffe et humidification mais par contre on augmentera le poste énergétique de déshumidification.
Refroidissement et déshumidification de l’air : influence de la consigne d’humidité
1. Introduction
Il s’agit ici d’estimer la consommation de refroidissement et de déshumidification de l’air de la même salle d’opération. La configuration de la salle, les données et les hypothèses dans ce cas-ci sont les mêmes que celles prises pour la réchauffe et l’humidification de l’air.
Afin de mettre en évidence l’intérêt de laisser “flotter” l’humidité relative d’ambiance dans une fourchette acceptable, on se propose d’étudier les deux mêmes cas distincts, à savoir :
- L’humidité est fixée à HR = 50 % pour 20 °C de température ambiante; soit 7.3 geau / kgair.
- L’humidité peut varier dans une plage acceptable comme par exemple entre 6.6 et 9.5 geau / kgair (ce qui correspond pour une température de 20°C d’ambiance à 45-65 % d’humidité relative).
2. Cas où la consigne d’humidité est fixée à 7.3 geau / kgair
La méthode de détermination du bilan énergétique de chauffe est basée sur l’intégration des écarts d’enthalpie de chauffe pendant une année climatique type.
Chaque point du diagramme de l’air humide ci-dessous représente une heure pendant laquelle les conditions climatiques sont fixes et représentatives de la période de chauffe.
Dans ce cas, la plage des points heures climatiques étudiés est au-dessus de la valeur de 7.3 geau / kgair ou au-dessus de la consigne de température de pulsion de 18°C.
Dans la plage :
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Au-dessus de la consigne d’humidité ambiante et de la droite de refroidissement, la zone 3 nécessite du refroidissement, de la déshumidification, suivi, malheureusement, d’une post-chauffe; |
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Entre la droite de refroidissement et la consigne d’humidité de 7.3 geau / kgair , la petite zone 4 ne nécessite que du refroidissement et de la déshumidification; |
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Au-dessous de la consigne d’humidité la zone 5 nécessite , paradoxalement, de refroidir et d’humidifier l’air afin de pouvoir “ramener” le point heure extérieur à la bonne valeur de l’humidité et de température. |
**ajouter la droite de refroidissement
Refroidissement et déshumidification de l’air
On calcule l’énergie totale annuelle nécessaire pour refroidir et déshumidifier l’air en intégrant tous les écarts d’enthalpie; l’enthalpie de chauffe de chaque point se déduisant de la manière suivante :
| Refroidissement et déshumidification de l’air pour une année type. |
Le résultat du calcul donne :
Soit sans la post-chauffe :
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Besoins de refroidissement et de déshumidification = 13 959 kWh/an |
| Remarques.
Une autre façon de calculer l’énergie nécessaire au refroidissement de l’air pour une année type est l’utilisation des degrés-heures de refroidissement d’une année climatique type. Le refroidissement de l’air est fonction :
D°Hrefroid = Σ heures ventilation x (T°extérieure – T°ambiante). Les besoins de refroidissement sont alors exprimés par :
Pour déterminer les Degrés-Heures de refroidissement, sur base du climat à Uccle, on peut utiliser le programme de calcul suivant :
On détermine le nombre de Degrés-Heures de refroidissement à Uccle, soit 2013 D°H.
Pour atteindre la valeur d’humidité HR de 50 % (comme dans la norme NF S90-351), il en résulte une consommation en fonction :
GHhum = Σ Heures humidification x (Humambiante – Humextérieure ) La consommation nette est alors exprimée par :
Pour déterminer les Degrés-Heures de déshumidification, il est possible de déterminer les Grammes-Heures qui conviennent à votre situation particulière en cliquant ici sur :
On détermine le nombre de grammes-heures d’humidification pour une consigne d’ambiance dans la zone contrôlée de 50 %, soit 1 098 (geau / kgair) . heure/an. La consommation nette d’humidification d’air neuf : = qv x r x GHhum x masse volumique x f / 1 000 = 4 500 x 0,694 x 1 098 x (5/7) / 1 000 = 2 450 [kWh/an]. Le total net de refroidissement et de déshumidification = 2 200 + 2 450 = 4 650 [kWh/an]. |
La nette différence dans le calcul des énergies mises en jeu pour refroidir et déshumidifier l’air extérieur en période chaude pour l’amener à une température de soufflage de 18 °C et 7.3 geau / kgair :
- par l’intégration des enthalpies dans le diagramme de l’air humide; soit 13 959 [kWh/an],
- ou par l’approche sur base des degrés-heures et des grammes-heures; soit 4 650 [kWh/an],
est due au fait que dans le premier cas on dépense beaucoup d’énergie à ramener chaque point-heure de l’année climatique à des valeurs de température et d’humidité proches de celles rencontrées au niveau des ailettes de la batterie de refroidissement (on “tire” le point de E vers X engendrant un écart d’enthalpie plus grand que si on déshumidifie et refroidit de E vers S).
Post-chauffe de l’air
Comme vu ci-dessus, le refroidissement et la déshumidification de l’air entraînent le “tirage” du point heure climatique extérieur vers les basses températures (température de la batterie froide) et, par conséquent, vers la saturation. La température de l’air est à ce moment trop froide pour la souffler dans l’ambiance. La post-chauffe s’impose et dès lors le bilan énergétique devient mauvais.
On calcule l’énergie totale annuelle nécessaire pour post-chauffer l’air en intégrant tous les écarts d’enthalpie; l’enthalpie de post-chauffe de chaque point se déduisant de la manière suivante :
Le résultat du calcul donne :
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Besoins de post-chauffe de l’air neuf = 8 463 kWh/an |
Refroidissement et humidification
Le cas très particulier de la zone 5 où, théoriquement, il est nécessaire de refroidir et d’humidifier l’air extérieur, reste marginal; et c’est tant mieux ! En effet :
- Sur le plan énergétique, c’est mauvais; on maintient la rampe d’humidification en fonction alors, qu’en général, en été elle est coupée.
- Sur le plan hygiénique, c’est aussi mauvais vu que le développement des germes s’amplifie lorsque le taux d’humidité augmente.
Dans la pratique, on n’est pas du tout sûr que la régulation de la rampe d’humidification puisse réagir par rapport à ce genre de conditions.
3. Cas où la consigne d’humidité est “flottante” entre 6.6 et 9.5 geau / kgair
Dans la plage :
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Au-dessus de la consigne d’humidité ambiante et de la droite de refroidissement, la zone 3 nécessite du refroidissement, de la déshumidification, suivi d’une post-chauffe. |
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Entre la droite de refroidissement et la consigne d’humidité de 7.3 geau / kgair, la zone 4 ne nécessite que du refroidissement et de la déshumidification (cette zone s’est agrandie). |
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La zone 5 nécessite, paradoxalement, de refroidir et d’humidifier l’air afin de pouvoir “ramener” le point heure extérieur à la bonne valeur de l’humidité et de température cette zone se réduit). |
Refroidissement et déshumidification de l’air
| Refroidissement et déshumidification de l’air pour une année type. Toutes choses restant égales, on introduit les valeurs de l’humidité relative HR de consigne; soit HR compris entre 45 et 65 % (selon la NF S90-351). |
Le résultat du calcul donne :
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Besoins de refroidissement et de déshumidification 1 874 + 2107 + 123 = 4 104 [kWh/an] |
Post-chauffe de l’air
Le résultat du calcul donne :
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Besoins de post-chauffe de l’air neuf = 621 kWh/an |
4. Cas où la consigne d’humidité “flotte” entre 5.8 et 10.3 geau / kgair
| Refroidissement et déshumidification de l’air pour une année type. Toutes choses restant égales, on introduit les valeurs de l’humidité relative HR de consigne; soit HR compris entre 40 et 70 % (selon le RGPT). |
Le résultat du calcul donne :
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Besoins de refroidissement et de déshumidification 551 + 2 833 + 16 = 4 104 [kWh/an] |
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Besoins de post-chauffe = 217 [kWh/an] |
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Besoins d’humidification = 13 [kWh/an] |
4. Comparaison
Le bilan énergétique de refroidissement et de déshumidification dans une année type donne :
| Besoin |
Consigne d’humidité
|
||
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fixe |
flottante (45-65 %) selon la NF S90-351 |
flottante (40-70 %) selon le RGPT
|
|
|
Besoin énergétique de refroidissement et de déshumidification (kWh/an) |
|||
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Refroidissement et déshumidification [kWh/an] |
13 959 |
4 106 |
3 400 |
|
Post-chauffe [kWh/an] |
8 463 |
621 |
217 |
|
Humidification [kWh/an] |
334 |
91 |
13 |
|
Total [kWh/an]
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22 756
|
4 818
|
3 630
|
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Soit une économie sur l’année
|
|||
|
79 %
|
84 %
|
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Tout comme pour le bilan de chauffe, et dans une proportion beaucoup plus importante, la présence d’une plage où l’humidité ambiante peut varier permet de réduire énormément les consommations.
Bilan du traitement en “tout air neuf” : influence de la consigne d’humidité
1. Bilan énergétique
Sur l’ensemble des zones décrites ci-dessus, c’est-à-dire pour une saison climatique type en période d’occupation, si on effectue la somme des consommations d’énergie en fonction des différents équipements présents dans une centrale de traitement de l’air en “en tout air neuf”, on obtient :
Le résultat est repris dans le diagramme suivant sachant que les consommations liées aux batteries de préchauffe et de post-chauffe sont groupées (même source de production) :
Le bilan énergétique final par type d’énergie donne :
On peut en déduire que l’élargissement de la fourchette de variation de l’humidité relative entraîne :
| (+)
une diminution de la consommation en énergie :
(-) Une légère augmentation de la consommation en énergie de la batterie de préchauffe quand la limite supérieure de la fourchette humidité augmente. |
1. Bilan économique
Pour établir le bilan économique du traitement de l’air d’une salle d’opération pour une saison climatique type en période d’occupation , il est nécessaire de connaître les coûts de production d’eau glacée, d’eau chaude et de l’humidification (dans ce cas la vapeur à partir d’un générateur électrique).
| Pour évaluer les coûts liés aux différentes productions. |
Batterie froide
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Coût = consommation froid / COP du groupe de froid x coût du kWh électrique
avec un COP de 2.5 et un prix de kWh électrique de 0.16 € |
Batterie chaude
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Coût = consommation chaud / rendement de l’installation de chauffage x coût du kWh thermique avec un rendement de 0.8 et un prix de kWh thermique de 6.22 c€ |
Humidificateur
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Coût = consommation humidification x coût du kWh thermique un prix de kWh électrique de 0.16 € |
Le bilan économique final par type d’équipement donne :
3. Conclusions
En période chaude, on observe, lorsque la plage de variation de l’humidité d’ambiance est restreinte, qu’il y a destruction de l’énergie puisque l’on est obligé de “trop refroidir” et ensuite de post-chauffer. Économiquement parlant on voit que l’on paye deux fois pour pouvoir contrôler le taux d’humidité dans la salle d’opération. Il est donc nécessaire, pour autant qu’il n’y est pas de contrainte stricte de maintient d’une consigne d’humidité fixe, de laisser varier l’humidité d’ambiance dans une fourchette la plus large possible :
- une limite haute de la consigne d’humidité afin de réduire la déshumidification;
- une limite basse de la consigne d’humidité pour réduire l’humidification.
Comme on le voit dans l’analyse des bilans énergétiques et économiques, le système de traitement de l’air en “tout air neuf” est très énergivore même si on contrôle l’humidification et la déshumidification. Il s’aggrave si on fait l’exercice du bilan général pour l’ensemble des périodes qu’elles soient d’occupation ou d’inoccupation.
Auteur : les anciens
Mars 2009 : Thibaud
Notes :