Climatisation Des Immeubles Tertiaires

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    26-Sep-2015

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cours de climatisation

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  • 1La climatisationdes immeubles tertiaires

    Formation Responsable Energie - IBGE

    2

    Vous avez dit : "climatisation ?..."

  • 23

    Les bureaux sont souvent tablis le long de grandes artres de circulation. L'air extrieur y est pollu et le niveau sonore peut y tre fort lev...

    4

    Objectif 1 : dans un premier temps, il y a donc le souhait d'apporter de l'air hyginique aux occupants.

    Il sera capt en toiture, filtr

    et puls dans le local.

  • 35

    Un travailleur occupe en moyenne 10 m.

    Le RGPT exige d'apporter un minimum de 30 m d'air neuf par heure et par personne. Qu'est-ce que cela reprsente ?

    6

    Si le plafond est situ 3 m de hauteur, un travailleur vit dans un espace de 30 m.

    Le RGPT exige d'apporter un minimum de 30 m d'air neuf par heure et par personne. Qu'est-ce que cela reprsente ?

  • 47

    Lui apporter 30 m/h d'air hyginique, c'est donc renouveler l'air du local 1 fois par heure.

    Le RGPT exige d'apporter un minimum de 30 m d'air neuf par heure et par personne. Qu'est-ce que cela reprsente ?

    8

    Objectif 2 : dans un deuxime temps, on souhaite compenser les charges thermiques du local, particulirement leves en t.

  • 59

    Exemple pour le local de 30 m, un jour de canicule :

    soleil fen. : 300 W/m * 2 m = 600 W soleil murs :10 W/m * 10 m = 100 W Ordinateur : = 140 W Eclairage : = 100 W Occupant : = 60 W

    TOTAL : = 1.000 W

    Bilan thermique d't :

    10

    Conclusions du bilan thermique :

    1 puissance max de refroidissement = 1000 W pour 10 m,

    soit 100 W/m

    2 Soleil = 70 % des apports de chaleur !

  • 611

    Ne pourrait-on refroidir le local avec l'air hyginique puls 15C ?

    Hlas, non... Puissance = dbit x c x T = 3 m/h.m x 0,34 Wh/m.K x (25-15) K

    = 10 W/m, soit 10% des besoins maximum de froid...

    Souvent, une vritable climatisation est ncessaire.

    12

    On rencontre beaucoup de systmes de climatisation diffrents.

    Ils peuvent tre regroups en 3 familles :

    1 : la climatisation "tout air"2 : la climatisation "air + eau"3 : la climatisation "directe"

    Passons-les en revue :

  • 713

    Premire famille : la climatisation "Tout Air"

    De l'air est trait dans un gros groupe de prparation d'airet distribu dans tous les locaux.

    14

    Problme 1 :Pour atteindre les 100 W/m, il faut pulser 10 fois plus d'air 15Cque d'air hyginique ! ... attention aux courants d'air froid...

    Premire famille : la climatisation "Tout Air"

  • 815

    Problme 2 :Pour conomiser l'nergie, 90% de l'air sera de l'air recycl et 10% sera de l'air neuf.

    Premire famille : la climatisation "Tout Air"

    16

    Problme 3 :La consommation des ventilateurs est trs leve aussi : 20 % d'nergie de transport... qui sera convertie en chaleur !!!

    Premire famille : la climatisation "Tout Air"

  • 917

    Avantage : la climatisation "tout air" permet le "free cooling" du btiment.

    Avec 1 kWh dans les ventilateurs, on peut crer 3,3 kWh de froidvia l'air frais extrieur "gratuit", surtout la nuit.

    Premire famille : la climatisation "Tout Air"

    18

    Application 1 :on rencontre la climatisation "tout air" Dbit d'Air Constant (DAC) dans les cafeterias, salles de confrence, ... (car de toute faon, beaucoup d'air hyginique y est requis).

    Premire famille : la climatisation "Tout Air"

  • 10

    19

    Application 2 :on rencontre la climatisation "tout air" Dbit d'Air Variable (DAV)dans les locaux borgnes ou enterrs, les salles de runions, ...

    Premire famille : la climatisation "Tout Air"

    20

    Nouvelle ide !

    Sparons les problmes : - un conduit d'air apportera seulement l'air hyginique- le chaud et le froid seront apports par de l'eau, eau chaude (60C) ou eau glace (6C).

    La famille des climatisations "air + eau" tait ne !

  • 11

    21

    Deuxime famille : la climatisation "Air + Eau"9 Exemple 1 : le ventilo-convecteur

    Un ventilateur souffle sur 2 changeurs, aliments en eau chaude ou en eau glace.

    22

    Deuxime famille : la climatisation "Air + Eau"9 Exemple 2 : le plafond froid

    De l'eau 16 refroidit le faux-plafond, un radiateur chauffe en faade.

  • 12

    23

    "frais la tte, chaud aux pieds"

    pas de ventilateur, donc pas de bruit , pas de courant d'air,

    systme "air + eau" donc rgulation de T par local

    pas de condensation dans le local moins de risque bactriologique

    24

    Deuxime famille : la climatisation "Air + Eau"Deuxime famille : la climatisation "Air + Eau"9 Exemple 3 : la poutre froide

    poutre statique

    poutre dynamique

    Des changeurs de froid sont directement intgrs sous ou dans le plafond.

  • 13

    25

    Encore une nouvelle ide !

    Lorsque le besoin de refroidissement est limit quelques locaux, un climatiseur est install : pas de fluide intermdiaire (air,eau), c'est une petite machine frigorifique qui travaille en direct.

    Dans le local, un "vaporateur" fait du froid. A l'extrieur, un "condenseur" libre la chaleur.

    La famille de la climatisation "directe" tait ne !

    26

    Troisime famille : la climatisation "directe"9 Exemple 1 : le climatiseur

    L'"vaporateur" fait du froid.

    Le "condenseur" vacue la chaleur.

  • 14

    27

    Astuce : un climatiseur est rversible et peut travailler en "pompe chaleur". D'o la possibilit de faire souhait du chaud et du froid. C'est la climatisation DRV (Dbit de Rfrigrant Variable).

    Troisime famille : la climatisation "directe"9 Exemple 2 : le rseau DRV

    28

    Action du Responsable Energie ?

    Pour un nouveau projet de btiment Rechercher tous les moyens de limiter la charge thermique

    (soleil, bureautique, clairage,) Si on dcide de climatiser malgr tout, avoir en tte une

    stratgie en matire de climatisation des btiments qui valorisel'air frais extrieur.

    Pour une installation existante Vrifier les postes les plus consommateurs :

    le dbit d'air neuf les consignes de temprature et d'humidit les destructions entre chaud et froid le bon change au condenseur de la machine frigorifique

  • 15

    1re partie : la climatisation d'un nouveau btiment

    30

    Quel budget ?

    Investissementprix moyen d'installation de 150 /m contre 40 /m pour une

    simple installation de chauffage

    Exploitation (Source Kantoor 2000)en kWh/ m x an

    Chauffage (4 c /kWh) Btiments construits avant 1975 : de 100 180 Btiments construits aprs 1975 : de 40 150Electricit (8... 10 c /kWh) Btiments non climatiss : de 30 100 Btiments climatiss : de 100 160

  • 16

    31

    En isolant nos btiments, navons-nous pas dplac le problme de lhiver vers lt ?...

    32

    Comparons un immeuble de bureaux-type de 1960 et un immeuble rcent

    Consommation = Puissance x Temps

    Puissance :

  • 17

    33

    Temps :

    La Text. dpasse 24C durant 150 h/an, soit 2 % du temps

    34

    Augmentation de la demande de refroidissement mais surtout pour une T extrieure comprise entre 15 et 22C !

  • 18

    35

    Btiment

    0

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    kWh/m2,etfr/m

    quipement

    clairage

    ventilos-convecteursdes locaux

    ventilateurs depulsion

    prparation de l'air :nergie latente

    prparation de l'air :nergie sensible

    refroidissement deslocaux

    chauffage deslocaux

    Consommationdu btiment

    Consommation ennergie primaire

    Cot de laconsommation

    Les consommateurs lectriques sont amplifis par le cot du kWh lectrique :

    36

    Ncessit de dvelopper une stratgie globale !

    Cest d abord la composition architecturale (vitrages), cest lquipement intrieur (bureautique, clairage, ), qui crent la demande !

  • 19

    37

    Pas de faades totalement vitres, Attention la coupole horizontale, latrium,

    Apports solaires par ciel serein

    en fonction de lorientation.

    ?

    1 Conception de l'enveloppe ?

    38

    Une enveloppe double peau est une rponse coteuse un problme thermique que larchitecte a lui-mme cr : la bote de verre !

    ?

  • 20

    39

    Oui ce judicieux quilibre de lumire et de chaleur, et la forte inertie intrieure !

    40

  • 21

    41Usage des protections solaires

    42

  • 22

    43

    Ecrans plats

    Contrle de lclairement

    2 Apports internes "light"

    44

    3 La conception de la climatisation doit intgrer le refroidissement par lair extrieur :

    Lessentiel de la demande nergtique de froid se produit pour une T extrieure < 24C...

  • 23

    45

    Refroidissement direct.

    Si lessentiel de la demande nergtique de froid se produit pour une T extrieure < 24C,... le btiment doit pouvoir sauto-refroidir

    Stratgie 1 : par la permabilit variable de lenveloppe = le free-cooling

    Stratgie 2 : par la circulation d'eau froide dans le btiment, eau refroidie "de manire naturelle"

    Stratgie 3 : par lintgration de lair frais extrieur dans le systme de climatisation, conu pour ne donner que le complment frigorifique en priode trs chaude

    Refroidissement indirect.

    46

    Le sick building syndrome se caractrise par des symptmes dinconfort et des ractions physiologiques comme : nez bouch, gorge irrite, maux de tte, fatigue..

    La valorisation de l'air frais extrieur apparat aussi comme une rponse au "sick building syndrome"

  • 24

    47

    Pour exploiter l'air frais extrieur, passons au btiment "dcapotable"...

    ... et rservons la clim aux priodes de canicule !

    48

    Stratgie 1 : Le refroidissement direct par l'air

  • 25

    49

    1 Ventilation unilatrale

    50

    Une faade permable

    lair ?

  • 26

    51

    2 Ventilation transversale

    52

    Ventilation transversale

    ... et appoint mcanique en absence de vent

    Une faade permable lair ?

  • 27

    53

    3 Ventilation par tirage thermique

    54

    4 Ventilation hybride (extraction assiste par ventilateur)

  • 28

    55

    Une faade permable lair ?

    56

    Une faade permable

    lair ?

  • 29

    57

    58

    Exemple: PROBE

    Grille 0.8*1.2 m

    Protection solaire

    Grilles de mai septembre

  • 30

    59

    Exemple : PROBEGrille

    0.4 * 1.2 m

    Protection solaire

    60

    Exemple : PROBE

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    24 J

    uly

    25 J

    uly

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    uly

    27 J

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    28 J

    uly

    5 Au

    g

    6 Au

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    7 Au

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    9 Au

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    10 A

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    ug

    air c

    hang

    e pe

    r hou

    r (h-

    1 )

    cross ventilation single-sided, turn position single-sided, tumble position infiltration

  • 31

    61

    Exemple : IVEG

    62

    Des chemines de ventilation naturelle

  • 32

    63

    Exemple : IVEG

    64

  • 33

    65

    Faux-plafond partiel

    --> Circulation dair au dessus et en dessous du faux plafond

    66Isolation renforce

    Protections solaires efficaces

  • 34

    67

    Exemple : IVEG

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    Sun, 18-06 Mon, 19-06 Tue, 20-06 Wed, 21-06 Thu, 22-06 Fri, 23-06

    T_2A07 T_1A15 T_0A03 OUTSIDE

    68

    A dfaut de faades permables , placer des quipements intgrant l'arrive d'air neuf

    Radiateur +ventilateur 30... 200 m/h

  • 35

    69

    Mais le refroidissement tant surtout nocturne, le btiment devra prsenter une inertie suffisante...

    Stratgie 2 : Le refroidissement indirect par l'air, via une circulation d'eau

    70

    Groupe frigorifique d'appoint durant la canicule

  • 36

    71

    Deux logiques de refroidissement "naturel"

    72

    Exemple :

    les plafonds froids dans les locaux de bureaux

  • 37

    73

    Idalement, les plafonds froids devront travailler haute temprature deau (entre 17C et sortie 19C). D'accord, la puissance de refroidissement sera plus faible

    Mais en mi-saison, les besoins sont plus faibles et la T de lair extrieur est faible, surtout la nuit

    74

    Free-chilling possible, en journe (mi-saison) et la nuit :

    1 pose dun arorefroidisseur en parallle avec la machine frigorifique.

  • 38

    75

    2 -

    by-pass de la machine frigorifique vers la tour de refroidissement,

    Quand faut-il quand mme climatiser ?

    1 - Dterminer la charge frigorifique des locaux

    2 - Si apports (internes + externes) > 50 ...60 W/m, il faut climatiser.

    3 - Ordres de grandeur : Climatisation par plafonds froids = 80 W/mClimatisation par ventilo-conv. = 100-120 W/mSalles informatiques : 200 W/m

    4 - Un outil dvaluation :

    Bilan thermique dun local en t :voir Energie+/climatisation/calculs

  • 39

    77

    78

    Quelles sont les limites du refroidissement naturel ?

    L'IBGE a ralis un logiciel dvaluation de la faisabilit du refroidissement naturel des btiments tertiaires :www.ibgebim.be/soussites/alter_clim

  • 40

    79

    LES ACTIVITS : Accompagnement de lesquisse et de lavant-projet Simulations thermiques et de l'clairage naturel, valuations

    conomiques Audits dans la perspective d'une rnovation du btiment Accompagnement du projet : plans, cahiers des charges, dossiers de

    demandes de permis et dappels doffres Accompagnement lors de lexcution Participation la mise en route du btiment, formation des

    gestionnaires et information des occupants Suivi du btiment pendant l'occupation

    Conseils et tudes en architecture durable

    2 me partie : Amliorer une climatisation existante

  • 41

    81

    Ratio :dbit dair neuf puls / nombre de personnes effectiv. prsentes ?

    ramener 30 m/h/pers. en modifiant le rapport des poulies

    Chauffer 1.000m/h/saison de chauffe demande 1.000 litres de fuel (horaire de bureau : 10h/j 5j/7)

    Amlioration 1 : Rduire le taux dair neuf

    82

    > Moduler le dbit dair neuf en fonction de la prsence effective des occupants.

    Cest rentable si on peut conomiser le traitement de 2.000.000 m (soit 1.000 m/h x 2.000 h).

    Outils : Dtecteur de prsence Sonde CO2 horloge (cafeteria, cuisine) ...

    Gestion d'un systme unizone simple flux

    Amlioration 1 : Rduire le taux dair neuf

  • 42

    83

    > Climatisation par poutres-froides dynamiques ?

    Attention : les puissances frigorifiques des plafonds et poutres froides sont faibles;---> tendance augmenter le dbit d'air neuf ... trs consommateur en hiver !

    Amlioration 1 : Rduire le taux dair neuf

    84

    Amlioration 2 : Adapter les consignes de T et d'humidit

    Humidificateur pulvrisation Humidificateur vapeur

  • 43

    85

    Deux comportements thermiques diffrents :

    86

    Traditionnellement, rgulation des laveurs d'air par "point de rose" :

    Exemple : voici l'volution pour une consigne de point de rose de 14C, une temprature de soufflage de 32C et une consigne ambiante de 22C

  • 44

    87

    Solutions : Dans un premier temps, il importe d'abaisser la temprature de

    rose en hiver et de la relever en t. Cela peut s'imaginer manuellement ou automatiquement par la rgulation.

    Le fonctionnement de lhumidificateur sera asservi une sonde dhumidit ambiante ou situe dans la gaine de reprise commune.

    Imposer un arrt total de l'humidification au-dessus d'un seuil de temprature extrieure : 8C, par exemple.

    ...

    >>> Voir dtails dans Energie+

    1 Amlioration de la rgulation par point de rose !

    Amlioration 2 : Adapter les consignes de T et d'humidit

    88

    2 Limiter l'nergie de dshumidification

    Solution : la batterie froide sera rgule en fonction de la temprature ambiante uniquement (et non pour la dshumidification).

    Rem : sauf dans les cas o une dshumidification s'impose (les locaux climatiss par plafonds froids ou poutres froides, et les salles o le maintien de conditions d'ambiance stricte est ncessaire).

    Amlioration 2 : Adapter les consignes de T et d'humidit

  • 45

    89

    Remarque : attention au rglage de la consigne si mesure dans la reprise !

    90

    Amlioration 3 : Si production de chaud et de froid, prvoir une zone neutre

    Non

    Oui

  • 46

    91

    Amlioration 4 : En mi-saison, abaisser au maximumla temprature de pulsion de lair hyginique

    Si Air puls 20C,

    Si Text 15C,

    Destruction d'nergie entre chaud et froid !

    92

    Amlioration 5 : augmenter la performance de la machine frigorifique

  • 47

    93

    Fonctionnement de la machine frigorifique ?

    94

    Partons du climatiseur

  • 48

    95Evaporateur l'intrieur

    Condenseur l'extrieur

    96

    Dans l'ambiance :

    Pour prendre la chaleur du local, le fluide frigorigne se rchauffe et s'vapore.

  • 49

    97

    A l'extrieur :

    Pour donner la chaleur l'extrieur, le fluide frigorigne se refroidit et condense.

    98

    Pour lever le niveau de temprature :

    Un gaz s'chauffe lorsqu'il est comprim, le gaz passera dans un compresseur.

  • 50

    99

    Pour abaisser le niveau de temprature :

    Un gaz se refroidit lorsqu'il est dtendu, le gaz passera dans un dtendeur.

    100

    Assemblons les lments :

  • 51

    101

    Reprenons le climatiseur :

    102Evaporateur l'intrieur

    Condenseur l'extrieur

  • 52

    103

    L'esthtique en prend parfois un fameux coup !

    104

    Vue imprenable du haut d'un gratte-ciel de New-York :

    les toits sont dominspar les condenseurs / tours de refroidissement, vacuant la

    chaleur excdentaire des btiments.

  • 53

    105

    Application : le rfrigrateur dans la cuisine

    106

    Application : l'armoire de climatisation dans la salle informatique

  • 54

    107

    Application : Le prparateur d'eau glace du btiment

    108

    Extrait dun catalogue de fabricant :

  • 55

    109

    Extrait dun catalogue de fabricant :

    110

    1C en plus l'vaporateur, c'est 3 % de consommation en moins.1C en moins au condenseur, c'est 3 % de consommation en moins.

    Amlioration 5 :

    augmenter la performance de la machine frigorifique

  • 56

    111

    - augmenter la temprature dvaporation

    Application :Choisir le refroidissement haute temprature : plafonds froids, poutres froides ventilo-convecteurs dimensionns

    au rgime 12-16C au lieu de 6-11C

    T vaporateur adapte en fonction de la saison

    112

    Application :Favoriser le travail basse temprature

    du condenseur : larges surfaces de condenseur, tour de refroidissement ferme avec

    pulvrisation d'eau, dtendeur lectronique capable de

    travailler sous faible diffrence de pression entre la HP et la BP.

    - diminuer la temprature de condensation

  • 57

    113

    Contrle qualit de lchange au condenseur :

    Ecart Tcondensation T eau sortie :

    max 6 10 K

    Condenseur air Condenseur eau

    Ecart Tcondensation T air entre :

    max 15 20 KClimatisation

    114

    Eviter la recirculation de lair autour de la tour de refroidissement.

  • 58

    115

    Au dpart : Slectionner des compresseurs dont le COP ( = rendement ) est lev selon le standard Eurovent.

    4,804,45 application eau glace 23C / 18C (refroidissement de sols)

    3,703,40 application eau glace 12C / 7C

    Refroidissement par eau / Monobloc / Rversible

    4,003,50Refroidissement par eau / Monobloc / Refroidissement seul

    3,252,95Condenseur air distance / Refroidissement seul

    2,602,35Refroidissement par air / Monobloc / Rversible

    2,552,30Refroidissement par air / Monobloc / Refroidissement seul

    ConseillExigGroupe de production d'eau glace

    Amlioration 6 : Machine frigorifiqueavec rendement lev !

    116

    Puis maintenir ce COP dans le temps...

    Pas spcialiste ? Demander le maintien du "COP" la socit de maintenance !Au-del d'une puissance frigorifique de 150 kW, le COP devrait pouvoir tre suivi : compteur dlectricit

    sur lalimentation de la machine compteur d'nergie entre lentre

    et la sortie du rseau deau glace.

  • 59

    117

    Rsum ?

    Pour un btiment neuf Rechercher les moyens de limiter la charge thermique avant de

    procder la climatisation si on dcide de climatiser malgr tout, avoir en tte une stratgie

    en matire de climatisation des btiments qui valorise l'air extrieur.

    Pour une installation existante Vrifier les postes les plus consommateurs :

    le dbit d'air neuf les consignes de temprature et d'humidit les destructions entre chaud et froid le bon change au condenseur de la machine frigorifique

    118

    Plus de dtails ? dimensionnement, pertes de charges, niveau d'isolation, ... :

    Cahier des Charges Energie+ (80 pages en HVAC !)

    justification, rentabilit, mise en oeuvre, ... :

    CD-Rom Energie+

    exploitation nergtique des installations :

    "Guide l'exploitation URE" dans le CD-Rom Energie+

    cahier des charges Maintenance et Label nergtique la maintenance

    disponible l'IBGE : mail Michel Dethiermdt@ibgebim.be

  • 60

    119

    Merci de votre motivation ...

    et toujours l'coute de vos suggestions !

    J. Claessens claessens@arch.ucl.ac.be

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