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Efficacite Energetique Iepf Tome1 Bilans Thermiques

Jun 25, 2015

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ISBN

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Préface

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TABLE DES MATIERES

Tome I : Conception des nouveaux bâtiments 1. Une méthode de calcul simplifiée du bilan thermique

climatisation en climat tropical 1 2. L'évaluation des coûts globaux d'exploitation 37 3. Le choix des systèmes de climatisation : critères généraux 53 4. Le choix d'un climatiseur de local 65 5. Le choix d'une climatisation centralisée 93 6. La conception thermique des bâtiments climatisés : critères de

performance 141

Tome II : exploitation des installations existantes 1. Le diagnostic global d'une installation de climatisation 1 2. L'amélioration d'un climatiseur 23 3. L'amélioration d'une installation de climatisation centralisée 57 4. L'amélioration de la machine frigorifique associée 77 5. Un contrat de maintenance avec clause "énergie" 105 6. Vers une réglementation thermique minimale de l'exploitation des

bâtiments et des systèmes 117

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EFFICACITE ENERGETIQUE DE LA CLIMATISATION DES BATIMENTS EN PAYS TROPICAL

TOME 1 : CONCEPTION DES NOUVEAUX BATIMENTS

Ont participé à la rédaction de cet ouvrage :

Jacques CLAESSENS Chercheur à l'Université Catholique de Louvain, Région Wallonne Yézouma COULIBALY Professeur d'énergétique à l'EIER, Chef du département IEGS

(Infrastructure, Energie et Génie Sanitaire) Thomas DJIAKO Moïse GNAMKE Abraham KANMOGNE Alexis KEMAJOU Ingénieur Conseil SOFRICAM International, Cameroun Mamadou J. KONE Energéticien, Coordonnateur de projet environnement-énergie-

construction, UNDP/UNOPS Arame NDIAYE Mohamed SAKO KOITA Energéticien, Enseignant-Chercheur à l'Institut National Polytechnique,

Côte d'Ivoire Dimitris STAMATOUKOS Responsable technico-commercial dans une entreprise de réfrigération

industrielle en Région Wallonne.

Ministère de la Région Wallonne

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-------------------- LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE

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CHAPITRE 1

UNE METHODE DE CALCUL SIMPLIFIEE DU BILAN THERMIQUE

DE CLIMATISATION EN CLIMAT TROPICAL

INTRODUCTION ................................................................................................................................... 2 1.1 CAHIER DES CHARGES POUR LE CALCUL D’UN BILAN THERMIQUE DE

CLIMATISATION........................................................................................................................ 3 1.2 BASE DE DONNEES CLIMATIQUES ...................................................................................... 4

1.2.1 Mois de base ..........................................................................................................................................4 1.2.2 Conditions extérieures de base..............................................................................................................4 1.2.3 Conditions intérieures de base ..............................................................................................................5

1.3 PROPRIETES THERMOPHYSIQUES DES MATERIAUX LOCAUX DE CONSTRUCTION ........................................................................................................................ 6

1.4 EVALUATION DU BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATION....................................... 8 1.4.1 Méthodes pour déterminer les bilans .....................................................................................................8 1.4.2 Méthode simplifiée de calcul .................................................................................................................9 1.4.3 Coefficient de sécurité .........................................................................................................................23

1.5 EVALUATION DE LA PUISSANCE A SOUSCRIRE ........................................................... 23 1.6 FEUILLE DE CALCUL DU BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATION...................... 25 1.7 EXEMPLE D’APPLICATION .................................................................................................. 26 CONCLUSION ...................................................................................................................................... 32 ANNEXE ................................................................................................................................................ 33 BIBLIOGRAPHIE................................................................................................................................. 35

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LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------

2

INTRODUCTION Les installations de climatisation utilisées dans les pays tropicaux sont dimensionnées à partir des méthodes de calcul de bilans thermiques mises au point pour des climats continentaux (Airwell ou Carrier) [1] [2] c’est à dire, présentant des fortes variations de température en cours d’année (hiver–été) et des taux d’humidité relativement faibles (50 à 60%). En région tropicale humide, les taux d’humidité sont élevés (supérieur à 80%) et la température varie peu dans l’année [3]. On s’aperçoit qu’il est difficile de transposer une méthode de calcul mise au point à partir des conditions climatiques spécifiques d’une région à l’autre, car cela peut entraîner un certain nombre de problèmes sur les plans thermiques des enveloppes architecturales, énergétiques et hygrothermiques dans le bâtiment. Tous ces aspects font que les installations de climatisation conçues pour les climats tropicaux sont surdimensionnées, entraînant ainsi une surconsommation électrique dans le domaine du conditionnement d’air des bâtiments [3]. Ceci justifie ce chapitre dont l’objectif est de mettre à la disposition des bureaux d’étude, des étudiants et des techniciens exerçant dans le métier de frigoriste, des informations relatives au calcul simplifié de bilan thermique de climatisation adaptée aux climats tropicaux humides, de transition et sahélien. Ces informations relèvent des valeurs recueillies sur les différents sites météorologiques qui feront l’objet de ce travail. Cependant, pour les villes dont nous n’avions pas ces données nous avons procédé par calcul en tenant compte des paramètres météorologiques locaux. Aussi, en fonction de ces zones climatiques les villes indiquées dans le tableau 1.1 ont été retenues comme échantillon de cette étude.

Zones climatiques Pays Villes échantillons Cameroun Douala Côte d’Ivoire Abidjan Bénin Cotonou

Climat tropical humide

Togo Lomé Climat tropical de transition (climat littoral)

Sénégal Dakar

Cameroun Garoua Climat tropical sec Côte d’ivoire Korhogo Mali Bamako Niger Niamey Tchad Djamena

Climat tropical sahélien

Burkina Faso Ouagadougou Tableau 1.1 Villes retenues pour l'étude

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1.1 CAHIER DES CHARGES POUR LE CALCUL D’UN BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATION

Avant de commencer le calcul du bilan thermique, le technicien devra connaître tous les facteurs qui pourront affecter son évaluation. Des relevés précis, détaillés, complets sont à la base même du bilan. C’est à partir de la connaissance de ces éléments et si le bilan a été étudié avec soin, que l’on pourra déterminer l’installation la plus économique et la plus assurante, compte tenu des résultats à obtenir. La prise en compte de ces différents paramètres permet d’éviter d’utiliser les coefficients de sécurité lors de l’évaluation des bilans qui sont à l’origine du surdimensionnement des équipements de climatisation. Nous citons ci-dessous les principaux éléments à prendre en considération.

◊ Orientation du local : situation des locaux à conditionner par rapport aux : - Points cardinaux, géographique (latitude, longitude), climatiques, - Immeubles voisins produisant de l’ombre, - Surface réfléchissante : eau, sable, parking, etc.

◊ Plans d’architecture, les détails montrant la structure interne de l’immeuble, les croquis à main levée font partie d’un bon relevé,

◊ Dimensions du local : longueur, largeur, hauteur sous plafond, ◊ Matériaux de construction : nature des matériaux, épaisseur des murs, toits, plafonds, plancher

et cloisons, et leur emplacement, ◊ Couleurs des matériaux : couleurs des murs et du toit, ◊ Conditions extérieures au local : locaux adjacents conditionnés ou non, température des locaux

non conditionnés, plancher sur sol ou sur vide sanitaire, ensoleillement maximum du local, condition extérieure de base,

◊ Conditions à maintenir à l’intérieur du local (température et humidité relative), ◊ Destination des locaux : bureau, hôpital, boutique, magasin, atelier…, ◊ Fenêtres : dimensions et emplacements, encadrement bois ou métal, type de vitrage, type de

store, dimension des auvents et saillies, ◊ Portes : emplacement, type, dimension, fréquence des ouvertures, ◊ Occupants : activités et nombres, durée d’occupation du local, ◊ Eclairage : type, puissance et durée d’allumage, ◊ Appareils ménagers, moteurs : emplacement, puissance nominale ; durée de fonctionnement et

coefficient de simultanéité, ◊ Emplacement de l’équipement et réseau de distribution (tracé des canalisations d’eau et des

gaines d’air).

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LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------

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1.2 BASE DE DONNEES CLIMATIQUES En général, dans les pays chauds on distingue à quelques nuances près deux types de climat : le climat tropical sec et tropical humide. Ces deux types de climat conduisent, en gros, à deux problèmes de climatisation différents, le premier demandant surtout un refroidissement de l’air, le deuxième une déshumidification avec rafraîchissement. 1.2.1 Mois de base [1] [2]

L’évaluation du bilan thermique est basée sur l’estimation des gains externes et internes pendant le mois le plus chaud appelé mois de base. Le tableau 1.2 nous donne les différents mois de base pour quelques villes échantillons. On constatera la faiblesse des données existantes en Afrique tropicale.

Zones climatiques Pays Villes de références Mois de base Cameroun Douala Février Côte d’Ivoire Abidjan Février Bénin Cotonou

Climat tropical humide

Togo Lomé Climat tropical de transition ou littoral Sénégal Dakar

Cameroun Garoua Mars Climat tropical sec

Côte d’ivoire Korhogo Mali Bamako Niger Niamey Tchad Djamena

Climat tropical désertique

Burkina Faso Ouagadougou Avril

Tableau 1.2 Mois de base (mois le plus chaud) 1.2.2 Conditions extérieures de base [1] Le bilan thermique de conditionnement d’air doit être défini dans les conditions dites extérieures de base. Elles correspondent à des températures sèches et humides simultanées qui pourront être dépassées pendant quelques heures par an pour le mois le plus chaud. Le tableau 1.3 nous donne ces conditions de base pour certaines villes.

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Zones climatiques

Pays Villes de références

Température sèche [°C]

Température humide

[°C]

Direction du vent

Vitesse du vent [km/h]

Cameroun Douala 32 29 SW 7,3

Côte d’Ivoire Abidjan 32,5 27,5

Bénin Cotonou Climat tropical humide

Togo Lomé Climat littoral Sénégal Dakar

Cameroun Garoua 39,8 23,7 W 10,36 Climat tropical sec Côte d’ivoire Korhogo 36 22,5

Mali Bamako

Niger Niamey

Tchad Djamena Climat tropical désertique

Burkina Faso Ouagadougou 39 29,5 SO 8,3

Tableau 1.3 Conditions de base extérieures 1.2.3 Conditions intérieures de base Ce sont les conditions normales recommandées pour les applications courantes en vue du confort thermique dans les bâtiments climatisés [4] [5]. Des études expérimentales entreprises en climat tropical humide et sec portant sur des individus légèrement vêtus exerçant une activité sédentaire dans les conditions ambiantes de leurs bureaux climatisés, ont permis de déterminer une gamme de température propre au bien être des habitants de ces pays. Le tableau 1.4 présente ces conditions intérieures de confort [3] [6].

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LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------

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Zones

climatiques Pays Villes de

références Température

sèche [°C]

Humidité relative

[%] Cameroun Douala 26 51,3 Côte d’Ivoire Abidjan 24,5 65 Nigeria Lagos 26 50

Climat tropical humide

Togo Lomé Climat littoral Sénégal Dakar

Cameroun Garoua 28,5 51,9 Climat tropical sec Côte d’ivoire Korghoro 26,5 50

Mali Bamako Niger Niamey Tchad Djamena

Climat tropical désertique

Burkina Faso Ouagadougou Tableau 1.4 Conditions intérieures de confort optimal recommandé

A la suite de cette étude, il a été défini des conditions ambiantes acceptables à l'expérience par au moins 80% des occupants selon la norme ASHRAE 55-81 [5]. Ces résultats expérimentaux nous permettent également de proposer une large plage de température à imposer dans les salles climatisées en fonction des besoins d’économie sur la climatisation. Le tableau 1.5 donne la zone de confort thermique pour le Cameroun et la Côte d’Ivoire [3] [6].

Douala 23,9 < To < 28,3

Hr = 60% à 28,3 °C Hr = 70% à 23,9 °C

Abidjan 24,2 < To < 28 Hr = 71% à 28°C Hr = 58% à 24,2 °C

Tableau 1.5 Zone de confort thermique 1.3 PROPRIETES THERMOPHYSIQUES DES MATERIAUX LOCAUX DE

CONSTRUCTION Le tableau 1.6 présente les propriétés thermophysiques des matériaux locaux utilisés dans la construction des bâtiments dans les pays échantillons en climat tropical [7].

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Matériaux Conductivités

thermiques [W/m.k] Masses volumiques

[kg/m3] Chaleur massique

[kJ/kg.k] Cendre sèche 0,29 900 0,75 Charbon de bois 0,041 - 0,065 185 - 215 Coton 0,06 80 1,42 Cuir 0,174 1000 Ecorce d’arbre 0,066 342 Laine de bois (panneau) 0,09 400 Laine de mouton 0,038 - 0,049 135 - 136 1,26 Laine de roche 0,052 - 0,074 120 - 220 0,8 - 0,84 Paille comprimée 0,12 140 Papier 0,14 Plume 0,037 80 Roseau 0,05 75 Sciure de bois 0,06 - 0,07 213 2,51 Soie naturelle 0,052 100 Amiante de ciment 0,4 1800 0,96 Béton de pouzzolane naturel 0,25 - 0,6 1200 - 1700 Géobéton 0,7 - 0,8 1800 - 2310 Béton armé 1,5 - 2,04 2300 - 2400 1,09 Bitume 0,16 2050 Contre plaqué 0,14 600 2,72 Enduit à la chaux ou au plâtre lissé 0,87 1600 0,94 Enduit au ciment 0,87 2200 1,05 Copeaux de bois 0,081 140 2,51 Béton 0,9 - 1,7 2200 - 2400 0,850 - 0,950 Pierre calcaire 1,05 - 2,2 1650 - 2580 0,920 Terre cuite 1,15 1800 - 2000 0,900 Mur brique pleine 0,85 1850 Mur brique creuse 0,4 1200 0,880 Parpaing plein 1,1 2100 Parpaing creux 0,67 1250 0,880 Enduit mortier 1,15 1800 - 2100 0,880 Enduit plâtre 0,45 1450 0,880 Bois naturel 0,12 - 0,044 300 - 750 0,900 Polystyrène expansé 0,036 - 0,044 9 - 35 1,200 - 1,880 Laine de verre 0,04 100 - 300 1,210 Carrelage 1,15 1800 0,700 Gravillons 1,5 1200 0,980 Pierre lourde 3,5 2800 0,920 Feuille de bitume 0,23 1000 0,800 Terre pressée 1,15 1800 0,900 Tôle 70 7800 0,800

Tableau 1.6 Propriétés thermophysiques des matériaux locaux de construction

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LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------

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Pour déterminer le coefficient global de transmission de chaleur à travers les parois (k), on pourra utiliser la formule:

∑ ++=

ie he

h

k11

1

λ

dans laquelle he et hi sont les coefficients globaux de convection sur les mur et λ le coefficient de conductivité thermique de la parois considérée (tableau 1.6). Les valeurs de he et hi [W/m² °C] sont données dans le tableau suivant :

Parois en contact avec l’extérieur Parois en contact avec un autre local, un comble ou un vide sanitaire

Parois vitrées

murs plafonds planchers murs plafonds planchers he 16,7 20 20 9 20 5,9 16,7 hi 9 11.1 5,9 9 20 5,9 9

Tableau 1.7 Coefficient d’échanges thermiques superficiels 1.4 EVALUATION DU BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATION Le calcul du bilan thermique de climatisation ou de conditionnement d’air permet de déterminer la puissance de l’installation qui pourra répondre aux critères demandés. Ce calcul s’effectuera à partir des gains réels, c’est à dire au moment où les apports calorifiques atteignent leur maximum dans le local [1] [2]. On distinguera :

◊ Les gains internes : ce sont les dégagements de chaleur sensibles ou latents ayant leurs sources à l’intérieur du local (occupants, éclairage et autres équipements),

◊ Les gains externes : ce sont les apports de chaleur sensible dus à l’ensoleillement et à la conduction à travers les parois extérieures et les toits.

Pour pouvoir estimer ces gains avec une précision suffisante, il est indispensable de connaître tous les éléments qui auront une influence sur le bilan tel qu’exprimé dans le cahier de charge. 1.4.1 Méthodes pour déterminer les bilans Le calcul précis d’un bilan thermique de climatisation est long et compliqué, car les charges extérieures telles que l’insolation et la transmission varient tout au long d’une journée ; pour cela, nous devrions effectuer les calculs heure par heure pour rechercher le maximum d’apports cumulés [8] [9]. La prise en compte de l’inertie du bâtiment atténue la valeur du maximum, mais introduit une difficulté

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supplémentaire [8]. Dans le cas d’un bâtiment non isolé, pour un même type de mur, l’inertie augmente avec l’épaisseur, alors que le coefficient global d’échange (k) diminue en réduisant la consommation énergétique du bâtiment. Dans le cas d’un bâtiment isolé, l’inertie est faible, le k aussi ; mais l’épaisseur n’influence pas. Lorsque l’installation à climatiser a une taille importante et que cela nécessite de garantir des conditions de fonctionnement précises, le calcul du bilan doit être confié à un bureau d’étude spécialisé qui effectuera les calculs soit sous forme manuelle, soit à l’aide d’un programme de calculs informatisés tenant compte bien sûr des conditions climatiques de base locales. Dans le cas de locaux d’importance réduite, et pour des applications de climatisation de confort, on peut faire appel à des méthodes simplifiées qui permettent de présélectionner et donc de chiffrer une installation de climatisation. 1.4.2 Méthode simplifiée de calcul [2] [3] [8] [10] [11] [12] 1.4.2.1 Bases de calcul Le point de départ est le choix des conditions atmosphériques (température et humidité de l’air définies au tableau 1.3) où l’équipement de climatisation sera installé. Dans le cadre des économies d’énergie en climatisation, il convient d’effectuer ce calcul pour le mois, le jour de l’année et aux heures pour lesquelles ces charges représentent les moyennes maximales [3]. 1.4.2.2 Heure de charges de réfrigération maximales dans les locaux C’est l’heure pour laquelle tous les calculs du bilan thermique seront effectués. Pour déterminer cette heure de charges de réfrigération maximales [1] [2] [8], nous devons suivre les étapes énumérées ci-après : Etape 1 : Orienter les locaux pour déterminer la pointe de réfrigération

Nous présentons sur la figure 1.1, les 31 types d’orientations possibles des locaux à climatiser. Cette figure est à utiliser avec le tableau 1.8 qui précise pour un local donné, le nombre de murs exposés et leurs différentes orientations.

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Figure 1.1 Types d’orientations des locaux à climatiser

Etape 2 : Déterminer l’heure de charges de réfrigération maximales dans les locaux Le bilan thermique sera effectué à l’heure où les charges de réfrigération seront maximales. Cette heure sera déterminée à partir du tableau 1.8 en combinaison avec le tableau 1.14 qui indiquera l’heure d’apport solaire maximale en fonction de l’exposition des parois du local étudié [2]. Cette heure de réfrigération devra coïncider avec l’heure des apports solaires maximaux et les charges internes maximales (maximum de personnes ou fonctionnement des équipements).

Si les heures d’apports maximaux des charges externes (rayonnement solaire) et internes ne coïncident pas, nous devrons choisir l’heure de charges de réfrigération maximale suivant l’exploitation des locaux.

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Orientation des locaux

Nombre de murs exposés

Murs exposés

Heures de réfrigération maximum

1 2 3 4 5 6 7 8

1

N NE E

SE S

SO O

NO

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

2

NE - N - E NE - SE

SE - S et E SE - SO

SO - S et O SO - NO

O - N NO - NE

N - S NE - SO

E - O NO - SE

A déterminer en combinaison avec le

tableau 1.14 (rayonnement solaire sur les murs et vitrages) et l’heure où les charges

internes sont maximales dans le local à climatiser

21 22 23 24 25 26 27 28

3

N - E - S NE - SE - SE

E - S - O SE -SO - NO

S - O - N SO - NO - NE

O - N - E SO - NO - SE

29 30 4 N - E - S - O

NE - SE - SO - NO 31 Néant

Tableau 1.8 Orientations des locaux pour déterminer l’heure de réfrigération maximale 1.4.2.3 Calcul des apports calorifiques Nous présentons ci-dessous une méthode simplifiée de calcul permettant de déterminer les apports calorifiques dans un local.

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1.4.2.3.1 Charges externes ♦ Apport de chaleur par transmission à travers les parois extérieures (murs, toit, plafond et

plancher) et les vitrages

QStr = k . S . ∆θ (1)

• k = coefficient de transmission thermique de la paroi ou du vitrage considéré en W/m²°C (tableau 1.9) • S = surface de la paroi ou de la fenêtre considérée (surface totale de la baie correspondant à la réservation dans le mur) (m²) • ∆θ = différence de température entre les deux faces de la paroi considérée [°C] (tableau 1.10)

♦ Apport de chaleur par rayonnement solaire à travers les parois [2] [11]

La quantité de chaleur traversant le mur [Qm] :

QSRm = α . F . S . Rm (2)

• α = coefficient d’absorption de la paroi recevant le rayonnement • S = surface de la parois en m² • F = facteur de rayonnement solaire • Rm = rayonnement solaire absorbé sur la surface du mur en W/m²

Le coefficient d’absorption «α» dépend de la couleur et de la nature du mur (tableau 1.11) Le facteur de rayonnement «F» indique la part de chaleur absorbée par la surface et transmise à travers le mur du local (tableau 1.12). La valeur du rayonnement solaire «Rm» sur un mur (tableau 1.14 colonne m) dépend :

◊ De la latitude sous laquelle le local se trouve, ◊ De l’orientation du mur, ◊ De l’heure pour laquelle le calcul sera effectué.

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♦ Apport de chaleur par rayonnement solaire sur les vitrages [2] [10] [11]

La quantité de chaleur traversant le vitrage (Qv) :

QSRv = α . g . S . Rv [W] (3)

• α = coefficient d’absorption du vitrage (tableau 1.11) [2] • g = facteur de réduction (tableau 1.13) est fonction du mode de protection de la

fenêtre contre le rayonnement solaire • S = surface vitrée (m²) • Rv = intensité du rayonnement solaire sur les vitrages W/m² ; elle est définie de la

même manière que Rm et est donnée par le même tableau 1.14 dans la colonne «v».

♦ Apport de chaleur par renouvellement d’air et infiltration

Le renouvellement d’air dans un local climatisé est nécessaire pour des problèmes hygiéniques. Il se fait en règle générale par la ventilation (naturelle ou mécanique) des locaux ainsi que par infiltration, introduisant de l’air extérieur dans le local climatisé. Il est source d’apport de chaleur sensible et latent dans le local à conditionner. Gains sensibles par renouvellement d’air :

QSr = qv . (θe-θ i) . 0,33 (W) (4)

Gains latents par renouvellement d’air :

QLr = qv . (ωe - ωi) . 0,84 (W) (5)

• qv = débit d’air extérieur de renouvellement [m3/h] - si la ventilation est naturelle, on peut considérer que le renouvellement

d’air est égal à un volume de la pièce par heure (1vol/h), - si la ventilation est mécanique, on relèvera les valeurs dans le tableau

1.15 [8] • θe = température extérieure de base (tableau 1.3) • θ i = température intérieure de base (tableau 1.4) • ωe = teneur en eau de l’air extérieur g/kg air sec (définie à partir du tableau 1.3) • ωi = teneur en eau de l’air intérieur g/kg air sec (définie à partir du tableau 1.4)

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Types de parois Types d’enduits Epaisseurs [cm]

10 15 20 Aucun 2,80 2,65 2,43 Enduit extérieur et intérieur au béton 2,37 2,20 2,09 Plâtres ou carreaux 2,55 2,38 2,26 Lattes de bois 1,69 1,64 1,59

Parpaings creux (agglomérés creux)

Panneaux isolants 1,30 1,24 1,18 Aucun 1,75 1,41 1,18 Enduit extérieur et intérieur au béton 1,69 1,36 1,14 Plâtres ou carreaux 1,59 1,30 1,08 Lattes de bois 1,24 1,02 0,84

Béton coulé

Panneaux isolants 1,02 0,90 0,79 11 22 33

Aucun 3,25 2,20 1,62 Enduit extérieur et intérieur au béton 3,10 2,50 1,80

Briquettes de terre

Plâtres ou carreaux 2,90 2,10 1,50 2,5 3,2 3,8 4,4 Châssis simple 3,94 3,36 3,00 2,90

Portes en bois

Châssis double 1,97 1,86 1,94 1,74

Sans solivage 5,80 Tuiles – ardoises – Fibrociment Avec solivage 4,06

Sans solivage 9,28

Toitures Tôle galvanisée ondulée

Avec solivage 4,64

Châssis en bois 5,0 Vitrage simple Châssis métallique 5,8

Châssis en bois Avec lame d’air de 6mm Châssis métallique Châssis en bois Avec lame d’air de 8mm Châssis métallique Châssis en bois

Vitrage double

Avec lame d’air de 10mm Châssis métallique

3,3 4,0 3,1 3,9 3,0 3,8

Tableau 1.9 Coefficients globaux de transmission thermique (K) des parois (murs – planchers toitures – vitrages - terrasses – portes) en W/m2°C

Page 21: Efficacite Energetique Iepf Tome1 Bilans Thermiques

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Types de parois ∆θ [°C]

Murs extérieurs ensoleillés ∆θ = θe - θi

Murs en contact avec les locaux non conditionnés ∆θ = θe - θi - 3°C Plafond sous comble ventilé ∆θ = θe - θi + 3°C Plafond sous comble non ventilé ∆θ = θe - θi + 12°C Plancher sur terre pleine ∆θ = +20°C - θi Mur en contact avec la cuisine ∆θ = θe - θi + 18°C

Tableau 1.10 Différence de température entre les différentes faces des parois

Couleurs et nature de la surface α Surfaces très claires Pierre blanche - surface blanche, claire ou crème

ciment très clair 0,4

Surfaces foncées Fibrociment - bois non peint - pierre brune - brique rouge - ciment foncé - staff rouge, vert ou gris

0,7

Surfaces très foncées Toitures en ardoises foncées - cartons bitumés très sombre

0,9

Vitrage simple 1 Vitrage double 0,9

Verres (fenêtres ou lanterneaux)

Vitrage triple 0,8

Tableau 1.11 Coefficient d’absorption « α » pour murs, toits et fenêtres

K coefficient de transmission thermique de la paroi considérée

[W/m²°C]

F coefficient du rayonnement

solaire

0 0 1 0,05 2 0,1 3 0,15 4 0,20

N.B : Interpoler pour les coefficients intermédiaires

Tableau 1.12 Facteur de rayonnement solaire

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16

Fenêtres protégées Couleurs g Stores extérieurs en toile Ecru 0,28 Stores extérieurs en toile Aluminium 0,22 Stores intérieurs entièrement baissés Aluminium 0,45 Stores intérieurs à moitié baissés Blanc ou crème 0,63 Persiennes entièrement baisées à l’intérieur des fenêtres Aluminium 0,58 Persiennes entièrement baisées à l’extérieur des fenêtres Aluminium 0,22

Tableau 1.13 Facteur de réduction « g » pour fenêtres protégées Heu Hor N S E O N-E N-O S-E S-O

m v m V M v m v m v M v m v m v 7 111 62 53 64 55 71 61 62 53 70 60 62 53 66 57 62 538 263 131 113 146 126 176 152 131 113 173 149 131 113 153 131 131 1139 385 186 160 212 182 249 214 186 160 249 214 186 160 211 182 186 160

10 500 223 191 269 232 298 257 223 191 309 266 223 191 243 209 223 19111 625 258 222 330 284 317 273 258 222 351 302 268 230 258 222 258 22212 686 272 234 359 309 272 234 272 234 333 287 333 287 272 234 272 23413 686 256 220 352 303 256 220 335 288 268 231 380 326 256 220 256 22014 563 216 186 290 249 216 186 335 288 216 186 352 303 216 186 249 21415 395 166 143 207 178 166 143 264 227 166 143 265 228 166 143 206 17716 201 150 129 134 115 150 129 100 86 150 129 103 89 150 129 126 10917 54 31 27 32 27 31 27 33 29 31 27 33 28 31 27 32 28

Tableau 1.14a Intensité du rayonnement solairesur les murs (m) et vitrages (v) [W/m²]. Latitude 4° Nord (février)

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-------------------- LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE

17

Heu

Hor N S E O N-E N-O S-E S-O

m V M V m v m v m v M v m V m v 7 604 129 103 164 131 585 468 127 102 476 380 127 102 426 341 127 1028 410 158 126 177 141 312 249 158 126 280 224 158 126 253 203 158 1269 639 225 180 267 213 450 360 225 180 414 331 225 180 355 284 225 180

10 800 254 203 322 258 482 385 254 203 463 371 254 203 367 293 254 20311 870 284 227 362 290 408 326 284 227 427 341 284 227 317 253 284 22712 836 283 226 357 285 283 226 283 226 335 268 335 268 283 226 283 22613 749 250 200 315 252 250 200 354 283 250 200 370 296 250 200 277 22214 610 205 164 253 203 205 164 367 294 205 164 354 283 205 164 285 22815 437 154 123 182 146 154 123 308 247 154 123 283 226 154 123 243 19416 237 95 76 105 84 95 76 178 142 95 76 160 128 95 76 146 11717 66 34 27 35 28 34 27 45 36 34 27 42 34 34 27 41 33

Tableau 1.14b Intensité du rayonnement solaire sur les murs (m) et vitrages (v) [W/m²]. Latitude 8 °N (mars)

Heu Hor N S E O N-E N-O S-E S-O

m v m v m v m v m v M v m v m v 7 252 121 97 113 90 187 149 113 90 159 127 113 90 171 137 113 90 8 469 201 161 187 150 350 280 187 150 293 234 187 150 312 249 187 1509 668 255 204 244 195 466 373 241 193 392 314 241 193 408 326 241 193

10 806 283 226 280 224 483 386 271 217 419 335 271 217 422 338 271 21711 862 297 237 302 242 406 325 288 231 376 300 288 231 368 294 288 23112 841 298 238 306 245 291 233 291 233 301 241 301 241 296 237 296 23713 730 280 224 284 227 274 219 359 287 274 219 337 269 274 219 331 26514 653 243 195 242 193 235 188 391 313 235 188 344 275 235 188 347 27715 444 179 144 173 138 171 137 305 244 171 137 261 209 171 137 271 21616 248 111 89 104 84 104 83 181 145 104 83 154 123 104 83 163 13017 69 36 28 34 27 34 27 48 39 34 27 43 34 34 27 45 36

Tableau 1.14c Intensité du rayonnement solaire sur les murs (m) et vitrages (v) [W/m²] Latitude 10 °N (avril)

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18

Désignation des locaux Débit minimum d’air neuf sans fumeur [m3/h/personne]

Débit minimum d’air neuf avec fumeur [m3/h/personne]

Densité d‘occupation [personne/m²]

Locaux d’enseignement 15 - 18 25 0,67 Dortoirs, chambres collectives 18 25 0,25 Bureaux et locaux assimilés 18 25 0,10 Salles de réunion, spectacle 18 30 0,31 Boutiques, supermarchés 22 30 0,08 Cafés, bars, restaurant… 22 30 0,50 Locaux à usage sportif 18 30 0,80 Tableau 1.15 Débit de renouvellement d’air nécessaire dans les locaux climatisés et nombre de personne

au m² par type de locaux 1.4.2.3.2 Charges internes ♦ Apport de chaleur par les occupants

Elle est donnée en fonction de la température intérieure et du dégré d’activités. On distingue deux sortes de gains générés par les occupants :

Gains sensibles occupants :

QSoc = n . CSoc [W] (6) Gains latents occupants :

QLoc = n . CLoc [W] (7)

• n = nombre d’occupants • CSoc = chaleur sensible des occupants (W) ; (tableau 1.16) • CLoc = chaleur latente des occupants (W) ; (tableau 1.16)

Les valeurs de la table 1.16 sont valables pour un homme adulte. On devra minorer les valeurs de ce tableau par les coefficients suivants :

◊ pour les femmes : -20% ◊ pour les enfants : -20 à -40% ◊ pour un public mixte : -10%

♦ Apport de chaleur par l’éclairage

Il constitue une source de chaleur sensible et dépend du type de lampe (tableau 1.17) :

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19

Lampe fluorescente

QSecl. = 1,25 P [W] (8) Lampe incandescente

QSecl. = P [W] (9)

• P = puissance de la lampe [W]

Dans le cas de la lampe fluorescente, les 25% supplémentaires représentent la chaleur dégagée par le ballast électromagnétique.

♦ Apport de chaleur par les machines et appareillages

La plupart des appareils constituent à la fois une source de chaleur sensible et latente. Le tableau 1.18 donne les apports de chaleur par les machines et appareillages (QSéquip.). Les valeurs de ces tables ont été déterminées d’après les indications de divers fabricants.

On doit minorer les apports de ces machines et appareillages (par un coefficient de pondération) en fonction de leurs durées de fonctionnement. On considère par exemple qu’un appareil ne fonctionnant qu’une demi heure par heure dégage la moitié de sa puissance électrique nominale en apport de chaleur.

Température ambiante

[°C] 25 °C 26°C 27°C Activités Application

Chaleur sensible

[W]

Chaleur latente

[W]

Chaleur sensible

[W]

Chaleur latente

[W]

Chaleur sensible

[W]

Chaleur latente

[W]

Emission thermique

totale [W]

Assis au repos Ecole, théâtre 65 37 62 40 60 42 102

Travail léger Bureau, hôtel, appartement 67 49 63 59 56 60 116

Debout, marche lente

Magasin, boutique 68 63 63 68 57 74 131

Repas Restaurant 77 84 71 90 64 97 161 Travail facile Atelier 80 140 72 148 67 153 220 Danse Boite de nuit 88 161 80 169 75 174 249 Travaille difficile Usine 149 277 142 284 136 290 426

Tableau 1.16 Chaleur dégagée par les personnes [W]

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20

Puissance raccordée [W/m²] Destination du local ou type d’activité

Lampe à incandescence Lampe fluorescente Entrepôts, habitat, restaurant, théâtres 25 8

Bureau, salle de cours, hall d’entrée avec caisse et guichet 65 16

Salle de lecture, d’ordinateur, laboratoire, magasin, hall d’exposition 110 24

Supermarché, très grand bureau, amphi-théâtre sans fenêtre, travaux de précision 45

Tableau 1.17 Chaleur dégagée par l’éclairage

Gain à admettre [W]

Types d’appareils Puissance nominales [W]

Chaleur sensible Chaleur latente Friteuse 5litres d’huile 2575 464 696 Friteuse 10l d’huile 6954 1102 1653 Chauffe pains 435 319 29 Moules à gaufrettes 2192/719 899/319 609/203 Percolateur 2l 993 394 104 Chauffe eau 146 116 29 Cuisine électrique et machine à laver 3000 1450 1550 Aspirateur 200 50 Essoreuse 100 15 Congélateur 200 l 175 500 Fers à repasser 500 230 270 Chaîne stéréophonique 40 40 0 Téléviseur 175 175 0 Séchoir cheveux 500/1000 175/350 75/250 Plaque de cuisson 500/1000 120/250 130/250 Grill à viande 3000 1200 300 Stérilisateur 150 175 325 Ordinateur 400 250 0 Cafetière 500/3000 750 300 Photocopieuse 750 Imprimante à jet d’encre 52 Imprimante laser 15 fax 62

Tableau 1.18 Appareillages électriques et à gaz

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21

1.4.2.3.3 Les charges thermiques totales Le bilan thermique total (QT) est la somme de toutes les charges externes et internes. Il est plus pratique de faire la somme des charges sensibles (QS) et latentes (QL). D’où :

QT = QS + QL (10) Charges sensibles totales Ce sont les apports de chaleur sensible dans le local, dus à la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur ; on a :

QS = QStr + QSRm + QSRv + QSr + QSoc + QSécl. + QSéquip. (11) Charges latentes totales Ce sont les apports de chaleur latente dus à la différence de quantité de vapeur d’eau contenue dans l’air extérieur et intérieur.

QL = QLr + QLoc + QLéquip (12) 1.4.2.3.4 Puissance du climatiseur et de déshumidification ♦ Puissance du climatiseur

La puissance frigorifique du climatiseur représente les charges thermiques totales QT qu’il faut combattre, avec :

QT = QS + QL [W]

La puissance du compresseur est généralement déduite à partir des catalogues des constructeurs.

En l’absence de tout catalogue, on peut en première approximation utiliser la notion de coefficient d’efficacité frigorifique ou de performance frigorifique (COPfroid) dont la formule s’écrit :

COPfroid = Pf/Pa (13)

• Pf = puissance frigorifique [W] • Pa = puissance absorbée [W]

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LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------

22

D’où la puissance absorbée par le compresseur

Pa = Pf / COPfroid

Les Coefficients de performance des climatiseurs monoblocs et splits sont de l’ordre de 2 à 2,5 [8]. Autrement dit, une puissance frigorifique de 1 kW au compresseur permettra d’extraire 2 à 2,5 kW de chaleur au local.

Cette approche nous permet d’obtenir un ordre de grandeur appréciable de la puissance du climatiseur, quitte à l’affiner lors de l’étude définitive.

♦ Puissance de déshumidification [3]

Dans les bâtiments climatisés en pays tropicaux humides, l’humidité relative intérieure est fortement élevée et varie entre 60 à 70%, avec les températures mesurées qui sont comprises entre 20 et 25°C [3]. Malgré ces températures acceptables, certains usagers ont une sensation d’inconfort thermique suite à la forte humidité relative de l’air. Ces relevés permettent de comprendre que les climatiseurs n’assurent pas leurs fonctions de déshumidification de l’air traité mais de refroidissement simple.

Cette situation est due a une mauvaise sélection des climatiseurs en région tropicale humide qui diffère de celle utilisée en climat tropical sec.

En région tropicale humide, les besoins de climatisation se résument a un refroidissement et une déshumidification de l’air contenu dans un local. Pour cette raison, lors de la sélection du climatiseur, on doit tenir compte de deux paramètres importants::

◊ La puissance du climatiseur ou charge calorifique totale en Watt, ◊ La puissance de déshumidification ou chaleur latente totale (formule 12) exprimée en Watt

ou en kg d’eau/heure (c’est la quantité d’eau pouvant être retenue par le climatiseur afin d’assurer les conditions de confort thermique dans le local).

En climat tropical sec, les besoins de climatisation se résument au refroidissement de l’air ambiant contenue dans le local. Aussi, la puissance calorifique totale est le paramètre fondamental à calculer pour sélectionner un climatiseur. Quand la température de rosée de l’air de l’ambiance à climatiser est supérieure à la température de surface de la batterie froide, il y a condensation de la vapeur d’eau contenue dans cet air, d’où une consommation supplémentaire dans la mesure où les frigories supplémentaires produites serviront à l’assèchement indésiré de l’air en climat tropical sec. Par conséquent, la température d’évaporation sera plus élevée en climat tropical sec qu’en climat tropical humide.

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23

1.4.3 Coefficient de sécurité Il est d’usage courant d’appliquer un certain coefficient de sécurité après avoir effectuée le calcul du bilan thermique de climatisation d’un local. La valeur généralement adoptée varie entre 0 à 5% selon que l’on connaît plus ou moins les éléments entrant lors de l’établissement du bilan thermique. Il faudrait éviter d'augmenter ce coefficient qui a pour inconvénient d’augmenter le bilan thermique de climatisation, de surdimensionner l’équipement et donc d'augmenter le coût d'exploitation, particulièrement au niveau des auxiliaires. Il faut respecter les consignes définies dans le cahier de charge. Nous conseillons de choisir la puissance du climatiseur égale ou légèrement supérieure à celle obtenue par le dimensionnement. Dans certains cas, on peut choisir la puissance du climatiseur légèrement inférieure ou supérieure à celle du bilan frigorifique pour des raisons d’échelonnement des puissances [8] dans une gamme de matériel standard; par exemple :

2,5 kW au lieu de 2,3 kW froid obtenu par le bilan thermique de climatisation ; 2,5 kW au lieu de 2,7 kW froid obtenu par le bilan thermique de climatisation.

1.5 EVALUATION DE LA PUISSANCE A SOUSCRIRE [13] [14] Pour déterminer la puissance optimale à souscrire auprès de la compagnie nationale d’électricité pour un local climatisé, nous devrions effectuer un bilan de puissance des appareils installés (compresseurs, ventilateurs, pompes) et autres appareils électriques. Son calcul fait appel à deux facteurs :

◊ Facteur d’utilisation Ku : c’est le régime de fonctionnement d’un récepteur tel que la puissance utilisée soit inférieure à la puissance électrique nominale installée. Il est défini dans les catalogues constructeurs, la valeur couramment adoptée pour les climatiseurs est Ku=1,

◊ Facteur de simultanéité Ks : tous les récepteurs ne fonctionnement pas simultanément. C’est pourquoi, il est permis d’appliquer aux différents ensembles de récepteurs (ou des circuits) des facteurs de simultanéité. Ce facteur varie entre 1 et 0,8 en fonction de l’importance de l’installation.

La puissance à souscrire à l’abonnement (Sa) se calcule d’après la formule suivante :

Sa = Sut [KVA] (14)

• Sut = puissance disponible

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24

Sut² = Pat² + Qat ² (15)

• Pat = puissance active totale • Qat = puissance réactive totale

Pat = Pn . Ks . Ku (16)

Qat = Pat. tan ϕ (17)

Pn = U.I.cos ϕ (18) Le cos ϕ , appelé facteur de puissance moyen de l’installation à prendre en compte est celui qui permet d’éviter les pénalités dues à la consommation de l’énergie réactive. Il est fixé par chaque compagnie nationale d’électricité. Le tableau 1.19 nous donne les différents facteurs pour quelques pays échantillon. En monophasé, on prendra la puissance nominale en monophasé des appareils (climatiseurs) à installer. En triphasé, on prendra Pn = (3)1/2.U.I. cosϕ . Cette puissance est généralement inscrite sur la plaque signalétique de l’appareil ou donnée dans le catalogue du constructeur.

Zones climatiques Pays Facteur de puissance: Cos ϕ

Cameroun 0,8 Côte d’Ivoire 0,86

Bénin Climat tropical humide

Togo Climat littoral Sénégal

Cameroun 0,8 Climat tropical sec Côte d’ivoire 0,86

Mali Niger Tchad

Climat tropical désertique

Burkina Faso Tableau 1.19 Facteur de puissance pour les pays retenus par l’étude

On consultera également le chapitre 1.3 du tome 2 à ce sujet.

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25

1.6 FEUILLE DE CALCUL DU BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATION Il est pratique et plus structuré d’utiliser une feuille de calcul (voir annexe) pour déterminer les charges thermiques d’un local à climatiser parce que tous les postes à considérer y sont énumérés [2] [8]. ♦ Utilisation de la feuille de calcul 1ère étape : relevé des données

◊ Inscrire les informations demandées sur le local (définies dans le cahier de charge),

◊ Déterminer les conditions de base (tableau 1.3; 1.4; 1.5; 1.6) ; en déduire d’autres paramètres sur le diagramme de l’air humide,

◊ Déterminer les écarts de température et de teneur en eau,

◊ Déterminer l’heure à laquelle le calcul du bilan sera effectué (figure 1.1, tableau 1.8),

◊ Déterminer le type de renouvellement d’air et son débit (tableau 1.14),

◊ Identifier chaque paroi et vitrage du local suivant les orientations sur la colonne I,

◊ Déterminer les caractéristiques dimensionnelles des parois et vitrages identifiées sur la colonne I et II,

◊ Calculer les surfaces nettes des parois et vitrages : colonne III,

◊ Calculer les coefficients de transmission k ou les déterminer (tableau 1.7; 1.9) : colonne IV,

◊ Rechercher les écarts de température entre les différences surfaces donnant soit à l’extérieur, soit dans un local adjacent : colonne V,

2ème Etape : Calcul des charges

◊ Apports par transmission à travers les parois opaques et vitrages, - Utiliser les colonnes III, IV et V ; appliquer les résultats à la colonne VI.

◊ Apports dus au rayonnement solaire sur les murs et vitrages, - Rechercher les apports surfaciques sur les murs et vitrages sur la table, - Rechercher les coefficients α (tableau1.10), F (tableau 1.11), g (tableau 1.12), - Utiliser la colonne VII et VIII et l’appliquer à la colonne IX.

◊ Apports de chaleur sensible par les occupants (formule 3),

◊ Apports de chaleur sensible par les appareils électriques (tableau 1.18),

◊ Apports de chaleur sensible par les sources diverses,

◊ Apports de chaleur sensible par renouvellement d’air (formule 6),

◊ Charge calorifique sensible = 1+2+3+4+5+6 (formule 7),

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LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------

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◊ Apports de chaleur latente par les occupants (formule 8),

◊ Apports de chaleur latente par les appareils électriques (tableau 1.17),

◊ Apports de chaleur latente par les appareils diverses (voir feuille de calcul),

◊ Apports de chaleur latente par renouvellement d’air (formule 11),

◊ Charge calorifique latente = 8+9+10+11 (formule 12),

◊ Puissance du climatiseur = Charges calorifique totale = 7+12,

◊ Puissance de déshumidification du climatiseur = charge calorifique latente. 1.7 EXEMPLE D’APPLICATION On se propose de déterminer la puissance de climatisation des bureaux situés au rez-de-chaussée d’un immeuble. Ces bureaux ont des caractéristiques identiques, et pour cela, on vous demande d’évaluer la puissance de climatisation d’un seul local. Cahier de charge Les bureaux se trouvent dans la ville de Douala au Cameroun ; ils sont situés au rez-de-chaussée d’un immeuble. Les caractéristiques du local sont :

◊ Murs extérieurs en agglomérés creux de 20 cm avec enduit extérieur et intérieur au sable, peinture blanche des deux côtés,

◊ Cloisons en agglomérés creux de 10 cm avec enduit intérieur et extérieur au sable, peinture blanche des deux côtés,

◊ Plancher en béton de sable de 15 cm avec une chape de ciment, moquette marron au dessus,

◊ Plafond en béton de sable de 20 cm, couleur blanche des deux côtés, local non conditionné au-dessus,

◊ Hauteur sous-plafond : 3m, ◊ Portes en bois de 1m×2m avec encadrement en bois, ◊ Fenêtre vitrée de 1m×1,5m avec encadrement métallique, store extérieure en toile de

couleur écrue, ◊ Durée d’éclairage : à apprécier par le maître d’œuvre, ◊ Eclairage fluorescent : à apprécier par le maître d’œuvre, ◊ Les bureaux sont occupés de 8h à 12h et de 13h à 18h.

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Figure 1.2 Plan du local

Travail demandé

◊ Faire le bilan thermique de ce local ◊ En déduire la puissance du climatiseur et la puissance de déshumidification. ◊ Sélectionner sur le catalogue du constructeur X ◊ Déterminer la puissance à souscrire à la compagnie d’électricité. ◊ Reprendre le bilan thermique de ce local en utilisant le logiciel accompagnant ce manuel ;

comparer les résultats obtenus. Solution ♦ Calcul du bilan thermique par la méthode définie dans ce manuel

Heure de calcul

Pour ce local, les parois Nord, Sud et Ouest sont ensoleillées. Les apports de chaleurs sont maximaux à 12h sur la parois Nord, à 13h sur la parois Sud et à 14 h sur la parois Ouest (tableau 1.14). Toute fois, la surface Sud étant la plus grande et compte tenue de l’heure d’occupation des locaux (8h à 12h et 13h à 18h), nous choisissons d’effectuer ce bilan à 13 heures.

Température extérieure : 32°C Humidité relative =83% w=0,0255 kg/kg air sec Température intérieure : 26 °C Humidité relative =51% w=0,0108 kg/kg air sec

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♦ Calcul des apports calorifiques

Orientation des parois

Surface nette [m²]

K [W/m² K]

Intensité du rayonnement [W/m²]

Mur Nord 30 2,09 256 Mur Sud 28 2,09 352 Mur Ouest 16,5 2,09 355 Plancher 60 1,36 Plafond 60 1,14 Vitrage Ouest 1,5 5 288 Portes en bois 2 3,94 352

Apport de chaleur par transmission à travers les parois

◊ mur Nord : Qstr1 = 2,09 × 30 × (32-26) = 376 W ◊ mur Sud : Qstr2 = 2,09 × 28 × (32-26) = 351 W ◊ mur Ouest : Qstr3 = 2,09 × 16,5 × (32-26) = 207 W ◊ mur Est : Qstr4 = 2,37 × 18 × (32-26-3) = 128 W ◊ vitrage Ouest : Qstr6 = 5 × 1,5 × (32-26) = 45 W ◊ Plafond : Qstr8 = 1,14 × 60 × (32-26-3) = 205 W ◊ Porte en bois : Qstr7 = 2 × 3,94 × (32-26) = 47 W

Qstr = 1359 W

Apport de chaleur par rayonnement à travers les parois

◊ mur Nord : QsR1 = 0,4 × 0,105 × 30 × 256 = 322 W ◊ mur Sud : QsR2 = 0,4 × 0,105 × 28 × 352 = 413 W ◊ mur Ouest : QsR3 = 0,4 × 0,105 × 16,5 × 335 = 232 W ◊ vitrage Ouest : QsR5 = 0,86 × 0,28 × 1,5 × 288 = 104 W ◊ porte sud : QsR6 = 0,7 × 0,197 × 2 × 352 = 97 W

QsR = 1168 W

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29

Apport de chaleur par renouvellement d’air : on suppose la ventilation naturelle

◊ Qsr = 180 × (32-26) × 0,33 = 356 W

◊ QL1 = 180 × (0,0255-0,0108) × 0,84 × 1000 = 2222 W Qsr = 356 W QL1 = 2222 W

Apport de chaleur par les occupants

◊ Qsoc = 0,1 × 60 × 63 (1-0,1) = 340 W

◊ Ql2 = 0,1 × 60 × 59 (1- 0,1) = 318 W Qsoc = 340 W QL2 = 318 W

Apport de chaleur par l’éclairage : on suppose qu’on utilise des tubes fluorescents

◊ Qsécl = 16 × 60 = 960 W

Qsécl = 960 W

Apport de chaleur par les équipements : on suppose qu’il y a 1 ordinateur avec imprimante, une photocopieuse, 1 fax, une chaîne stéréophonique et une cafetière. On tiendra compte du coefficient d’utilisation (cu) qui varie d’un équipement à un autre

◊ Ordinateur: Qséquip1 = 250 × 1 = 250 W (cu = 100%) ◊ Photocopieuse : Qséquip2 = 750 × 0,2 = 150 W (cu = 20%) ◊ Fax : Qséquip3 = 62 × 0,15 = 9,3 W (cu = 15%) ◊ Chaîne stéréophonique : Qéquip4 = 40 × 0,1 = 4 W (cu = 10%) ◊ Cafetière sensible : Qséquip5 = 750 × 0,25 = 188 W (cu = 25%) ◊ Cafetière latente : QL3 = 300 × 0,25 = 75 W (cu = 25%) ◊ Imprimante : Qséquip6 = 52 × 0,15 = 8 W (cu = 15%)

Qséquip = 609,3 W QL3 = 75 W

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LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------

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Chaleur sensible totale : Qs = 4792 W

Chaleur latente totale :QL = 2615 W

Bilan thermique total : QT = 7407 W Puissance du climatiseur ou puissance frigorifique : 7407 W Puissance de déshumidification : 2,61 kW, soit 3,76 l/h. ♦ Sélection dans le catalogue d’un constructeur de marque X

◊ Split système : modèle Froid seul 30 F ; 3CV4 ◊ Puissance frigorifique : 8500 W, soit 29 000 BTU/Hr ◊ Débit d’air : 1200 m3/h à 900 m3/h ◊ Niveau sonore : 41/49 dB(A) ◊ Puissance nominale absorbée : 3280 W ◊ Calibre fusible : 32 A ◊ Liaison frigorifique : 25 m ◊ Diamètre à l’aspiration 3/8 po. et liquide 5/8 po.

♦ Puissance à souscrire à la compagnie d’électricité

◊ Cos ϕ = 0,8 ou tan ϕ = 0,75 au facteur de puissance moyen de l’installation ◊ Puissance nominale du climatiseur : 3280 W ◊ Puissance active totale : Pat = Pn.Ks.Ku = 3280x1x1 = 3280 ◊ Coefficient d’utilisation : Ku = 1 ; coefficient de simultanéité : Ks = 1 ◊ Puissance réactive totale : Qat = Pat. tanϕ = 3280 x 0,75 = 2460 ◊ Sut : puissance disponible : Sut² = Pat² + Qat ² = (3280)² + (2460)² ◊ D’où Puissance à souscrire : Sa = Sut =4100 VA

On souscrira auprès de la compagnie d’électricité une Puissance de 4100 VA

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♦ Méthode de calcul par logiciel mise au point

Répartition des apports Charges sensibles totales 4780 Charges latentes totales 2612 Puissance frigorifique

7,39 KW 25134 BTU

Puissance du climatiseur 3,35 Cv Facteur de chaleur sensible 0,65 Puissance de déshumidification 3,76 l/h

Figure 1.3 Répartition des apports

Répartition des apports de chaleur sensible 1. Fenêtres ensoleillées 149 3,12 % 2. Fenêtre non ensoleillées 0 0 % 3. Murs extérieurs ensoleillées 2043 42,73 % 4. Murs extérieurs non ensoleillées 0 0 % 5. Murs en contact avec les locaux non conditionnés 128 2,68 % 6. Murs en contact avec la cuisine 0 0 % 7. Toitures ensoleillées 0 0 % 8. Plafonds sous local non climatisé 205,2 4,29 % 9. Plafonds sous comble 0 0 % 10. Plancher sous local non climatisé 0 0 % 11. Portes en bois 0 0 % 12. Renouvellement d'air 356 7,46 % 13. Occupants 340 7,12 % 14. Eclairage 950 19,87 % 15. Machines et appareillages 608,6 12,73 %

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LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------

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CONCLUSION [10] Le but de ce chapitre a été d’apporter notre contribution aux efforts développés en Afrique tropicale pour limiter la consommation d’énergie par une amélioration du dimensionnement des installations de conditionnement d’air [10]. Pour ce faire, nous avons proposé des éléments de calcul des charges thermiques adaptés aux climats tropicaux humides, de transition, secs et désertiques. Une méthode simplifiée de calcul de bilan thermique permettant de présélectionner les équipements et donc de chiffrer une installation de climatisation a été présenté. Les ratios de consommations énergétiques d’un local climatisé et la méthode d’évaluation de la puissance électrique à souscrire auprès de la société nationale d’électricité ont permis de compléter cette étude. L’utilisation des données consignées dans ce présent chapitre pour effectuer un bilan thermique de climatisation est recommandée car cela nous permet d’une part d’économiser sur l’investissement dans l’achat du matériel et d’autre part, d’adapter la puissance à installer à nos besoins réels ; ce qui diminuera aussi les dépenses en climatisation.

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ANNEXE FEUILLE DE CALCUL D’UN

BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATION Date : Agent :

Client : Adresse du client :

LOCAL Destination : ________________________________________________________________________ Situation : : ________________________________________________________________________ Dimensions :____ m² de surface m de hauteur m3 de volume du local

CONDITIONS T° sèche T° humide Humidité relative

Teneur en eau

Heure de calcul: ____h

Air extérieur : Air du local : ∆t =_____ ∆ω = _____

- Type de renouvellement d’air : Naturelle / Mécanique_ / Débit_________________(m3/h) =

I II III IV V VI VII VIII IX Dimension de la paroi

Surface brute de la paroi en m²

- ∆t des t sèche (°C)

Apports par transmission : Qm/v= K.S. ∆t

- - Apports par rayonnement solaire

Nombre et dimension des vitrages

Surface totale des vitrages ( m²)

Kv III – IV – V (W) Qm = α.F.S.Rm (W)

Désignation et exposition des parois

Surface nette de la paroi (m²)

Km III – IV – V (W) Qv = α.g. S.Rv (W)

III – IV – V (W)

(1) Total par transmission (2) Total par rayonnement solaire

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LE CALCUL SIMPLIFIE DU BILAN THERMIQUE --------------------

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(1) Total par transmission

(report) (2) Total par rayonnement

solaire (report)

X.APPORT DE CHALEUR SENSIBLE

(3) Occupants :nombre_________X W/personne________________= ___________ (4) Appareils électriques : Watts dissipés _____________________= ___________ Chevaux dissipés_______x 750____________= ___________ (5) Sources diverses : ____________________W_______________= ___________ (6) Renouvellement d’air : ______m3/h________x 0,33__________= ___________ (7) CHARGE CALORIFIQUE SENSIBLE = 1+2+3+4+5+6

XI. APPORT DE CHALEUR LATENTE

(8) Occupants :nombre_______x W/personne _________________= (9) Appareils électriques : Watts dissipés _____________________=

___________

(10) Sources diverses :____________________W______________= ___________ (11) Renouvellement d’air :∆ω _____ m3/h ____ 0,84___________= ___________ (12) CHARGE CALORIFIQUE LATENTE 8+9+10+11 =

(13) PUISSANCE DU CLIMATISEUR = CHARGE CALORIFIQUE TOTALE 7+12

N.B : (14) Pays Tropicaux Humides : PUISSANCE DE DESHUMIDIFICATION 12 = 7+8+9 =

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BIBLIOGRAPHIE [1] Manuel CARRIER, Première partie : Calcul du bilan thermique, Carrier International LTP, New-

York, USA, 2ème Edition, 1960.

[2] Documents constructeurs : CARRIER, AIRWELL, TECHNIBEL, TRANE, CIAT, WESPER, FRANCE AIR.

[3] KEMAJOU A., LECOMTE D. et ESSAMA L., Des données pour le calcul des charges de conditionnement d’air pour les climats tropicaux humides, Promoclim E, Vol. 6, n°92, 1992, p. 389-398.

[4] Norme ISO 7730, Spécification des conditions de confort thermique, Organisation Internationale de Normalisation, Genève, 1984.

[5] ASHRAE standard 55-81, Thermal environmental conditions for human occupancy, Amer. Soc. Heating Refrig. Air-Condit. Ing. Inc., Atlanta, 1981.

[6] MOURTADA A., CAKPO C., KONE M.L., Diagnostic Thermique dans le tertiaire en Côte d’Ivoire. Normalisation et Conditions de Conforts optimales, Proceedings of the Eleventh Congress of the International Ergonomics Association, Paris, FRANCE, 1991.

[7] NGANYA T., Etude et Possibilités d’utilisation des isolants locaux dans l’habitat au Cameroun, Mémoire de DEA Energétique, ENSP, Yaoundé, Cameroun, 1994.

[8] COSTIC, Guide technique de la climatisation individuelle, Nouvelle édition, SEDIT Editeur, France, 1995, 185 p.

[9] Logiciel CODYBA et CASAMO CLIM, Agence de l’Environnement et de maîtrise de l’énergie, Mallette pédagogique, PULPE, 1992.

[10 KEMAJOU A., Confort thermique en situation réelle et mesure d’économies d’énergie dans les bâtiments tertiaires au Cameroun, Thèse de Doctorat en Sciences de l’Ingénieur, Génie Energétique, ENSP, Yaoundé, Cameroun, 1995, 256p.

[11] NJOMO D., Modélisation des variations mensuelles de l’irradiation solaire reçue au Cameroun, Modelling, Simulation and Control, C, AMSE Press, vol. 18, N° 1, 1988 pp. 39-64.

[12] THIBON J. et CAKPO C., Méthodologie de diagnostic énergétique, Actes de l'Atelier sur la Maîtrise de l'énergie dans les bâtiments, PRISME, IEPF, Ademe, Yaoundé, 1993, p. 222-233.

[13] BLANC E., CALVAS R., GALLAIS F. et SCHULTZ F., Guide de l’installation électrique. Editions Merlin Gérin, France, 1982.

[14] BOURGEOIS R., COGNIEL E., Mémotech Electrotechnique, Edition André CASTEILLA, Paris, France, 1986.

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CHAPITRE 2

L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION

2.1 EFFICACITE ENERGETIQUE DU SYSTEME ..................................................................... 38 2.1.1 Rendement de Carnot d’un compresseur .............................................................................................38 2.1.2 Coefficient de performance d’une installation.....................................................................................40 2.1.3 Coefficient d’exploitation d’un système .............................................................................................41

2.2 CONSOMMATION ENERGETIQUE ANNUELLE D'UNE INSTALLATION ................. 41 2.2.1 Les éléments de consommation de l’énergie .......................................................................................41 2.2.2 Consommation annuelle du compresseur ...........................................................................................41 2.2.3 Consommation des auxiliaires permanents..........................................................................................42 2.2.4 Consommation des auxiliaires non-permanents...................................................................................43 2.2.5 Consommation globale annuelle de l’installation ................................................................................43

2.3 L'ENERGIE FRIGORIFIQUE.................................................................................................. 43 2.4 ENTRETIEN MAINTENANCE................................................................................................ 44

2.4.1 Le contrat d’entretien...........................................................................................................................44 2.4.2 Le contrat d’exploitation.....................................................................................................................44

2.5 COUT GLOBAL D'EXPLOITATION ..................................................................................... 46 2.6. EXEMPLE ................................................................................................................................... 46

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L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION --------------------

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2.1 EFFICACITE ENERGETIQUE DU SYSTEME 2.1.1 Rendement de Carnot d’un compresseur Dans un système frigorifique classique à compression de vapeur, les pertes énergétiques se répartissent comme suit :

◊ 45 à 50 % pour le compresseur, ◊ 35 à 40 % pour les échangeurs, ◊ 10 à 15 % pour le détenteur et annexe.

Le compresseur, quel que soit son type (alternatif à pistons, à vis, centrifuge, rotatif, spiro-orbital) et son mode de construction (hermétique, hermétique accessible, ouvert), est le composant absorbant la plus grande quantité d’énergie du système frigorifique. C’est lui également qui est le siège des plus grandes pertes énergétiques entraînant une consommation d’électricité additionnelle au minimum théorique requis. L’énergie électrique absorbée par le compresseur permettra de :

◊ Réaliser au minimum le cycle frigorifique théorique selon les lois fondamentales de la thermodynamique,

◊ Compenser les inévitables pertes énergétiques engendrées dans le compresseur. Ces divers pertes peuvent être évaluées sur la base des notions de rendement et d’efficacité.

Energie absorbée = Energie Théorique Requise + Pertes Energétiques 2.1.1.1 L’efficacité théorique

L’efficacité théorique Eth du cycle idéal de Carnot est une référence absolue et universelle pour apprécier la performance d’une machine thermodynamique, tel un compresseur frigorifique.

L’efficacité théorique d’une machine frigorifique idéale est donnée par l’expression fondamentale :

Eth = To / (Tc-To)

• To = température absolue de la source froide (évaporateur) • Tc = température absolue de la source chaude (condenseur)

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L’efficacité théorique correspond au rapport de la puissance frigorifique produite Po à la puissance énergétique minimale qui serait absorbée par une machine idéale (sans pertes), aux températures To et Tc des sources chaude et froide correspondantes.

Eth = Po / Pth Cette puissance absorbée minimale n’est jamais atteinte pour une machine réelle, car les pertes internes à combattre absorbent une importante puissance additionnelle. 2.1.1.2 Efficacité réelle L’efficacité réelle Er d’un compresseur frigorifique est exprimée par le rapport de la puissance frigorifique produite Po à la puissance énergétique Pw réellement absorbée par le compresseur frigorifique dans les conditions d’opération.

Er = Po / Pw Selon Carnot l’efficacité réelle Er est une fraction plus ou moins grande de l’efficacité théorique Eth car la puissance énergétique réellement absorbée par le compresseur Pw est toujours supérieure à la puissance énergétique minimale théorique Pth.

Pw > Pth 2.1.1.3 Rendement de Carnot Le rendement de Carnot du compresseur Nc est le rapport de l’efficacité réelle Er à l’efficacité théorique maximale Eth du compresseur frigorifique:

Nc = Er / Eth

ou encore

Nc = Pth / Pw Ce rendement exprime la performance globale du compresseur. Le tableau 2.1 (page suivante) fournit ce rendement pour différents types de compresseurs.

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L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION --------------------

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2.1.2 Coefficient de performance d’une installation 2.1.2.1 Le Coefficient de Performance théorique (COPth) La machine frigorifique permet un transfert de chaleur de l’évaporateur vers le condenseur. Ce transfert est réalisé à l’aide d’un compresseur qui consomme une certaine quantité d’énergie. On appelle coefficient de performance théorique, le rapport de l’énergie frigorifique fournie à la quantité d’énergie nécessaire pour comprimer le fluide frigorigène. 2.1.2.2 Le Coefficient de Performance réel (COPréel) Le coefficient de performance réel est le rapport de l’énergie frigorifique fournie à l’énergie incidente. Le COPth et le COPréel ne renseignent pas réellement sur les conditions d’utilisation et de fonctionnement de toute l’installation de climatisation. Ils ne prennent pas en compte le circuit aéraulique et les autres éléments tels que les pompes et les tours de refroidissements.

Type du compresseur

Mode de construction

Fluide véhiculé

Gamme de puissance

[kW]

Rendement de Carnot usuel

Alternatif (à piston)

Hermétique R134a R134a R22

0.1 / 1 1 / 5

2 / 15

0.2 / 0.33 0.33 / 0.41 0.4 / 0.53

Hermétique –accessible

R22 1 / 50 0.45 / 0.60

Ouvert

R22 NH3

4 / 15 100 / 1000

0.5 / 0.72 0.6 / 0.69

Spiro-orbital (Scroll)

Hermétique R22 4 / 15 0.5 / 0.72

A vis Hermétique R22 40 / 60 0.5 / 0.6

Hermétique –accessible

R22 40 / 100 0.55 / 0.65

Ouvert R 22 NH3

50 / 100 100 / 1000

0.57 / 0.67 0.6 / 0.7

Centrifuge Hermétique -accessible

R123 500 / 1000 0.58 / 0.66

Ouvert R123 300 / 1000 1000 / 2000

0.60 / 0.65 0.60 / 0.70

Tableau 2.1 Rendement de Carnot de divers types de compresseurs frigorifiques. [Source: "revue Professionnelle du Froid 84"]

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2.1.3 Coefficient d’exploitation d’un système La consommation énergétique d’une installation frigorifique est en premier lieu fonction de ses conditions d’utilisation, donc des besoins de froid réels et de leur variation durant la saison. A tout besoin de froid correspond une condition de fonctionnement de l’installation (température d’évaporation, température de condensation). Pour déterminer la consommation d’énergie d’une installation, il est nécessaire d’intégrer tout au long de l’année les puissances absorbées à chaque régime de marche de tous les éléments consommant de l’énergie. 2.2 CONSOMMATION ENERGETIQUE ANNUELLE D'UNE INSTALLATION 2.2.1 Les éléments de consommation de l’énergie Les éléments consommant de l’énergie dans une installation frigorifique sont les suivants :

◊ Le compresseur Cc, ◊ Les auxiliaires permanents Cp, ◊ Les auxiliaires non-permanents Cnp, ◊ Les pertes en réseau qui augmentent les besoins de froid donc la durée de fonctionnement

du compresseur (cette consommation est intégrée dans Cc), ◊ Le dégivrage Cd qui augmente les besoins de froid en produisant de la chaleur à

l’évaporateur, perte qu’il faudra compenser par un fonctionnement supplémentaire du compresseur en cycle froid,

◊ La consommation globale annuelle de l’installation est la somme des consommations de tous les éléments cités ci-dessus.

Le calcul de la consommation d’énergie se fera en fonction de la variation des besoins de froid et du nombre d’heures correspondant à chacun de ses besoins; ceux-ci seront spécifiques à chaque installation. 2.2.2 Consommation annuelle du compresseur

La puissance frigorifique (Qo) et la puissance absorbée (Pa) d’un compresseur varient suivant les températures d’évaporation et de condensation. Les hypothèses de calcul sont les suivants :

◊ Les besoins frigorifiques sont répartis en n valeurs de puissance BFj, ◊ BF besoin frigorifique maximum, ◊ i est l’indice de régime de fonctionnement, ◊ j est l’indice de besoin de froid.

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L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION --------------------

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Taux de fonctionnement

Tfij = BFj / Qoi Nombre d’heure de fonctionnement

hcij = nhij * BFj / (RPFij * Qoi)

Consommation partielle pour un besoin de froid Bfj

Ccij = Pai * hcij

Consommation annuelle du compresseur

Cc (kW) = Σ Σ Ccij

• Qoi = puissance frigorifique produite sous le régime i, exprimée en kW • nhij = nombre d’heure d’utilisation pour un besoin en froid Bfj, sous le régime i

exprimé en heures • Pai = puissance électrique absorbée sous le régime i, exprimée en kW • RPFij = rendement de production de froid sous le régime i

Un régime est défini par les températures d’évaporation et de condensation. 2.2.3 Consommation des auxiliaires permanents

Ces organes fonctionnent en permanence, ce sont les ventilateurs, les pompes, etc.

Cp = (Pv + Pp) * Σ Σ nhij

• Pv = Σ puissances des ventilateurs • Pp = Σ puissances des pompes

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2.2.4 Consommation des auxiliaires non-permanents Ces organes sont asservis au fonctionnement du compresseur (résistance de carter, vanne magnétique départ liquide, etc.)

Cnp = Prc * (Σ Σ nhij - Σ Σ hcij) + Pvm * Σ Σ hcij

• Prc = puissance de la résistance de carter (consomme uniquement à l’arrêt du

compresseur) • Pvm = puissance de la vanne magnétique.

2.2.5 Consommation globale annuelle de l’installation

La consommation globale annuelle de l’installation est la somme des consommations de tous les éléments consommant de l’énergie. Elle est égale à :

C (kWh) = Cc + Cp + Cnp + Cd Remarque L’équation précédente montre qu’un mauvais entretien, de mauvais réglages, une mauvaise charge en fluide frigorigène et une mauvaise charge en fluide frigorigène et une mauvaise adaptation du système frigorifique aux besoins, augmentent de façon importante la consommation globale de l’installation frigorifique. 2.3 L'ENERGIE FRIGORIFIQUE Pour déterminer « l’énergie froid » utilisée sur l’année, il faut intégrer les besoins de froid sur toute l’année :

EF annuelle kWh = Σ (Bfj * Σnhij) ou encore

EF annuelle = ΣEfj

Efj = Bfj * Σ nhij

• EF est exprimée en Kw

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On en déduit le coefficient d’exploitation (COE), le rapport de « l’énergie froid » annuelle à la consommation annuelle.

COE = EF annuelle / C annuelle Plus l’installation est performante, bien réglée et bien entretenue, plus le coefficient d’exploitation COE sera élevé. On dit que l’installation est moins énergivore. Les normes américaines préconisent un COE > 3, pour une installation de climatisation efficace du point de vue énergétique. 2.4 ENTRETIEN MAINTENANCE L’organisation de l’exploitation peut se concevoir, soit en utilisant une main d’œuvre salariée de l’établissement, soit en confiant à des entreprises sous forme de contrat à durée déterminée ou indéterminée ou de commandes ponctuelles. Dans les prévisions de dépenses, les coûts de la main d’œuvre salariée doivent inclure toutes les charges liées à cette main d’œuvre (taxes, habillement, avantages sociaux,…). La recherche d’une plus grande économie sur le montant des charges, du confort des utilisateurs, de la sécurité de fonctionnement, ainsi que de la protection de l’environnement conduisent de plus en plus à faire appel à une entreprise spécialisée dans la gestion des équipements thermiques. Deux approches sont possibles :

◊ le contrat d’entretien, ◊ le contrat d’exploitation.

2.4.1 Le contrat d’entretien Le contrat d’entretien est un contrat de moyens au terme duquel le prestataire s’engage à mettre en œuvre un certain nombre de moyens, définis aux contrats, qui sont destinés à maintenir l’installation dans un état normal de fonctionnement. 2.4.2 Le contrat d’exploitation Le contrat d’exploitation est un contrat de résultats au terme duquel le prestataire prend l’engagement d’obtenir un résultat : en général la température dans les locaux. Il appartient à l’entreprise de définir elle-même les moyens qu’elle estime devoir mettre en œuvre pour obtenir ce résultat.

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L’engagement du prestataire de services est complet, la tranquillité du client est totale. Les contrats d’exploitation peuvent être plus ou moins complets et complexes selon l’engagement de résultat souhaité : il peut s’agir d’engagement allant jusqu’à 24h sur 24, 365j/an ou avec des délais d’intervention spécifiés, pouvant mettre en jeu des moyens de télésurveillance ou de télégestion. Ces contrats comportent plusieurs prestations complémentaires : ♦ La conduite et l’entretien courant Cette prestation consiste à assurer le fonctionnement de l’installation : démarrage, arrêt, réglage et l’entretien courant.

♦ Les contrats avec gestion d’énergie

Cette prestation consiste à dégager le client du souci de l’alimentation en énergie en le prenant en charge. Elle décharge le client du souci des relations avec le concessionnaire, du choix des tarifs et de la qualité de l’énergie pour le réseau électrique.

On distingue 3 types de contrats avec gestion d'énergie:

◊ Au forfait, la facturation étant la même chaque année aux variations des conditions économiques,

◊ En fonction de la température extérieure, la facturation étant ajustée en fonction des données climatiques,

◊ En fonction des arrêts liés aux pannes sur les installations.

On trouvera davantage d'informations sur ce sujet au chapitre 5 du tome 2. ♦ La garantie totale

Cette prestation comporte le renouvellement et le gros entretien des matériels, moyennant une rémunération annuelle forfaitaire et dans le cadre d’un engagement de longue durée (maximum de 10 ans). Elle dégage le gestionnaire de tout souci financier en cas d’investissement lourd sur l’installation.

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2.5 COUT GLOBAL D'EXPLOITATION Le coût d'exploitation se décompose en deux termes:

CGEx = CE + CM

• CE = Coût énergie liée à la climatisation • CM = Coût d’entretien et de maintenance

Remarque

A la réception d’un équipement, d’une installation de climatisation, il faut obtenir la remise des documents suivants :

◊ Plans et schémas d’exécution, ◊ Notice de fonctionnement, de réglages, ◊ Notice d’entretien, de diagnostic, d’incidents, ◊ Liste des pièces de rechange préconisées.

2.6. EXEMPLE Exemple Reprenons l'exemple d'une installation frigorifique dont le bilan thermique est décrit dans l'excellent ouvrage de J. Bernier ("L'itinéraire d'un frigoriste" paru chez PYC- Editions) : l’analyse est intéressante pour visualiser l’origine des consommations d’une installation. " L'installation fonctionne toute l'année avec des besoins maximum de froid (Besoin de Froid = BF) de 10 kW. Pour simplifier, on répartira la puissance frigorifique par pas de 1 kW. Le tableau page suivante illustre le calcul de consommation de cette installation fictive. Par exemple, l'installation a fonctionné durant 400 heures à 6 kW-froid, avec une température de condensation de 40°C. On remarquera que le nombre d'heures de la deuxième ligne correspond à un total de 8 760 heures, soit une année. Les lignes 3, 4 et 5 indiquent la répartition de ces heures en fonction du régime de fonctionnement du compresseur, lui-même fonction de la température extérieure.

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-------------------- L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION

47

Nous allons mettre en situation le compresseur et déterminer ainsi ses consommations partielles à chaque régime de marche. La température d'évaporation est supposée constante à - 10°C.

BF - Besoin de Froid (kW) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

durée totale heures

800

150

200

150

100

700

500

300

260

200

durée heures condensation

50°

600

100

130

700

300

200

100

-

-

-

durée heures condensation

40°

200

400

500

600

400

300

200

80

60

50

durée heures condensation

30°

-

100

200

200

300

200

200

220

200

150

Exemple de répartition sur l'année des besoins de froid et des temps de fonctionnement à chaque régime (en heures)

♦ Consommation du compresseur La puissance frigorifique et la puissance absorbée d'un compresseur varient suivant les températures d'évaporation et de condensation. La figure ci-dessous illustre ces variations pour notre exemple. La puissance frigorifique au régime extrême - 10/+ 50°C est de 11 kW. On notera que les courbes utilisées correspondant aux conditions réelles de surchauffe et de sous refroidissement, et non aux conditions nominales données par le constructeur.

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L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION --------------------

48

Reprenons maintenant notre tableau de fréquences que nous allons compléter avec: - la puissance absorbée à chaque régime - le taux de fonctionnement (pourcentage temps de marche horaire) - le nombre d'heures de fonctionnement

Cependant, il faut savoir que pour les faibles taux de fonctionnement, le rendement de production de froid s'écroule littéralement. C’est normal, iI ne doit pas seulement couvrir le BF, mais aussi la mise à température du circuit, qui après chaque arrêt se réchauffe complètement.

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-------------------- L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION

49

♦ Exemple d’affaiblissement de la Production de froid en fonction du taux d’utilisation du

compresseur (Rendement de production de froid RPF Ainsi, l'installation étudiée doit assurer pendant 50 heures une puissance froid de 1 kW lorsque la condensation se produit à 40°C. La figure ci-dessus prévoit à ce régime 13,2 kW frigorifique. Le taux de fonctionnement sera de 1 kW/ 13,2 kW, soit 8 %. Mais à un tel taux de charge, le rendement de production de froid est de 80%. Si bien que le temps de fonctionnement réel sera de:

50 heures x 1 kW / (0,80 x 13,2 kW) = 5 heures D'une manière générale, le nombre d'heures de fonctionnement du compresseur hc à chaque fonctionnement partiel est égal à :

hc = nh x BF / (RPF x Qo) avec hc, le nombre d'heures de fonctionnement du compresseur nh, le nombre d'heures d'utilisation BF, le besoin de froid RPF, le rendement de production de froid Qo, la puissance frigorifique disponible à l'évaporateur La consommation totale annuelle du compresseur est égale à la somme de toutes les consommations partielles, aux divers régimes.

Page 56: Efficacite Energetique Iepf Tome1 Bilans Thermiques

L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION --------------------

50

Besoin de Froid - BF (kW)

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

Régime - 10/50

Nbre heures utilisat. nh Puissance frigo Qo kW

Taux fonct. % Rendement RPF

Puissance absorbée kW Heures fonct. hc

Consommation Cc kWh

600 11

90% 100%

6 545 3270

1000 11

82% 100%

6 818 4908

1300 11

73% 100%

6 945 5670

700 11

64% 99%

6 445 2670

300 11

55% 99%

6 164 984

200 11

45% 98%

6 92

552

100 11

36% 98%

6 37

222

Régime - 10/40

Nbre heures utilisat. nh Puissance frigo Qo kW

Taux fonct. % Rendement RPF

Puissance absorbée kW Heures fonct. hc

Consommation Cc kWh

200 13,2 76%

100% 5,6 152 851

400 13,2 68% 99% 5,6 275 1542

500 13,2 61% 99% 5,6 306 1713

600 13,2 53% 99% 5,6 321 1800

400 13,2 45% 98% 5,6 185 1039

300 13,2 38% 98% 5,6 116 649

200 13,2 30% 97% 5,6 62

347

80 13,2 23% 95% 5,6 19

107

60 13,2 15% 91% 5,6 10 56

50 13,2 7,5% 80% 5,6 5 28

Régime - 10/30

Nbre heures utilisat. nh Puissance frigo Qo kW

Taux fonct. % Rendement RPF

Puissance absorbée kW Heures fonct. hc

Consommation Cc kWh

100 15,2 59% 99% 5,3 60

317

200 15,2 53% 99% 5,3 106 563

200 15,2 46% 98% 5,3 94

498

300 15,2 39% 98% 5,3 121 640

200 15,2 33% 97% 5,3 68

359

200 15,2 26% 95% 5,3 55

294

220 15,2 20% 92% 5,3 47

250

200 15,2 13% 89% 5,3 30

157

150 15,2 6,5% 75% 5,3 13 70

♦ Calcul de la consommation annuelle du compresseur En additionnant toutes les consommations partielles, on trouve pour notre exemple:

Cc = 29 556 kWh/an (soit 106 400 MJ/an)

De la même manière, le temps total de fonctionnement annuel du compresseur est égal à la somme des temps de fonctionnement partiels aux divers régimes:

hc = 5 091 heures

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-------------------- L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION

51

♦ Consommation des auxiliaires permanents Comme leurs noms l'indiquent, ces auxiliaires consommateurs d'énergie fonctionnent en permanence. Dans notre exemple, le ventilateur de l'évaporateur fonctionne en permanence, soit 8.760 heures par an. Il absorbe 500 W et va donc consommer par an:

Cp = 0,5 kW x 8.760 h = 4.380 kWh/an ♦ Auxiliaires non permanents

Ce sont les auxiliaires asservis au fonctionnement du compresseur (ventilateur de condenseur, vanne magnétique départ liquide, résistance de carter, etc.) Pour notre exemple, le ventilateur de condenseur absorbe 300 W et est asservi au compresseur. La bobine de l'électrovanne absorbe 10 W. Le compresseur comporte en outre une résistance de carter (non régulée) qui consomme 20 W quand le compresseur est à l'arrêt. Nous avons vu que le compresseur fonctionnait 5.091 heures par an. Les auxiliaires non permanents vont donc consommer:

Cnp = (0,3 + 0,01) x 5.091 + 0,02 x (8.760 - 5.091) Cnp = 1.651 kWh/an

♦ Dégivrage Estimer sans observation les consommations d'un dégivrage n'est pas chose toujours facile car leur fréquence est très variable. Pour notre exemple, nous estimerons en moyenne quatre dégivrages par jour de 15 minutes ( 0,25 heure) à l'aide d'une résistance électrique de 6 kW, ce qui conduit à une consommation annuelle de:

Cd = 6 x 0,25 x 365 x 4 = 2.188 kWh/an ♦ Récapitulation des consommations annuelles La consommation totale annuelle est égale à la somme des consommations de tous les composants de l'installation soit:

C = 29.556 + 4.380 + 1.651 + 2.188 = 37.775 kWh/an ( soit 136.000 MJ) Traduire en coût une telle consommation dépend essentiellement du régime tarifaire appliqué: entre 3 et 5 Fr/kWh, généralement. Tout dépend du moment de fonctionnement de l'installation: jour ? jour durant la pointe ? nuit ? ...

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L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION --------------------

52

♦ Quelle efficacité énergétique ? Déterminons l'énergie froid utilisée sur l'année. Il suffit d'intégrer les besoins de froid sur l'année, donc de totaliser les produits des besoins frigorifiques par le temps, pour les 3 régimes de marche.

Besoin de froid -BF (kW)

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

Nombre d'heures régime- 10/50°C Nombre d'heures régime- 10/40°C Nombre d'heures régime- 10/30°C

600

200

1000

400

100

1300

500

200

700

600

200

300

400

300

200

300

200

100

200

200

80

220

60

200

50

150

TOTAL heures

800

1500

2000

1500

1000

700

500

300

260

200

BF x heures kWh

8000

1350

1600

1050

6000

3500

2000

900

520

200

♦ Exemple de calcul simplifié de l'énergie froid annuelle L'énergie froid annuelle nécessaire est la somme des chiffres de la dernière ligne du tableau soit:

EF annuel = 61.120 kWh (220.000 MJ) L'efficacité énergétique moyenne annuelle de l'installation frigorifique est le rapport entre l'énergie froid produite et l'énergie électrique consommée soit, pour notre exemple:

EEmoy = 61.120 / 37.775 = 1,62

Plus l'installation sera performante, bien réglée, et bien entretenue et plus ce coefficient sera élevé, ce qui veut donc dire tout simplement que moins l'installation sera gourmande en énergie électrique. Remarque: ce coefficient EEmoy de 1,62 correspond à une installation frigorifique (“ froid négatif ”) et pas une installation de climatisation puisque la température d'évaporation est de -10°C. Généralement, une installation de climatisation aura une température d'évaporation positive, et le EEmoy dépassera 3 pour la saison. On notera également qu'aux USA toute installation de climatisation ayant un EEmoy inférieur à 2,9 sur la saison, est interdite.

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-------------------- LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX

53

CHAPITRE 3

LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION :

CRITERES GENERAUX

INTRODUCTION ................................................................................................................................. 54 3.1 NIVEAU DE PUISSANCE ......................................................................................................... 54

3.1.1 Climatiseur individuel à détente directe - Gamme résidentielle ..........................................................54 3.1.2 Armoire de climatisation .....................................................................................................................55

3.2 NIVEAU SONORE ..................................................................................................................... 57 3.3 CONDITIONS CLIMATIQUES................................................................................................ 61 3.4 CHOIX ENTRE MULTIPLES CLIMATISEURS DE LOCAUX ET CLIMATISATION

CENTRALE................................................................................................................................. 61 3.4.1 Climatiseurs individuels ......................................................................................................................61 3.4.2 Centrale de climatisation .....................................................................................................................61

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LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX --------------------

54

INTRODUCTION Dans les pays chauds, le domaine d’emploi des appareils de conditionnement d’air est très étendu. On distingue plusieurs modèles d’après :

◊ le type de refroidissement (appareils avec machine frigorifique incorporée ou séparée) ◊ le mode de traitement d’air (appareils fonctionnant toute l’année ou une partie de l’année

avec régulation automatique de la température et de l’humidité) ◊ le type de soufflage (directement ou par l’intermédiaire d’un réseau de gaines) ◊ l’utilisation (appareils de confort qui maintiennent un climat artificiel dans la zone de confort

ou appareils de conditionnement d’air pour l’industrie dont le rôle est de créer des conditions climatiques en rapport avec les nécessités de la fabrication)

◊ le type de fluide circulant dans l’évaporateur 3.1 NIVEAU DE PUISSANCE

En climatisation on distingue deux quantités différentes : la puissance électrique installée et la puissance frigorifique. En choisissant un appareil de X kWr, on sélectionne un climatiseur dont l’évaporateur est capable de retirer X kWh de chaleur au local en une heure de fonctionnement. X kWr constitue sa puissance frigorifique. Pour ce faire, le compresseur a absorbé une puissance électrique plus faible. C’est donc cette puissance qui est facturée au consommateur. La puissance installée est la puissance consommée par le climatiseur (puissance du compresseur et des auxiliaires tels les ventilateurs et appareils de régulation).

3.1.1 Climatiseur individuel à détente directe - Gamme résidentielle Il existe deux types de climatiseurs individuels à détente directe : les windows et les split system. Les windows, ou climatiseurs fenêtre sont des appareils monoblocs, tandis que les splits sont des appareils ayant un faible niveau sonore dans le local du fait de l’unité de condensation posée à l’extérieur. Leur puissance électrique nominale va de 0,75 à 2,2 kW, et donc développent une puissance frigorifique effective de 1,8 (2) à 7 kW. Dans la plupart des cas, la puissance est donnée en CV en raison de la consommation électrique du compresseur. Cependant, les appareils sont de moins en moins énergivores, étant à présent équipés de compresseurs rotatifs. Pour une bonne approximation, nous pouvons considérer les correspondances suivantes :

1 kWr = 3 412,14 BTU/H

1 CV = 8 000 BTU/H

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-------------------- LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX

55

Le coefficient de performance est en général supérieur à 2,3 pour les climatiseurs fenêtre et à 2,6 pour les splits. Les débits moyens de soufflage s’échelonnent entre 300 et 1000 m3/h. 3.1.2 Armoire de climatisation En général, la puissance frigorifique des armoires de climatisation s’échelonne entre 4 et 140 kW et le débit d’air moyen de soufflage varie de 1.000 à 20.000 m3/h. Suivant le type de local, il est possible de choisir une armoire équipée d’un réglage de l’humidité notamment pour les salles techniques (informatique, salles d’opération…). Les armoires à détente directe peuvent être en monobloc ou en split ; le fluide circulant dans l’évaporateur est un fluide frigorigène. Elles peuvent être aussi utilisée avec de l’eau glacée, dans ce cas, il s’agit d’armoires à eau glacée. Le coefficient de performance est en général supérieur à 2,5 pour les armoires à détente directe à refroidissement par air et à 3,5 pour les armoires à refroidissement à eau. La puissance frigorifique nominale est déterminée à partir des conditions de bases extérieures et intérieures (voir tableau 1.4 et tableau 1.5 du chapitre 1) :

◊ Température sèche et humide de l’air extérieur, ◊ Température sèche et humidité relative de l’air intérieur.

La température de condensation permet de sélectionner plus précisément l’appareil. La puissance frigorifique totale fournie par l’appareil augmente :

◊ Quand la température du bulbe humide th diminue, ◊ Quand la température de condensation tc diminue, ◊ Quand le débit d’air V augmente.

La puissance frigorifique totale se décompose en une partie chaleur sensible et une partie chaleur latente. A la puissance nominale, le rapport de la chaleur sensible à la puissance frigorifique totale se situe entre 0,75 et 0,85. Ce rapport de la chaleur est d’autant plus faible que l’air est humide. En refroidissement sec (chaleur latente nulle), il est égale à 1. 3.1.3 Climatisation centrale ♦ Centrale de toiture (unizone) ou roof-top

La puissance frigorifique des centrales de toiture (unizones) varie de 7 à 120 kW. Le débit de soufflage varie de 1 500 à 20 000 m3/h.

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LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX --------------------

56

♦ Centrale multizones

La puissance frigorifique va de 35 à 460 kW et le débit d’air maximal de soufflage est de 100.000 m3/h. Le nombre de zones que l’on peut desservir est compris entre 6 et 20 zones selon les constructeurs. Pour une description plus détaillée des systèmes de climatisation, il est recommandé de se reporter au chapitre 5.

♦ Recommandations

La puissance frigorifique nécessaire totale de locaux indépendants permet d’écarter quelques équipements :

◊ Pour une puissance frigorifique ≤ 2,5 kW, on sélectionnera les Windows ou même les "split system",

◊ Pour une puissance frigorifique > 2,5 kW et < 75 kW, le choix se porte vers les "split system" ou l’armoire de climatisation,

◊ Pour une puissance frigorifique supérieure à 75 kW, on s'oriente vers l’armoire de climatisation ou la centrale de climatisation.

Il est préférable de choisir un appareil ayant une puissance juste inférieure plutôt que celui qui a une puissance supérieure lorsque la puissance des appareils présents sur le marché ne correspond pas à la puissance frigorifique calculée. Le coefficient de sécurité ne devra pas dépasser 5 % de la puissance calculée. En Afrique, le choix est porté le plus souvent sur les climatiseurs individuels à détente directe surtout en raison du coût plus faible à l’investissement, de la simplicité de la technologie tant pour la pose et mise en service que pour la maintenance. Les principaux inconvénients sont au niveau de l’incidence sur l’architecture du bâtiment et la non maîtrise de la qualité de l’air intérieur : quantité d’air neuf, taux de filtration, niveau d’humidité… Le choix d’un système centralisé est recommandé dans les cas suivants :

◊ Charge calorifique importante à compenser dans le respect de l’architecture du bâtiment, ◊ Amélioration du confort du local par une meilleure gestion de la température et de

l’hygrométrie, éventuellement par la réduction du niveau sonore dans les locaux à climatiser, et aussi par la qualité de l’air intérieur,

◊ Amélioration de l’efficacité énergétique avec en même temps une réduction des coûts d’exploitation pour le futur ; ceci est possible lors de la conception du bâtiment en prévoyant un investissement pour un système adapté au type d’exploitation du bâtiment,

◊ Application technique spécialisée : industrielle, médicale… ◊ Meilleure gestion de la régulation,

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-------------------- LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX

57

◊ Facilité d’installation à la conception, coût de maintenance moins élevé en main d’œuvre et flexibilité du design.

Le choix du type de système centralisé est fonction du type de bâtiment. D’une manière générale, il existe 5 types de bâtiments : résidentiel, petit-tertiaire, grand-tertiaire, hôtellerie / santé, centre commercial. Dans les bâtiments résidentiels où le système de facturation des frais généraux ne comprend pas la climatisation, le système idéal préconisé est le confort-zone. Il s’agit d’un système à débit d’air et température variable pouvant couvrir jusqu’à 8…12 zones indépendantes. Chaque zone est contrôlable individuellement grâce à une sonde d’ambiance et son registre à commande électronique. Les besoins de chaque zone sont traités par le cerveau du système qui positionne à son tour l’unité de production en mode chauffage ou refroidissement. Le mode chauffage n’est pas utilisé en général dans les pays africains. Cette gestion centralisée permet de bénéficier de la non-simultanéité des charges dans le bâtiment pour la puissance frigorifique totale de l’unité. Les précautions suivantes sont à prendre :

◊ Déterminer le zonage en fonction de la proximité des locaux et de la répartition des charges thermiques,

◊ Equilibrer le réseau en prévoyant un débit d’air sensiblement égal par zone, ◊ Eviter les surfaces par système supérieur à 500 m2.

La centrale de traitement d’air peut-être placée à l’intérieur du bâtiment ou à l’extérieur. Elle peut être en toiture (rooftop), en split ou en monobloc ou éventuellement par une centrale de traitement d’air à eau glacée. La puissance frigorifique peut aller jusqu’à 460 KW. Le débit d’air maximal est de 100 000 m3/h. En petit tertiaire, le système multi-zone est aussi recommandé. Il est indispensable de prévoir un faux plafond ou des corniches ou fausses poutres pour le passage des gaines. Une hauteur minimum de 400 mm est recommandé. Cependant, ce faux plafond peut-être limité aux seuls dégagements en fonction de l’architecture des bâtiments. 3.2 NIVEAU SONORE Le problème est de concevoir un système dont les différents équipements n’augmenteront pas le niveau sonore dans l’enceinte conditionnée (ou, tout au moins, n’atteindront pas sa limite maximale admissible). Il est donc nécessaire de :

◊ Déterminer le niveau sonore existant sans équipement, ◊ Déterminer le niveau sonore qui existerait avec l'équipement, ◊ Prévoir et fournir tous les aménagements et contrôles nécessaires pour réduire le niveau

sonore dû à l’installation.

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LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX --------------------

58

Pour ce faire le technicien responsable devra être en possession des informations ci- après : ◊ Connaissance des niveaux sonores (dB) maxima, à ne pas dépasser (et considérés

normalement comme acceptables), ◊ Connaissance du meilleur procédé pour contrôler ou réduire, quand c’est nécessaire, le

niveau sonore entre l’équipement et l’espace climatisé. Dans un environnement extérieur bruyant, le placement d’un climatiseur améliore le confort acoustique intérieur car il permet de maintenir les fenêtres fermées. Cependant, les parties mobiles (compresseur, ventilateur) sont elles-mêmes sources de bruits. Les courbes de la page suivante définissent 4 zones de perturbations plus ou moins fortes suivant les fréquences. Ces zones permettent d’évaluer le niveau sonore à respecter dans un local, suivant le type d’activité qui y est pratiqué. Les climatiseurs ont un niveau de pression acoustique qui se situe dans une zone entre 30 dB et 50 dB pour une fréquence de 125 Hz.

Zone IV Le travail intellectuel complexe

n’est pas gêné de façon appréciable

Zone III Le travail intellectuel complexe est pénible, mais le travail courant administratif ou commercial n’est pas gêné de façon nette.

Zone II Le travail intellectuel est pénible et le travail administratif est difficile

Zone I Une exposition prolongée provoque la surdité professionnelle.

Figure 3.1 Courbe du docteur Wisner Le choix d’un climatiseur est fonction de niveau maximal du bruit exigé dans le local. Voici quelques valeurs maximales du niveau du bruit recommandées dans les locaux. Ces valeurs de "niveau de pression acoustique" correspondent à trois niveaux de confort acoustique intérieur : grand standing -moyen - minimal.

Page 65: Efficacite Energetique Iepf Tome1 Bilans Thermiques

-------------------- LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX

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TYPE DE BATIMENT TYPE DE LOCAL dB(A) GARDERIES Ecoles maternelles

Crèches 30 / 40 / 45 30 / 40 / 45

BATIMENTS PUBLICS

Auditoriums Bibliothèques Cinémas Salles d’audience de tribunal

30 / 33 / 35 30 / 33 / 35 30 / 35 / 40 30 / 35 / 40

COMMERCES Magasins de détail Grands magasins Supermarchés Salles informatiques, grandes Salles informatiques, petites

35 / 40 / 50 40 / 45 / 50 40 / 45 / 50 40 / 50 / 60 40 / 45 / 50

HOPITAUX Couloirs Blocs opératoires Salles

35 / 40 / 45 35 / 40 / 45 25 / 30 / 35

HOTELS Couloirs Salons de réception Chambres d’hôtel (durant la nuit) Chambres d’hôtel (durant le jour)

35 / 40 / 45 35 / 40 / 45 25 / 30 / 35 30 / 35 / 40

BUREAUX Petits bureaux Salles de réunion Bureaux paysagers Box à usage de bureaux

30 / 35 / 40 30 / 35 / 40 35 / 40 / 45 35 / 40 / 45

RESTAURATION Cafétérias Restaurants Cuisines

35 / 40 / 50 35 / 45 / 50 40 / 55 / 60

ENSEIGNEMENT Salles de cours Couloirs Salles de sports Salles des enseignants

30 / 35 / 40 40 / 45 / 50 35 / 40 / 45 33 / 35 / 40

BATIMENTS SPORTIFS Stades couverts Piscines

35 / 45 / 50 40 / 45 / 50

TOUS TYPES Toilettes Vestiaires

40 / 45 / 50 40 / 45 / 50

Tableau 3.1 Niveau du bruit recommandé dans les locaux

Le tableau ci-dessous récapitule d’un coté les différentes sources possibles de bruit et, de l’autre coté les différents modes de transmissions ainsi que les principales méthodes de réduction pouvant être appliquées.

Page 66: Efficacite Energetique Iepf Tome1 Bilans Thermiques

LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX --------------------

60

Source de bruit Différents modes de transmission

(chemin emprunté)

Principales méthodes de réduction utilisées

Ventilateurs, diffuseurs, grilles, bouches, registres, équipements individuels installés dans le local même Appareils à induction unité à grande vitesse, multizones, avec caissons de mélange, unités terminales à volume d’air variable.

Réflexion par les murs, pla-fond et le plancher. Radia-tions directes source - oreille. Bruit transmis par les parois des conduits et des plenums, ensuite par les murs et plafonds dans les locaux conditionnés.

Absorption propre au local considéré et emplacement des sources de bruit ont une grande incidence sur le niveau sonore enregistré par l’oreille mais dépendent surtout de la disposition intérieure du local. Seul remède pratique : sélection adéquate des matériels ( silencieux, avant tout) Disposer les gaines à grande vitesse d’air et les parties critiques des gaines à petite vitesse dans les emplacements extérieurs aux locaux climatisés, à étudier avec soin. Conception adéquate des gaines et accessoires (coudes, piquages, etc.) pour minimiser les turbulences.

Equipement individuel installé en dehors du local traité, équipements sépa-rés (conditionneurs de zone) : ventilateurs tur-bines, volet d’air, laveurs, accessoires divers.

Bruits passant à travers les gaines de soufflage et de retour d’air vers les points terminaux et dans les enceintes conditionnées.

Sélection appropriée des ventilateurs et turbines. Incorporation de dispositifs classiques d’atténuation, pièges à son, silencieux, etc.. aussi bien dans les conduits de soufflage que dans le retour.

Compresseurs, pompes, tours de refroidissement, condenseur à air

Transmission à travers les murs et planchers du local technique. Structure du bâtiment transmettant les vibrations d’où génération du bruit le long des conduits et gaines d’air

Salle des machines dans un endroit éloigné. Equipement d’absorption dans la ville des machines. Isolation phonique des murs, parois, cloisons et planchers. Sol adéquat pour supporter les vibrations. Ventilateurs équilibrés dynamiquement et statiquement. Raccordement flexible (gaines et canalisa-tions). Caissons d’insonorisation. Ecrans. Eloignement. Sélection appropriée, etc.

Ventilateur d’extraction, climatiseurs individuels

Radiation directe. Transmission par les murs, cloisons, plafonds, planchers

Sélection et emplacements adéquats. Montage approprié (encadrement bois, joints et fixations souples, etc.)

Transmission croisée, entre les locaux.

A travers les bouches de soufflage et de reprise.

Raccordements souples, silencieux, pièges à son, cloisons insonorisés, etc.

Tableau 3.2 Modes de transmissions et méthodes de réduction du bruit

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-------------------- LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX

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3.3 CONDITIONS CLIMATIQUES Le climat n’influence le choix d’un système de climatisation que par l’intermédiaire du bilan de puissance du local. Si en climat tropical sec, il est possible de rafraîchir l'air par son humidification (utilisation du "venti-fraîcheur"), en climat tropical humide, on ne peut que refroidir et déshumidifier l'air par un climatiseur. 3.4 CHOIX ENTRE MULTIPLES CLIMATISEURS DE LOCAUX ET

CLIMATISATION CENTRALE Avant d’opérer un choix entre le placement de multiples climatiseurs de locaux et une climatisation centrale, il est nécessaire de donner quelques avantages et inconvénients de chaque type de climatisation. 3.4.1 Climatiseurs individuels Ce sont les plus petits appareils à machine frigorifique incorporée destinés à la ventilation ou au refroidissement d’un seul local ♦ Avantages

Montage facile, bon marché, fonctionnement aisé, ne nécessite qu’un raccordement au secteur

♦ Inconvénients

Sont très bruyants, provoquent des courants d’air, nuisent à l’esthétique d’une façade. 3.4.2 Centrale de climatisation La centrale de climatisation contient sous une carrosserie en tôle d’acier tous les éléments nécessaires au traitement de l’air. Elle est conçue pour traiter des débits d'air plus importants atteignant 20.000 m3 / h. On distingue trois types de climatisation centrale d’après le type de fluide primaire utilisé : ♦ Centrale de climatisation à air total

Le seul fluide utilisé est de l’air préparé par les équipements centralisés. Cet air est distribué dans les locaux par l’intermédiaire d’un conduit.

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LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX --------------------

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♦ Centrale de climatisation à eau pulsée

Le fluide utilisé est de l’eau préparée par des équipements groupés en centrale. L’eau froide est distribuée aux appareils terminaux par l’intermédiaire d'un réseaux de tuyauteries.

♦ Centrale de climatisation mixte

Les deux fluides primaires (air et eau) sont utilisés simultanément. Ils sont préparés au moyen des équipements groupés en centrales (centrale d’air primaire et centrale d’eau glacée). Ils sont ensuite pulsés et distribués aux appareils terminaux situés dans les locaux à climatiser. Ce dernier système offre une très grande souplesse de fonctionnement et un niveau de confort élevé, avantages qui guident généralement son choix par rapport aux deux autres systèmes. En particulier, on recommande un traitement centralisé et une distribution de l’air par gainage si :

◊ Les besoins des locaux ou des zones sont similaires car, pour réduire le coût d'investissement, l’air est distribué à la même température dans les différentes pièces,

◊ Les locaux ou les zones ont des charges thermiques trop faibles comparées aux puissances des appareils sur le marché,

◊ Le passage des gaines est possible (présence de faux plafonds, de locaux annexes), ◊ Les locaux de travail exigent des critères acoustiques sévères. Des climatiseurs de

« fenêtre » présentent souvent de mauvaises caractéristiques acoustiques puisque condenseur et compresseur sont directement en contact avec le local à climatiser.

Dans ces différents cas, un seul appareil de traitement alimentera plusieurs zones via un réseau de gaines de distribution. Cette centralisation entraînera souvent le placement de l’appareil hors des locaux de travail et la possibilité d’une absorption acoustique par le gainage.

Un traitement séparé des locaux (décentralisé) est envisagé :

◊ Si les locaux ont des besoins différents (horaires d’utilisation, orientation des fenêtres par exemple),

◊ Si les parois extérieures sont perçable de manière à faire traverser les liaisons électriques, ainsi que la tuyauterie d’évacuation des condensats.

On choisit dans ce cas un traitement local par local au moyen d’appareils indépendants.

♦ Critères de qualité

D’une manière générale, une installation de qualité répondra aux exigences suivantes :

◊ Un coût d’exploitation limité, ◊ Un faible degré de déshumidification de l’air, ◊ Une absence de courant d’air,

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-------------------- LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX

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◊ Un faible niveau de bruit. Pour répondre à ces principes, il faudra examiner :

◊ L’efficacité énergétique de l’appareil, ◊ Le degré de déshumidification apporté par l’appareil (la température de l‘évaporateur doit

être la plus élevée possible), ◊ L'emplacement de l’unité intérieure, ◊ L’emplacement de l’unité extérieure, ◊ La qualité acoustique de l’installation.

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LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION - CRITERES GENERAUX --------------------

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CHAPITRE 4

LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL INTRODUCTION ................................................................................................................................. 66 4.1 QUELLE CONFIGURATION SELECTIONNER ? ............................................................... 66

4.1.1 Une efficacité frigorifique élevée du compresseur ..............................................................................66 4.1.2 Intérêt pour un appareil réversible .......................................................................................................68 4.1.3 Intérêt pour le ventifraîcheur ...............................................................................................................69 4.1.4 Critères de qualité acoustique ..............................................................................................................71

4.2 QUELLE DISPOSITION DANS LE LOCAL ? ....................................................................... 73 4.2.1 Valeurs de référence : le débit maximum ............................................................................................73 4.2.2 Choix de la position de la bouche de soufflage ou du climatiseur .......................................................73 4.2.3 Choix de la position de la bouche de reprise (pour les systèmes avec gainage) ..................................77 4.2.4 Combinaison soufflage et reprise : exemples.......................................................................................80 4.2.5 Emplacement de l’unité extérieure ......................................................................................................82

4.3 UNE REGULATION ADAPTEE AUX BESOINS .................................................................. 83 4.3.1 L’emplacement du thermostat d’ambiance ..........................................................................................83 4.3.2 Le choix de la température de consigne...............................................................................................84 4.3.3 La régulation du compresseur..............................................................................................................85 4.3.4 La régulation du condenseur...............................................................................................................86

4.4 CHOIX D’UN CONDENSEUR A EAU OU A AIR ................................................................. 86 4.4.1 Condenseur à air ..................................................................................................................................87 4.4.2 Condenseur à eau.................................................................................................................................88 4.4.3 Choix d’un type de condenseur............................................................................................................91

BIBLIOGRAPHIE................................................................................................................................. 92

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INTRODUCTION Une installation de qualité répondra à plusieurs exigences telles que : un coût d’exploitation limité, un degré de déshumidification de l’air limité, un faible niveau sonore et une absence de courants d’air. Pour répondre à ces principes, il faudra examiner : la configuration de l’appareil, son efficacité frigorifique, sa réversibilité éventuelle, la qualité acoustique de l'ensemble, la disposition de l'évaporateur dans le local, l'emplacement de l'unité extérieure, la régulation du climatiseur, etc.… 4.1 QUELLE CONFIGURATION SELECTIONNER ? 4.1.1 Une efficacité frigorifique élevée du compresseur La machine frigorifique permet un transfert de chaleur, d’énergie, de l’évaporateur vers le condenseur. Ce transfert est réalisé à l’aide d’un compresseur qui consomme une certaine quantité d’énergie. Deux facteurs vont conditionner l’efficacité énergétique du climatiseur :

◊ L’efficacité frigorifique du compresseur ◊ Le mode de régulation de l’appareil (emplacement de la sonde d’ambiance, régulation du

compresseur, régulation du condenseur) Un climatiseur est énergiquement efficace s’il demande peu d’énergie électrique au compresseur pour atteindre une puissance frigorifique donnée.

Figure 4.1 Bilan énergétique d‘un climatiseur

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Ce rapport entre l’énergie frigorifique fournie et l’énergie électrique consommée, donne lieu à deux grandeurs identiques pour caractériser l’efficacité énergétique du climatiseur : Le Coefficient de Performance frigorifique (COPfroid), encore appelé Efficacité Frigorifique (EF) :

COPfroid = EF = puissance frigorifique [Watt] / puissance compresseur [Watt] = Q1 / W L'Energy Efficiency Ratio (EER) :

EER = puissance frigorifique [BTU/h] / puissance compresseur [Watt] = Q1 / W Puisque 1 W = 3,412 BTU/h, lorsque le coefficient de performance des climatiseurs à condenseurs à eau ou à air varie de 2 à 3, l’Energy Efficiency Ratio varie de 7 à 10.

Figure 4.2 Evolution du fluide frigorifique dans un diagramme pression-enthalpie

En pratique, lors de la sélection des équipements sur base des catalogues des fabricants, on établira le rapport entre puissance frigorifique fournie et puissance électrique absorbée par le compresseur. D’une manière générale, pour une puissance frigorifique donnée, un climatiseur aura une bonne efficacité frigorifique si son évaporateur possède une surface importante et des tubes d’échange

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profilés. Ainsi, pour fournir une même puissance frigorifique, le fluide frigorigène présente une température moyenne plus élevée et donc le compresseur développe une puissance moins importante. Remarque : lors de la comparaison de l'efficacité frigorifique de machines différentes, on sera attentif au fait que le bilan peut parfois comprendre la consommation des auxiliaires (pompe d'eau glacée, ventilateur du condenseur…). 4.1.2 Intérêt pour un appareil réversible Le transfert d’énergie réalisé par la machine frigorifique peut être utilisé de plusieurs façons : ♦ Refroidissement du local

◊ Le traitement de l’air ambiant est assuré au niveau de l’évaporateur, ◊ Le condenseur évacue la chaleur à l’extérieur, ◊ L’installation est conçue, régulée pour une utilisation en mode de fonctionnement "froid"

uniquement. ♦ Chauffage du local : rare et même inexistant en zone subsahelienne

◊ Le cycle est inversé, ◊ Le traitement de l’air ambiant est assuré au niveau du condenseur, ◊ L’évaporateur puise la chaleur à l’extérieur, ◊ L’installation est conçue, régulée pour une utilisation en mode de fonctionnement "chaud"

uniquement. ♦ Cycle frigorifique réversible

Dans un cycle frigorifique normal, l’écoulement du fluide frigorifique s’effectue toujours dans un même sens bien déterminé, à savoir : compresseur (refoulement) - condenseur (liquéfaction) - détendeur (détente) - évaporateur (vaporisation) - compresseur (aspiration).

Il est possible d’inverser une partie de ce circuit (au moyen d’une vanne 4 voies expliquée à la page suivante) de telle sorte que le compresseur, au lieu de refouler dans le condenseur, puisse refouler les vapeurs surchauffées dans "l’ancien" évaporateur (ce dernier devenant ainsi condenseur) pour ensuite, après la liquéfaction des vapeurs, provoquer la détente (et la vaporisation) dans l’ancien condenseur (devenu évaporateur).

On s’aperçoit qu’il s’agit d’une inversion thermodynamique, non mécanique car le compresseur continue de tourner dans le même sens et de refouler (et d’aspirer) exactement dans les mêmes directions.

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Un système réversible (refroidissement-chauffage) est réalisé en aménageant le circuit frigorifique. Suivant la position d’une vanne 4 voies insérées dans le circuit, on peut permuter la fonction des échangeurs.

Figure 4.3 Schéma de l’utilisation en mode refroidissement

Figure 4.4 Schéma de l’utilisation en mode chauffage

En zone tropicale, le chauffage est rarement utilisé. 4.1.3 Intérêt pour le ventifraîcheur Le refroidissement par évaporation d’eau est un procédé économique de climatisation. Le procédé est peu vulgarisé, malgré de nombreux avantages : technologie simple, coût de mise en œuvre peu élevé, coût d’exploitation faible,… Ce système a une efficacité d’autant meilleure pour le climat tropical sec.

♦ Intérêt de l’humidification et santé

En présence des climats secs, l’humidification de l’air est nécessaire pour obtenir les conditions intérieures désirées. Un air relativement sec tend à se saturer. Il absorbe à cet effet l’humidité de tout ce qui est à sa portée : murs, meubles, plantes, animaux et naturellement l’homme. La conséquence chez l’homme c’est l’irritation du nez, le dessèchement de la peau, de la langue et de la gorge, la sensation intense de soif, etc. Il peut en résulter maux de tête, toux, éternuements et maladies infectieuses qui pénètrent habituellement dans le corps humain par les voies respiratoires.

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L’humidification peut de ce fait être nécessaire, aussi bien pendant période sèche que pendant la période froide. A ce propos, le corps médical recommande en particulier, les humidités relatives variant de 40 à 50 % pour des températures autour de 24°C.

♦ Limite de l’humidification de l’air

Les possibilités de l’humidification de l’air sont limitées. Le processus de l’humidification s’effectue suivant une transformation approximativement isenthalpique. La valeur limite de la teneur en eau susceptible d’être obtenue dépend uniquement de la température humide ou approximativement de l’enthalpie de l’air. Dans le meilleur des cas (cas idéal), l’air se sature après humidification. Sa température sèche se confond alors à sa température humide. Mais dans la pratique le degré hygrométrique de l’air après humidification ne peut guère dépasser 95%. Nous aurons donc dans tous les cas la température de l’air soufflé supérieure à la température humide de l’air aspiré .

♦ Abaissement de la température de l’air par ventilo - humidification.

En présence d'un climat sec, le refroidissement de l’air peut se réaliser par une simple humidification, sans recours à la machine frigorifique. Sous ce climat, la simple ventilation au moyen d’un débit d’air extérieur suffisant et refroidi par humidification conduit au confort thermique.

♦ Application du principe de refroidissement par évaporation d’eau : limites d’utilisation

Dans ce genre de système, la chaleur est évacuée uniquement par ventilation au moyen de l’air extérieur humidifié. L’enthalpie des conditions de base de l’air intérieur est nécessairement supérieure à celle de l’air extérieur. Pour pouvoir obtenir les conditions de confort, il est indispensable que l’enthalpie de l’air correspondant aux conditions de confort maximales de base soit inférieure à celle correspondant aux conditions de confort admises. Le débit de l’air étant inversement proportionnel à la différence d’enthalpie entre air intérieur et air extérieur, cette différence ne doit pas être trop faible.

En général, on admet comme valeur minimale de cette différence (qui tient compte des apports dus au ventilateur) 1,2 kcal/kg. Compte tenu de la valeur minimale admise pour la différence d’enthalpie, l’enthalpie de l’air aspiré doit être liée à l’enthalpie de l’air intérieur par la relation :

h = hi - 1,2 kcal/kg.

Au-dessus de cette valeur minimale, il devient difficile d’obtenir un confort thermique comme résultat d’un système de refroidissement direct par évaporation d’eau.

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4.1.4 Critères de qualité acoustique Un climatiseur génère certains bruits (ventilateurs, compresseur) qui peuvent provoquer des nuisances tant pour les occupants des locaux que pour le voisinage. Le problème à résoudre est la gène éventuelle due au bruit des équipements situés tant à l’extérieur qu’à l’intérieur du local. Ce bruit peut se transmettre au bâtiment par voie aérienne (condenseur situé près d’une fenêtre) ou par vibration de la structure (par exemple en cas de pose sur un balcon). Certaines précautions doivent être prises pour l’unité intérieure et extérieure. L’installation de l’unité extérieure doit être faite avec précaution. En effet, le groupe extérieur est générateur de vibrations qui peuvent être transmises voire amplifiées par l’intermédiaire du mode de fixation des conduites de fluide frigorigène ou de l’unité au mur. Il est donc recommandé d’apporter un soin tout particulier au montage de l’unité extérieure qui devra être placée sur une dalle désolidarisée. Les conduites de fluide frigorigène pourront être fixées par l’intermédiaire de colliers flexibles (caoutchouc) si cela s’avère être nécessaire.

Figure 4.5 Qualité acoustique de la fixation du climatiseur

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Le niveau sonore du climatiseur donné par le constructeur ne peut être qu’un niveau indicatif, il correspond à des conditions d’emplacement choisies comme standard… Le niveau global mesuré sur site peut être complètement différent, il dépend notamment de la réverbération du bruit par les obstacles Pour vérifier que les valeurs de pression sonore maximales recommandées ne sont pas dépassées pour l’occupant du local, il faut connaître le niveau de pression acoustique "Lp" effectif au niveau de l’occupant. En supposant connue la puissance acoustique de l’appareil Lw (voir notice de l'appareil), Lp est déterminée par la relation :

Figure 4.6 Puissance et pression sonore

Lp = Lw - 5 log V -10 log r + 3

• Lp = niveau de pression acoustique au point

choisi en dB(A) (décibel A) • Lw = niveau de puissance acoustique de la

source sonore en dB(A) • V = volume de la pièce en m3 • r = distance de la source sonore au point

choisi en m

Un climatiseur de fenêtre est particulièrement mauvais au niveau acoustique puisque toutes les vibrations des compresseurs sont transmises vers le local.

Figure 4.7 Comparaison du niveau de bruit Splits-window units

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4.2 QUELLE DISPOSITION DANS LE LOCAL ? L’emplacement de l’unité intérieure conditionne fortement le confort des occupants. Les mouvements de l’air dans les locaux dépendent de la disposition des bouches de soufflage et de reprise par rapport à l’emplacement des occupants. 4.2.1 Valeurs de référence : le débit maximum Un déplacement d’air froid provoque facilement une impression de courants d’air (surtout à la nuque et aux pieds). En pratique, la vitesse moyenne de l’air soufflé Vr dans la zone d’occupation sera limitée aux valeurs suivantes :

Locaux d’hébergement Hôpitaux Locaux d’enseignement Locaux de réunion et de spectacle Bureaux et locaux assimilés

Vr = 0,12m/s

Locaux commerciaux Ateliers

Vr = 0,17m/s

Locaux sportifs Grands magasins Locaux industriels

Vr = 0,25m/s

Tableau 4.1 Vitesse maximum de déplacement d‘air 4.2.2 Choix de la position de la bouche de soufflage ou du climatiseur Il n’y a pas nécessité d’obtenir le confort dans la totalité du local : il peut exister des zones dans lesquelles on est certain que les occupants ne séjourneront pas.

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LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL --------------------

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La zone d’occupation du local est limitée dans les recommandations EUROVENT :

Figure 4.8 Zone d’occupation dans un local de

bureau Le jet développé doit toujours se situer en dehors de la zone d’occupation. En aucun cas le jet d’air ne peut toucher les occupants avant qu’il ne se mélange avec l’air ambiant. En mode « rafraîchissement », la position la plus favorable est un soufflage horizontal sous plafond qui permet d’éviter la stratification de l’air et les courants d’air incontournable des la zone d’occupation

Figure 4.9 Distribution de l‘air dans le local - soufflage horizontal sous plafond

Figure 4.10 Distribution d‘air dans le local - soufflage par grille normale

Dans ce cas, l’emplacement des parois de séparation ne doit pas entraver la circulation de l’air dans l’ensemble du local (voir figure 4.11). Notons que cette disposition de soufflage sous plafond peut cependant devenir inconfortable si la hauteur sous plafond du local est trop faible. Il sera alors difficile d’éviter un soufflage dans la zone d’occupation.

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Figure 4.11 Homogénéité de la distribution de l’air traité

De plus les climatiseurs disposent généralement d’une gamme de trois vitesses. Si le dimensionnement de l’appareil est réalisé sur base de la vitesse maximale, un fonctionnement courant à vitesse réduite risque de provoquer une retombée rapide du jet d’air sur les occupants entraînant leur inconfort.

Figure 4.12 Distribution de l’air en fonction des vitesses

La diffusion d’air des climatiseurs sera donc de préférence conçue sur base de leur vitesse moyenne. Il faudra donc examiner dans le catalogue des fabricants sur quelle base de vitesse est calculée la puissance de l’appareil proposé. Dans le cas d’appareils délocalisés, la présence d’un gainage et de bouches de diffusion réglables diminue la sensibilité à ce facteur. Lorsque l’appareil assure également la fonction chauffage, un soufflage vertical au départ d’une bouche située au sol ou d’une disposition en allège (on parlera souvent de console) est la solution la plus favorable puisque la stratification de la température de l’air est limitée et le rayonnement froid du vitrage en période froide est diminué.

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Cette disposition impose qu’en mode « refroidissement », personne ne se trouve à proximité immédiate de la bouche de soufflage. De même, on évitera les tablettes, rideaux… qui peuvent entraver une diffusion correcte de l’air.

Figure 4.13 Distribution de l‘air si pulsion verticale

Si un appareil disposé en plafond doit assurer à la fois le refroidissement et le chauffage, il est important qu’il dispose d’un réglage de l’orientation du jet permettant une pulsion horizontale en période chaude pour éviter la retombée d’air froid sur les occupants et orientée vers le bas en période froide pour limiter la stagnation d’air chaud au plafond. Si tel n’est pas le cas (par exemple dans un système avec gainage ou la grille de pulsion n’est pas orientable), il faudra pouvoir régler la vitesse de pulsion. L’appareil en mode chauffage devra fonctionner à grande vitesse pour augmenter le brassage de l’air. Enfin, quel que soit le mode utilisé, les systèmes à soufflage d’air horizontal ou oblique disposés au sol ou à mi-hauteur (climatiseur mobile, monoblocs en allège) sont ceux qui poseront à priori le plus de problèmes d’inconfort.

Figure 4.14 Inconfort lié au jet d‘un climatiseur de fenêtre

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-------------------- LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL

77

Pour se donner une latitude de réglage tant en froid qu’en chaud, la puissance de l’appareil sera choisie non pas sur base de la vitesse maximum mais bien sur base d’une vitesse moyenne ou même sur base de la plus petite vitesse. ♦ Evacuation des condensats

Les condensats extraits de l’air ambiant au niveau de l’évaporateur doivent être évacués. En fonction de l’emplacement de l’évaporateur, ceci pourra s’effectuer par écoulement naturel ou au moyen d’une pompe de relevage (par exemple, dans le cas d’une cassette montée en faux plafond).

Remarques techniques :

◊ En allège un appareil d’évacuation dispose de moins de pente qu’en plafond ◊ La présence de poutres perpendiculaires au chemin probable d’évacuation rend les

choses plus difficiles ◊ Le raccordement de l’évacuation dans une décharge commune doit se réaliser via un

siphon pour éviter la propagation des odeurs

Comme on le voit, l’évacuation des condensats n’est pas toujours aisée. Il est important de vérifier comment l’installateur propose de la réaliser et si elle est comprise dans sa remise de prix.

L'évacuation est faite en général par un tube rigide en PVC, avec un raccordement sur l’évaporateur avec du flexible armé de préférence. Dans le cas de passage dans le faux plafond et en l’absence de données précises sur la température de condensation, nous recommandons d’isoler la tuyauterie pour éviter la condensation.

Il ne faut pas non plus oublier que la facilité d’accès de l’évaporateur déterminera en partie son coût d’entretien et le coût du service après-vente.

4.2.3 Choix de la position de la bouche de reprise (pour les systèmes avec

gainage) Comparons l’effet d’une grille utilisée en soufflage à celui de la même grille utilisée en aspiration, pour une même vitesse d’air (ici 3 m/s) :

◊ la bouche de soufflage produit un jet d’une portée de 7 m ◊ la bouche de reprise a une portée de 0,3 m seulement (dans les deux cas, la portée

correspond à l’enveloppe relative à une vitesse de 0,2 m/s)

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LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL --------------------

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Figure 4.15 Distribution du jet d‘air en soufflage et aspiration En aspiration, la vitesse de l’air chute très rapidement avec la distance à l’ouverture car l’air aspiré provient de tout l’espace autour de la bouche. Cette vitesse n’est donc pas critique au niveau du confort thermique mais elle peut cependant l’être au niveau du confort acoustique.

Position de la bouche de reprise Vitesses de reprise recommandées Au-dessus de la zone d’occupation 4,5 m/s Dans la zone occupée loin des sièges 3,5 - 4,5 m/s Dans la zone occupée près des sièges 2,5 - 3,5 m/s Bouches de portes 1,5 - 2 m/s Sous les portes 1 - 1,5 m/s

Tableau 4.2 Vitesse d‘air des bouches de reprise

Par contre, lors de l’implantation de la reprise, il faut prendre en considération le phénomène de court-circuit : l’air soufflé est aspiré avant d’avoir rempli son office, c’est-à-dire avant d’avoir influencé la température de l’ambiance.

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Figure 4.16 Mauvaise efficacité du jet d‘air: vue en coupe et en plan

La reprise en plafond est déconseillée lorsque le climatiseur doit fonctionner aussi en mode chauffage. En effet, l’air chaud ayant tendance à rester à proximité du plafond, il y a des risques de reprise directe de l’air chaud avant qu’il ait rempli son office. Par contre, en refroidissement seul, il n’y aura pas court-circuit si la bouche de reprise se trouve au-delà de la portée maximale des bouches de soufflage. Paradoxalement, c’est lorsque soufflage et reprise sont proches l’un de l’autre que le brassage est le meilleur. Ainsi, dans certains diffuseurs plafonniers circulaires, l’air est parfois soufflé par les cônes extérieurs et aspiré en partie centrale.

Figure 4.17 Bonne efficacité des diffuseurs et extracteurs plafonnier

Si le projet comprend le placement d’un faux-plafond avec rénovation de l’éclairage, la reprise peut être réalisée au travers des luminaires encastrés. Les charges thermiques du local sont diminuées et la durée de vie des lampes est allongée.

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LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL --------------------

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Figure 4.18 Prise d‘air dans un luminaire

La disposition en partie haute de mur est possible à condition que le soufflage et la reprise soient groupés.

Figure 4.19 Bouches murales de pulsion et de reprise d‘air La reprise au sol est toujours à déconseiller car les bouches se transforment rapidement en collecteurs de poussières. 4.2.4 Combinaison soufflage et reprise : exemples Voici quelques exemples de dispositions de climatiseurs et de bouches de reprise (sommairement classés du plus confortable au moins confortable).

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-------------------- LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL

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Avantages Configurations Inconvénients ◊ Distribution

optimale de l’air ◊ Bruit réduit ◊ Faux plafond mis à

profit ◊ Multiplicité des

combinaisons

◊ Risque de court circuit

si les bouches sont trop rapprochées

◊ Distribution

optimale de l’air ◊ Bruit réduit ◊ Faux plafond mis à

profit

◊ Difficulté d’évacuation

des condensats (nécessité d’une pente)

◊ Fonctionnement

correct en chauffage et refroidissement

◊ Risque de court-circuit ◊ Si vitesse de soufflage

trop faible ◊ Encombrement au sol ◊ Difficulté d’évacuation

des condensats (nécessité d’une pente)

◊ Distribution

optimale de l’air froid en pluie

◊ Encombrement au sol nul

◊ Stratification des

températures en mode chauffage

◊ Risque de gradient horizontal des températures

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LE CHOIX D'UN CLIMATISEUR DE LOCAL --------------------

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◊ Encombrement au

sol nul

◊ Court-circuit en mode

chauffage ◊ Stratification des

températures en mode chauffage

◊ Vitesse de l’air souvent trop élevée dans l’espace occupé

◊ Unité en colonne

destinée au grand volume

◊ Inconfort à hauteur

d’homme à proximité ◊ Risques de court-circuit ◊ Risque de gradient

horizontal des températures

4.2.5 Emplacement de l’unité extérieure L’emplacement du condenseur jouera un rôle non seulement sur l’aspect extérieur du bâtiment mais aussi sur l’efficacité énergétique du climatiseur. Souvent, il ne faudra donc pas hésiter à consentir un léger surcoût en matière de liaisons frigorifiques et électriques pour que celui-ci puisse remplir correctement son rôle, tout en ne perturbant pas le voisinage. Attention à ne pas dégrader l’efficacité énergétique ! La position du condenseur conditionnera la consommation énergétique du climatiseur, ainsi que sa fiabilité et son longévité. Erreurs à ne pas commettre : ♦ Placer le condenseur dans une zone fortement ensoleillée

Plus la température de l’air extérieur est élevée, plus le condenseur aura des difficultés pour évacuer la chaleur. L’exemple extrême est le placement du condenseur sur une toiture recouverte d’un revêtement d’étanchéité foncé. En période d’ensoleillement, la température de surface de la toiture à cet endroit peut allègrement dépasser les 70°C. Par contre, le placement du condenseur dans une cour ombragée et bien ventilée sera favorable au rendement.

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♦ Placer le condenseur face aux vents dominants

Dans ce cas, pour évacuer l’air, le ventilateur devra vaincre l’opposition du vent et par ce fait ne pourra travailler correctement.

♦ Placer le condenseur sur une toiture non accessible

Si une ″échelle de pompier″ est nécessaire pour entretenir l’appareil, cet entretien sera peu à peu délaissé. Les performances du climatiseur et sa longévité s’en ressentiront. Le coût d’un dépannage sera également nettement plus élevé.

♦ Placer le condenseur au sol près de parterres

La présence de feuilles mortes, de terre, de poussières facilement aspirées par le ventilateur, entraînera un encrassement rapide du condenseur.

♦ Détruire l’esthétique du bâtiment

Les condenseurs sont des éléments souvent peu esthétiques. Pour déterminer leur emplacement, il faudra donc examiner leur intégration possible au bâtiment. On privilégiera une position non visible.

♦ Oublier l'importance de l’entretien

Le condenseur doit être à la fois placé dans un endroit d’accès aisé pour l’entretien et peu soumis à l’encrassement.

4.3 UNE REGULATION ADAPTEE AUX BESOINS 4.3.1 L’emplacement du thermostat d’ambiance

La température ambiante du local conditionné est régulée au moyen d’un thermostat d’ambiance agissant sur le fonctionnement du compresseur. Le ventilateur du soufflage est soit commandé en même temps que le compresseur, soit fonctionne en continu. Ce deuxième mode de fonctionnement est plus favorable au confort car il entretient un brassage continu de l’air et prévient toute stagnation inconfortable d’air chaud ou froid. L’emplacement du thermostat joue un rôle important sur la consommation et sur le confort. Il doit être placé à un endroit représentatif de la température moyenne du local, c’est-à-dire éloigné des sources chaudes ou froides (lampe, fenêtre en été, zone ensoleillée, dans la zone de soufflage de l’appareil…). Le placer dans le local sera donc préférable que de le placer dans la bouche de reprise. Dans le cas contraire, il devra être étalonné.

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Au simple contrôle de la température ambiante doivent s’ajouter, pour assurer un fonctionnement économique, des fonctions de programmation de l’occupation, avec arrêt et reprise éventuellement anticipées de manière intelligente. L’emplacement de la commande du thermostat et sa facilité de manipulation joueront un rôle sur la gestion efficace de l’ambiance par l’occupant. Par exemple si la commande se trouve sur l’appareil au plafond, l’occupant ne prendra pas la peine d’ajuster la consigne de température. 4.3.2 Le choix de la température de consigne En été si l’air est calme, la zone de confort correspond à une température de l’air comprise entre 23°C et 26°C, pour des occupants en tenue légère de travail.

Figure 4.20 Evolution de la consigne en fonction de la température extérieure

Idéalement, un lien doit exister entre consigne de température intérieure et niveau de température extérieure. Ce lien qui est automatisé dans les installations complètes de conditionnement d’air, doit être réalisé manuellement pour les climatiseurs. Ainsi un écart de 6°C maximum sera créé, afin de ne pas provoquer de « choc thermique » inconfortable lors de l’accès au bâtiment. Il revient donc à l’occupant consciencieux de modifier manuellement la consigne de température en fonction de la température extérieure. Pour des raisons d’économie d’énergie et de confort, on ne peut maintenir une consigne de température à 22°C, par exemple, si la température extérieure est de 32°C. Dans ce cas la consigne doit être ajustée à 26°C au minimum.

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Figure 4.21 Régulation par marche/arrêt

4.3.3 La régulation du compresseur Un climatiseur, dimensionné pour vaincre les apports thermiques maximum (solaire, par exemple) fonctionne très souvent à charge partielle. Le contrôle traditionnel par mode MARCHE/ARRET du climatiseur entraîne des fluctuations inconfortables de la température du local et des mauvaises conditions de rendement du compresseur. Les climatiseurs équipés de compresseurs à vitesse variable peuvent adapter leur puissance frigorifique à la charge thermique du local. Quand l’écart mesuré entre le point de consigne et la température du local augmente, le système de régulation agit sur la vitesse de rotation du compresseur qui voit sa puissance frigorifique augmenter. Ce mode de régulation est appelé « INVERTER ». Il permet une variation de vitesse du compresseur sans pertes importantes de rendement. Notons que le démarrage du compresseur se fait toujours à basse vitesse, contrairement au fonctionnement MARCHE/ARRET. La pointe de courant nécessaire au démarrage est ainsi fortement réduite. Lorsqu’une unité extérieure alimente plusieurs unités intérieures (système multi–split), l’ambiance de chaque local doit pouvoir être régulée séparément (y compris la coupure en cas d’inoccupation). Dans ce cas, une régulation en vitesse variable du compresseur permettra d’adapter la puissance de production de froid en fonction des besoins totaux réels.

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Figure 4.22 Régulation INVERTER

4.3.4 La régulation du condenseur Certains locaux à charges internes importantes (par exemple, les salles informatiques) doivent être climatisés en période sèche, mais aussi en période plus froide. Dans ce cas, lorsque la température de l’air extérieur diminue, la capacité de refroidissement du condenseur augmente.

Paradoxalement, cette situation perturbe le fonctionnement correct de l’évaporateur et entraîne une perte de puissance de ce dernier. Le confort dans le local n’est alors plus assuré. A l’extrême, le pressostat basse pression de sécurité de l’appareil peut commander l’arrêt de l’installation. Pour remédier à ce problème, il faut que la puissance du condenseur soit régulée en fonction de la température extérieure. Si la température de l’air diminue, le débit d’air doit aussi diminuer afin de conserver un échange constant. Ainsi un climatiseur devant fonctionner pour des températures extérieures inférieures à 17°C doit être équipé d’une variation de la vitesse du ventilateur de condenseur : au minimum, le fonctionnement du ventilateur sera commandé en tout ou rien. Idéalement la vitesse sera modulée, soit en continu, soit par paliers. La diminution de vitesse du ventilateur est alors commandée par un pressostat ou un thermostat placé sur le condenseur. La puissance d’échange de celui-ci est ainsi maintenue constante quelle que soit la saison. 4.4 CHOIX D’UN CONDENSEUR A EAU OU A AIR Le rôle du condenseur est d’évacuer la chaleur absorbée à l’évaporateur et au compresseur par le fluide frigorigène. Le fluide extérieur à réchauffer est soit de l’air, soit de l’eau.

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4.4.1 Condenseur à air En climatisation individuelle, le type le plus courant est le condenseur à tubes ailettés avec un ou plusieurs ventilateurs hélicoïdes au centrifuges. Les tubes sont reliés en série ou en série-parallèle entre deux collecteurs, un collecteur d’alimentation en vapeur surchauffée de fluide frigorigène et un collecteur départ liquide. Le diamètre des tubes varie de 9 à 16 mm, ils sont généralement en cuivre. Les ailettes en aluminium sont fixées par sertissage sur le tube. Leur pas (écartement entre deux ailettes) varie de 1 à 4 mm. Les condenseurs à air peuvent recevoir une protection contre les corrosions par différents procédés : film plastique, Blygold, Polual, ailettes cuivre… Le choix de la protection est fait en fonction du coût, du rendement du condenseur qui peut être réduit et du type d’ambiance corrosive : marine, rurale, urbaine ou industrielle. En fonction de leur puissance frigorifique et leur utilisation, les armoires de climatisation à condenseur refroidi par air se scindent en trois types : ♦ Les armoires de climatisation compacte (climatiseur armoire)

Leur puissance frigorifique pratique varie de 4 à 120 kW. Malheureusement ces « armoires », du fait des débits de refroidissement important, ont tendance à être bruyantes. C’est la raison pour laquelle on leur préfère souvent les armoires à condenseur refroidi par eau.

♦ Les armoires à condenseur à air séparé (split system)

Le condenseur est séparé de l’armoire et installé à proximité sur un toit ou une terrasse (voir figure 4.23). Une tuyauterie aller et retour de fluide réfrigérant relie le condenseur à armoire. Leur puissance frigorifique va de 12 à 220 kW.

♦ Les appareils compacts installés en toiture (roof-top)

Ces appareils couvrent une gamme de puissances allant de 7 à 350 kW. Ce sont déjà des centrales de production d’air.

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Figure 4.23 Armoire de climatisation avec condensateur à l‘extérieur

4.4.2 Condenseur à eau En climatisation individuelle, le type le plus couramment rencontré est le condenseur à double tubes coaxiaux. Il est composé de deux tubes de cuivre concentriques enroulés ensemble en spirale. Dans le tube intérieur circule l’eau, le fluide frigorigène se condense dans le second tube. Les fluides circulent à contre courant.

Figure 4.24 Tube d‘un échangeur à contre-courant

On rencontre également des échangeurs à plaques peu encombrants et possédant un haut rendement. Ceci a comme avantage de diminuer la quantité de fluide frigorigène.

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Le refroidissement de l'eau du condenseur est alors assuré par un circuit d’eau pulsée, relié à une petite tour de refroidissement qui peut être installée à une certaine distance de l’armoire de climatisation et généralement sur le toit ou sur une terrasse (voir figure 4.25). Cet éloignement permet de réduire dans le local climatisé le bruit qui résulte de la chute de l’eau et de la circulation de l’air dans la tour de refroidissement.

Figure 4.25 Climatiseur - Armoire à condenseur refroidi par un circuit d‘eau pulsée

On distingue trois types de tour : ♦ la tour ouverte

Figure 4.26 Tour ouverte

L’eau est pulvérisée devant un ventilateur et le refroidissement est alors renforcé par la vaporisation de cette eau. Après refroidissement, cette eau sera conduite vers un condenseur à eau se trouvant près du compresseur.

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♦ La tour fermée

L’eau venant du condenseur reste à l’intérieur d’un circuit tubulaire fermé, mais se fait arroser par un jet d’eau de refroidissement. Cette eau, s’évaporant partiellement, sera également fortement refroidie. Mais cette fois l’eau qui a été au contact de l’air extérieur n’est plus en contact direct avec le condenseur à eau évitant des ennuis de corrosion.

Figure 4.27 Tour fermée

♦ Le dry cooler

Il s’agit d’une tour fermée que l’on n’arrose pas, que l’on refroidit simplement par l’air extérieur pulsé par des ventilateurs.

Figure 4.28 Dry cooler ou aérorefroidisseur

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4.4.3 Choix d’un type de condenseur Quelques critères de choix :

◊ Le rendement des condenseurs à eau est plus élevé que celui des condenseurs à air et leurs coefficients globaux d’échange thermique sont nettement meilleurs,

◊ A puissance calorifique égale, les condenseurs à eau sont moins encombrants que les condenseurs à air,

◊ Le débit d’eau de refroidissement est facilement contrôlable, ◊ Les climatiseurs à condenseur à eau sont moins bruyants que les climatiseurs à condenseur

à air. On a tout particulièrement recours au condenseur à eau dans le cas où les facteurs favorables se trouvent présents :

◊ Proximité d’un cours d’eau, ◊ Possibilité d’utiliser l’eau d'un forage si elle est disponible en permanence et présente toutes

les garanties quant à la qualité, ◊ Température de l’eau parfaitement compatible avec les conditions de fonctionnement

prévues. Ce dernier facteur joue un rôle très important dans le choix d’un condenseur, puisqu’il favorise non seulement le rendement de l’installation, mais également l’amortissement des dépenses tout en permettant d’augmenter éventuellement la surface d’échange et diminuer l’énergie motrice consommée grâce à la diminution des frais de pompage. L’apparition des systèmes séparés a permis une implantation de groupes de condensation complets à l’extérieur des bâtiments. La conséquence directe est le remplacement des condenseurs à eau par les condenseurs à air. Le gros avantage du condenseur à air est la réalisation d’une économie totale de l’eau, et la suppression des canalisations hydrauliques, d’où l’élimination des problèmes relatifs à l’entartrage des condenseurs à eau ou à leur corrosion (tour ouverte). Les condenseurs à air ont une exploitation très économique et un entretien plus facile.

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Bibliographie

[1] ANDREIEFF de NOTBECK G., Manuel du conditionnement d’air, Pyc édition (Tome I à V).

[2] COSTIC, Guide technique de la climatisation individuelle, nouvelle édition.

[3] ARCHITECTURE ET CLIMAT, UCL, Climatiser un local, fascicule technique publié par la Région Wallonne de Belgique, service de l'énergie, 1997, 52p.

[4] ARCHITECTURE ET CLIMAT, UCL, La régulation des installations frigorifiques en climatisation des bâtiments, fascicule technique publié par la Région Wallonne de Belgique, service de l'énergie, 1998.

[5] IEPF, Maîtrise de l’énergie dans les bâtiments, Actes de l’atelier Yaoundé 10 mai au 4 juin 1993.

[6] AIRWELL, Conditionnement d’air, document du constructeur.

[7] PORCHER G., "Cours de climatisation : base du calcul des installations de climatisation".

[8] BRUN M., PORCHER G., Conception et calcul des procédés de climatisation.

[9] ROUBINET M., Le refroidissement par évaporateur thermique et aéraulique, 1970.

[10] TALLA A., Développement du ventifraîcheur mural, étude théorique du refroidissement par évaporation d’eau : rapport de recherche ingénierie, EIER, Ouagadougou, 1994.

[11] HENNE E., Humidification de l’air, Pyc édition.

[12] JANNOT Y., Un procédé économique pour l’amélioration du confort thermique en zone tropicale sèche : la ventilation forcée par de l’air extérieur éventuellement humidifié, EIER Ouagadougou, 1993.

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CHAPITRE 5

LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE

5.1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UNE INSTALLATION DE CLIMATISATION

CENTRALISEE .......................................................................................................................... 95 5.2 PRESENTATION DES SYSTEMES LES PLUS COURANTS ............................................. 96 5.3 LES INSTALLATIONS "TOUT AIR"..................................................................................... 96

5.3.1. Installations "tout air", à un seul conduit, à débit constant .................................................................96 5.3.2 Installations "tout air", à un seul conduit, à débit variable..................................................................99

5.4 LES INSTALLATIONS MIXTES "AIR / EAU"................................................................... 101 5.4.1 Systèmes à éjecto-convecteurs...........................................................................................................101 5.4.2 Systèmes à ventilo-convecteurs .........................................................................................................102

5.5 AUTRES PROCEDES DE CLIMATISATION ..................................................................... 105 5.5.1 Refroidissement des luminaires ........................................................................................................105 5.5.2 Volets thermiques .............................................................................................................................106 5.5.3 Diffuseurs sources ............................................................................................................................106 5.5.4 Plafonds rayonnants froids................................................................................................................107 5.5.5 Poutres froides ..................................................................................................................................109 5.5.6 Plancher rafraîchissant à eau.............................................................................................................109 5.5.7 Plancher rafraîchissant à fluide frigorigène direct .............................................................................109 5.5.8 Armoires de rafraîchissement à convection naturelle ........................................................................109 5.5.9 Refroidissement adiabatique..............................................................................................................111 5.5.10 Installation de climatisation sans machine frigorifique...................................................................111 5.5.11 Stockage de froid .............................................................................................................................112

5.6 CHOIX D’UNE CENTRALE DE CLIMATISATION .......................................................... 113 5.6.1 Critères de choix d’une centrale de climatisation ..............................................................................113 5.6.2 Choix du Fluide Frigorigène.............................................................................................................117 5.6.3 Choix des tuyauteries frigorifiques ....................................................................................................117 5.6.4 Choix d'une centrale à eau glacée .....................................................................................................118 5.6.5 Compresseurs....................................................................................................................................121 5.6.6 Condenseurs et tours de refroidissement ...........................................................................................122

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5.6.7 Evaporateurs...................................................................................................................................... 122 5.7 LE CIRCUIT AERAULIQUE..................................................................................................123

5.7.1 Tracé des conduits............................................................................................................................ 123 5.7.2 Choix des conduits ........................................................................................................................... 124 5.7.3 Calcul des pertes de charge .............................................................................................................. 125 5.7.4 Dimensionnement des conduits........................................................................................................ 128 5.7.5 Equipements terminaux (diffuseurs et grilles).................................................................................. 130 5.7.6 Equilibrage ....................................................................................................................................... 130 5.7.7 Choix des ventilateurs ...................................................................................................................... 131

5.8 LE CIRCUIT HYDRAULIQUE ..............................................................................................132 5.8.1 Régime de température..................................................................................................................... 132 5.8.2 Configuration du réseau ................................................................................................................... 132 Inconvénients ............................................................................................................................................. 133 5.8.3 Choix des tuyauteries ....................................................................................................................... 133 5.8.4 Dimensions des conduites ................................................................................................................ 134 5.8.5 Régulation hydraulique .................................................................................................................... 135 5.8.6 Pertes de charges .............................................................................................................................. 135 5.8.7 Equilibrage du réseau ....................................................................................................................... 137 5.8.8 Les pompes hydrauliques ................................................................................................................. 137

5.9 ACOUSTIQUE ..........................................................................................................................138 5.10 PROTECTION ET SECURITE INCENDIE..........................................................................138 BIBLIOGRAPHIE...............................................................................................................................140

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5.1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UNE INSTALLATION DE CLIMATISATION CENTRALISEE

Une installation de climatisation centralisée est constituée d’un ensemble de matériels ayant les fonctions suivantes :

◊ Préparation et distribution de l’air à des caractéristiques thermiques, aérauliques et acoustiques bien définies,

◊ Distribution de l’air traité dans les locaux à climatiser par l’intermédiaires de conduits et d’appareils terminaux.

Figure 5.1 Constituants d’un système de climatisation

Les fluides primaires (air ou eau) sont préparés dans des équipements centralisés qui peuvent être placés dans une salle de machine (grosses installations de climatisation). Les équipements terminaux, toujours situés dans les locaux climatisés ou à proximité immédiate, reçoivent les fluides (préparés dans les équipements centralisés) et les utilisent pour la préparation de l’air soufflé dans les locaux. Entre les équipements centralisés et les équipements terminaux, les fluides primaires et l’air traité sont distribués par des conduits comportant plusieurs accessoires de fonctionnement (clapets, filtres, robinets,…) De plus, les installations sont équipées d’appareils de régulation et de sécurité (thermostat, pressostats, détecteurs d’incendie, trappe de désenfumage,…)

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5.2 PRESENTATION DES SYSTEMES LES PLUS COURANTS On distingue deux grands types d’installations de climatisation centrale : ♦ Installations "tout air"

Lorsqu’une installation utilise uniquement de l’air pour évacuer les calories du local à climatiser, cette installation est dite du type "tout air" ou à air total. On peut classer les installations "tout air" en deux grandes familles :

◊ Les installations à débit d’air constant, ◊ Les installations à débit d’air variable.

♦ Installations mixtes "air/eau"

Ce sont des installations où un réseau d’eau est utilisée comme médium pour l’évacuation des calories prélevées dans les locaux et où un réseau d'air est utilisé pour apporter l'air hygiénique aux occupants. Si cet air est refroidi, il participe également à évacuer les calories des locaux. Il est alors en même temps déshumidifié. On distingue deux types principaux d’installations mixtes :

◊ Les installations à éjecto-convecteurs, ◊ Les installations à ventilo-convecteurs.

5.3 LES INSTALLATIONS "TOUT AIR" Les installations "tout air" peuvent être à un seul conduit ou à deux conduits. Les installations à deux conduits sont recommandées lorsqu’on a affaire à de nombreux locaux utilisés de manière très différente (refroidissement, chauffage) avec des exigences climatiques très strictes. Elles sont donc inappropriées pour les besoins courants de climatisation dans les pays chauds en développement.

5.3.1. Installations "tout air", à un seul conduit, à débit constant

Ce type d’installation distribue un débit d’air primaire rigoureusement constant, avec seulement la température et l’humidité qui varient en fonction de charges calorifiques des locaux à climatisation. Ces systèmes de climatisation distribuent directement l’air primaire froid dans les locaux par l’intermédiaire des bouches de soufflage. On distinguera :

◊ Les centrales de traitement d’air unizone, où la batterie froide est alimentée par de l'eau glacée produite par un groupe frigorifique,

◊ Les centrales de traitement d’air "à détente directe", où l'évaporateur de la machine frigorifique est directement placé dans le caisson de traitement d'air.

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5.3.1.1 Centrale de Traitement d’air unizone :

La figure 5.2 présente le schéma de principe d’une centrale unizone à débit d’air constant. La composition de la centrale doit être spécifiée à la commande. Par exemple, pour des besoins de refroidissement en pays chauds, les batteries de préchauffage, de réchauffage et les batteries chaudes ne seront pas utiles ; il en est de même pour l’humidificateur qui pourrait quelques fois être utile en zone chaude et sèche (climat sahélien) et inutile par exemple pour la climatisation de confort dans les régions chaudes situées en zone côtière. Les centrales de traitement d’air à débit constant soufflent dans les locaux de l’air à basse vitesse (2 à 6 m/s) et à débit constant compris entre 1000 m³/h et 100 000 m³/h. L’air est généralement distribué par des bouches de soufflage de type mural ou plafonnier.

Figure 5.2 Centrale à un conduit à débit d’air constant

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5.3.1.2 Centrale de Toiture à détente directe (Roof-Top) :

Les roof-top sont des centrales unizones à détente directe installées à l’extérieur du bâtiment. La figure 5.3 présente le schéma de principe d’un roof-top. Les roof-top sont fréquemment utilisés pour les applications suivantes :

◊ Grandes salles de bureaux, salles d’ordinateurs et hall recevant du public, ◊ Climatisation des grands magasins, supermarchés, restaurants, ateliers,…

Ils sont très utilisés en climatisation industrielle. Le coût énergétique (à l’exploitation) des installations "tout air" à débit constant est très élevé, surtout à cause de la consommation des ventilateurs.

Figure 5.3 Centrale de toiture (Roof-Top)

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5.3.2 Installations "tout air", à un seul conduit, à débit variable

Dans un système à débit d’air variable, l’air est soufflé à température constante, mais à un débit-volume variable. Le système à débit d’air variable est constitué de :

◊ Une centrale de traitement d’air type unizone, ◊ Un réseau de conduits à basse vitesse (2 à 6 m/s) ou à moyenne vitesse (6 à 15 m/s), ◊ Des diffuseurs d’air terminaux permettant une bonne répartition de l’air soufflé. Les

bouches de soufflage doivent être choisies en tenant compte de la plage de débits possibles.

Figure 5.4 Centrale à débit d’air variable

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Pour chaque local ou groupe de locaux, il faut prévoir un régulateur de débit tant au soufflage que sur la reprise, ces régulateurs étant commandés par un thermostat d’ambiance. Le fonctionnement de nombreux régulateurs sur le réseau entraîne des variations de pression qui doivent être équilibrées par une régulation adéquate des ventilateurs. Lorsque les ventilateurs sont du type centrifuge, la régulation peut se faire soit à vitesse de rotation constante (obturation partielle du circuit avec un registre ajustable ou un aubage mobile de prérotation), soit à vitesse de rotation variable par utilisation d’un moteur spécial (meilleure solution). Les systèmes à débit d’air variable permettent la climatisation de locaux intérieurs dont les charges varient peu. Ces systèmes sont très intéressants pour la climatisation des bâtiments comportant des locaux ayant des charges faibles mais variables, car ils permettent une bonne optimisation de la consommation d’énergie.

En pratique, on peut adapter le débit par réglage d'un clapet : un servomoteur commande la position d'un clapet en fonction de la température dans le local. Ce clapet est généralement doté d'un système d'auto-réglage en fonction de la pression (afin de maintenir le débit souhaité malgré les variations de la pression du réseau). Il est inséré dans une boîte de détente tapissée d'absorbants acoustiques pour réduire le niveau de bruit. L'air est ensuite réparti vers le local via des diffuseurs.

Figure 5.5 Réglage au niveau des boîtes de détente

Figure 5.6 Réglage au niveau des diffuseurs

Il est également possible de faire varier le débit en agissant directement au niveau des diffuseurs. Le clapet est cette fois intégré dans le diffuseur. C'est la gaine de pulsion qui joue le rôle de plenum de distribution. Ici aussi, des absorbants acoustiques sont intégrés dans les parois.

Les diffuseurs utilisés sont spécifiques aux installations à débit d'air variable. En effet, le confort doit être assuré quel que soit le débit pulsé. Curieusement, le risque d'inconfort apparaît lors des faibles débits : l'air à faible vitesse ne se mélange pas bien à l'air ambiant (faible induction) et "tombe" sur les

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occupants. Dans ce but, l'air est diffusé tangentiellement au plafond pour bénéficier d'un effet Coanda dans les deux directions (voir figure 4.12). 5.4 LES INSTALLATIONS MIXTES "AIR / EAU"

D’une manière générale, les installations mixtes présentent une meilleure souplesse de fonctionnement et un niveau de confort élevé. Ils sont plus économiques à l'exploitation que les systèmes "tout air" car le transfert du froid se fait par l'eau (pompe) et non par l'air (ventilateur).

5.4.1 Systèmes à éjecto-convecteurs

Généralement utilisés en allège de fenêtre dans les locaux périphériques d’un bâtiment, les éjecto-convecteurs sont des équipements terminaux exclusivement alimentés par de l’air neuf préparé dans une centrale de traitement d’air. L’air primaire provenant de la centrale est pulsé, à pression élevée (100 à 400 Pa) et à vitesse élevée (15 à 25 m/s), dans le caisson de l’éjecto-convecteur. Il y a alors formation de jets libres qui, par effet d’induction, aspirent dans l’appareil de l’air ambiant qui se mélange à l’air primaire. L’air mélangé refroidi est alors soufflé dans le local à débit constant mais à température variable.

Figure 5.7 Fonctionnement d‘un éjecto-convecteur

Figure 5.8 Vue d‘un éjecto-convecteur

Les centrales à éjecto-convecteurs, pratiquement inexistantes dans les pays chauds en développement, sont utilisées pour la climatisation de bâtiments comportant des zones périphériques importantes et à forte proportion de surfaces vitrées (immeubles-tours,..).

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Leur manque de souplesse à l'installation (nécessité de raccorder la gaine d'air primaire à chaque appareil) et en fonctionnement (nécessité de pulser en permanence de l'air primaire à débit élevé) les défavorisent par rapport à leurs "concurrents" : les ventilo-convecteurs. 5.4.2 Systèmes à ventilo-convecteurs

Dans ce système, un réseau de tuyauteries distribue de l’eau glacée dans une batterie incorporée à un équipement terminal appelé ventilo-convecteur (voir figure 5.9) qu’on installe dans le local à climatiser. Un ventilateur incorporé au ventilo-convecteur permet de souffler dans le local de l’air repris ou de l’air mélangé. Le ventilo-convecteur peut fonctionner soit en air recyclé intégral, soit en assurant un renouvellement d’air grâce une prise d’air neuf situé à l’arrière de l’appareil.

Figure 5.9 Climatisation par ventilo - convecteur

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Figure 5.10 Fonctionnement d‘un ventilo -

convecteur

Figure 5.11 Vue d‘un ventilo - convecteur

Le système de climatisation par ventilo-convecteurs est de très loin le système le plus utilisé en climatisation centrale. Le principal avantage du ventilo-convecteur est lié au fait qu’il soit possible d’isoler une pièce inoccupée (ex. chambre d’hôtel) et de pouvoir très rapidement la remettre en température. L’installation à ventilo-convecteurs est nettement moins onéreuse qu’une installation à éjecto-convecteurs.

Figure 5.12 Différents modes d'alimentation en air neuf d‘un ventilo – convecteur

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LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------

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Figure 5.13 Ventilo-convecteur monté en faux-plafond

figure 5.14 Intégration dans une chambre d‘hôtel

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105

5.5 AUTRES PROCEDES DE CLIMATISATION

Différents systèmes permettent simplement de réduire les charges calorifiques intérieures sans toutefois assurer la climatisation totale du local. Ils sont généralement utilisés en association avec d’autres systèmes de climatisation. 5.5.1 Refroidissement des luminaires Cette technique utilise deux appareils spéciaux :

◊ Tubes en forme de serpentin lié au luminaire par un diffuseur, ◊ Chambre d’eau entourant le luminaire.

Avec ce procédé, environ 70 % de la chaleur totale dissipée par les luminaires est évacuée par l’eau non refroidie qui s’échauffe d’environ 5 °C. La figure 5.15 présente un schéma de ce procédé.

Figure 5.15 Réseau de refroidissement (par eau) de luminaires

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Figure 5.16 Refroidissement de luminaires par eau pulsée

5.5.2 Volets thermiques

Le dispositif consiste en une simple circulation d’eau dans des volets thermiques, ce qui permet d’éviter le rayonnement chaud des vitrages. 5.5.3 Diffuseurs sources Les diffuseurs sources (encore appelés "bouches à déplacement") sont utilisés exclusivement pour le refroidissement de locaux. C’est un dispositif permettant de souffler l’air à faible vitesse, avec un faible écart de température (1 à 3 K), ce qui permet de réduire les phénomènes de turbulences qu’on rencontre dans les systèmes classiques de climatisation. Dans ce système, l’air soufflé (entre 10 et 30 cm du sol) se répand tout d’abord à la surface du plancher, et s’élève ensuite (par absorption de la chaleur du local) en déplaçant l’air pollué vers le plafond comme s’il était poussé par un piston. La figure 5.17 présente ce procédé. Avec ce dispositif, l’air non pollué se retrouve dans la zone de séjour, et l’air chaud et les polluants se retrouvent en partie haute. L’air pollué est donc repris en partie haute, généralement au-dessus d’un plafond rafraîchissant suspendu ou par l’intermédiaire de luminaires de reprise. Ce dispositif tire donc profit de l’effet ascensionnel de l’air chaud.

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Figure 5.17 Circulation de l’air par diffuseurs source (à gauche) comparé à un système traditionnel (à droite)

Les charges que l’on peut évacuer par diffuseurs sources étant faibles à cause du faible écart de température sur l’air, dans la pratique, ce dispositif sera complété par d’autres systèmes, par exemple les plafonds rafraîchissants. 5.5.4 Plafonds rayonnants froids Le procédé consiste à refroidir le local en faisant circuler de l’eau froide dans des tubes enrobés en dalle pleine :

◊ Les dalles de plancher haut (dans bâtiment en étage, coulage du tube à eau en partie basse du plancher haut),

◊ Les nattes de tubes capillaires (utilisation de nombreux tubes de polypropylène de petit diamètre (2.3 mm) et d’épaisseur 0.5 mm placés les uns à côté des autres, formant ainsi une natte, l’ensemble étant fixé en sous-dalle du plancher haut).

ou dans des serpentins incorporés en faux-plafond :

◊ Les tubes à ailettes en faux plafond (faux plafond en claire-voie à l’intérieur duquel on place des tubes à ailettes dans lesquels circule de l’eau froide).

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La figure 5.18 présente le principe de climatisation d’un local par plafond rafraîchissant et ventilo-convecteur. Le principal inconvénient de ce procédé est le risque de condensation de l’humidité à l’intérieur du local. Le procédé impose donc un contrôle très précis de l’écart entre la température de l’eau et la température de rosée du local à rafraîchir.

Figure 5.18 Climatisation par plafonds rafraîchissants

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5.5.5 Poutres froides Dans la catégorie des poutres froides, on distingue :

◊ Les poutres à convection naturelle (carter en

tôle, dans lequel se trouve des tubes à ailettes formant la batterie froide), fixés à la sous-face du plancher haut.

◊ Les poutres froides à induction sont semblables à la poutre à convection mais, au lieu d’une circulation naturelle de l’air ambiant, on utilise de l’air prétraité en centrale distribué par induction.

Figure 5.19 Poutre froide à convection naturelle

Figure 5.20 Poutre froide à induction

Les mêmes précautions sont à prendre au niveau du risque de condensation, dans la mesure où ici encore, la récupération des condensats n'est pas possible. 5.5.6 Plancher rafraîchissant à eau C’est un système de refroidissement par le plancher. Ce système est très demandé car il n’est ni encombrant ni bruyant. Cependant, on doit faire attention aux risques de condensation. Par ailleurs, la mise en régime est lente à cause de l’inertie du plancher. 5.5.7 Plancher rafraîchissant à fluide frigorigène direct Système à coût d’investissement réduit à cause de l’absence d’équipement hydraulique. Cependant, des précautions doivent être prises pour l'étanchéité du réseau et pour le traitement de l’air neuf.

5.5.8 Armoires de rafraîchissement à convection naturelle

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Le système est constitué d’un dispositif de circulation de l’air par thermosiphon c’est-à-dire par convection naturelle, avec une batterie de rafraîchissement logée à l’arrière de l’armoire (voir figure 5.21) Ce système qui fonctionne sans ventilateur présente les avantages suivants : faible investissement, consommation énergique faible et grand confort acoustique. Le soufflage de l’air peut s’effectuer soit par des grilles situées en partie basse des placards, soit par des diffuseurs de sol (l’air circulant dans un faux-plancher). Les puissances frigorifiques sont cependant limitées et le système est rigide puisque la configuration du local ne peut être modifiée.

Figure 5.21 Armoire de rafraîchissement

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5.5.9 Refroidissement adiabatique Lorsqu’on humidifie de l’air avec de l’eau, l’air subit un refroidissement à enthalpie presque constante, d’où l’appellation « refroidissement adiabatique ». Mais en procédant comme ci-dessus, on risque d’atteindre des taux d’humidité élevés, source d’inconfort en climatisation. Pour éviter d’humidifier l’air soufflé, on peut humidifier plutôt l’air repris et récupérer le froid qui sera transférée à l’air neuf grâce à un échangeur. On peut aussi atteindre des températures de soufflage encore plus basses en utilisant simplement un échangeur à plaques sur lequel on pulvérise de l’eau.

Figure 5.22 Echangeur de chaleur avec refroidissement adiabatique

Le refroidissement adiabatique peut être complété par un système de refroidissement classique, ce qui permet de réduire la puissance frigorifique installée d’environ 50%. 5.5.10 Installation de climatisation sans machine frigorifique Il s’agit d’un système associant le refroidissement adiabatique et la déshumidification de l’air par adsorption. Ce système de refroidissement est souvent appelé « procédé DEC » (Dessicative and Evaporative Cooling » car le refroidissement de l’air neuf s’effectue par déshumidification (dans un regénérateur à sorption) puis réhumidification par évaporation (dans un humidificateur). Ce système est bien adapté aux cas où l’écart de température de soufflage est faible (diffuseur-source, diffuseurs de plancher).

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5.5.11 Stockage de froid Actuellement, seules les centrales de climatisation à eau glacée permettent l’utilisation du stockage froid. Ce dispositif permet d’effacer les pointes de fonctionnement, ce qui permet de réduire la puissance du groupe, ainsi que la puissance souscrite, tout en profitant du tarif heures creuses. Il existe deux procédés :

◊ Le stockage d’eau froide par chaleur sensible (solution pas intéressante) ◊ Le stockage de glace (solution très utilisée car moins volumineuse)

Dans le cas du stockage par glace, cette dernière se forme soit à l’extérieur des tubes, soit à l’intérieur des tubes, soit dans des nodules eutectiques.

Figure 5.23 Stockage de glace sur tubes Figure 5.24 Stockage de glace par nodules

Le stockage de froid par chaleur latente pourrait représenter une alternative très intéressante pour des actions d’économie d’énergie dans les pays chauds en développement. Malheureusement, dans plusieurs pays d’Afrique sub-saharienne la tarification d’électricité ne prévoit pas de tarif heures creuses. Par ailleurs dans ces pays, la différence de coût entre les tarifs heures de pointe et heures pleines n’est pas suffisamment importante pour justifier la mise en place d’un dispositif de stockage qui doit généralement être amorti en trois ou quatre ans.

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113

5.6 CHOIX D’UNE CENTRALE DE CLIMATISATION 5.6.1 Critères de choix d’une centrale de climatisation

Il existe une très grande variété d’installations de climatisation. Les Tableaux 5.1, 5.2 et 5.3 présentent des grilles indicatives permettant l’appréciation grossière de quelques systèmes existants.

Destinations Unité Autonomeà eau

Split system split cassette

Climati-seurs gainés

auto-nomes

Ventilo Convect.

Ventilo Convect.gainés

Non gainée

gainable gainé 1 unité interne

2/3 unités interne

Armoire Faux plafond

Locaux indépendants

oui non non oui (1) oui oui oui non non

Plusieurs locaux avec régula-tion individuelle de température

oui non non non oui (1) non non oui non

Plusieurs locaux sans régula-tion individuelle de température

non oui oui non non oui oui non oui

Locaux spacieux faiblement fréquentés

non non oui oui oui oui oui non oui

Locaux spacieux fortement fréquentés

non non non non non non non non oui

Locaux où sont exposées des 7substances irritantes

non non non non non non non non oui

Applications Unité Autonomeà eau

Split system split cassette

Climati-seurs gainés

auto-nomes

Ventilo Convect.

Ventilo Convect.gainés

Résidentielles

oui oui oui non non non oui non non

Hôtels et résidences

oui oui non oui (1) oui (1) non non oui oui (2)

Bureaux

oui oui oui oui oui oui oui oui oui

Etudes professionnelles

oui oui oui non non non oui non non

Supermarchés / centres commerciaux

Non non non oui oui oui non non oui

Boutiques / magasins

Oui oui oui oui oui oui oui non oui

Petits restaurants

Oui oui oui oui oui oui oui non oui

Moyens / grands restaurants

Non non oui oui oui oui non non oui

Discothèques / boîtes de nuit

Non non non non non non non non oui

Banques / bureaux de poste

Non non non oui oui oui oui non oui

(1) : vastes pièces seulement (2) : salles publiques seulement : halls, restaurants…

Tableau 5.1 Destinations et applications des différents types d’installations [8]

Page 120: Efficacite Energetique Iepf Tome1 Bilans Thermiques

LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------

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Couverture des charges Confort Frais de fonctionement

Type d’installation

(AS = Air Seul A + W = Air + Eau)

Soufflage de l’air

Ap

ports

d

e ch

aleu

r

Perte

s de

ch

aleu

r

Cha

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C

hauf

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le

Coû

t de

l’éne

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Coû

t d’in

ves

tisse

men

t

1 conduit centralisé AS

Plafond / mur + - 0 - - 0 0 - - +

1 conduit avec réchauffage décentralisé A + W

Plafond / mur + - 0 - + 0 0 0 - 0

Volume d’Air Variable AS

Plafond + - 0 - + - 0 0 + 0

2 conduits AS

Plafond + + 0 - + 0 0 0 - -

Ejecto-convecteurs A+W Tangentiel sous fenêtres + + 0 + + 0 0 + + +

Ejecto-convecteurs A + W

Plafond + - 0 - 0 0 0 0 + 0

1 conduit AS Diffuseurs à pulsion giratoire de sol + + 0 - - + 0 - 0 -

1 conduit AS

Moquette + + 0 - - + 0 - 0 -

Installation à Diffuseurs sources

Paroi intérieure 0 - 0 - - ++ ++ - + +

Diffuseurs sources et Plafonds rafraîchissants

Paroi intérieure Laminaire + - 0 - - ++ ++ - + 0

Diffuseurs sources et Ejecto-convecteurs

Fenêtre Laminaire + 0 0 + + ++ ++ + + +

Critères : + = bonne solution 0 = solution moyenne - = mauvaise solution

Tableau 5.2 Appréciation de différents systèmes de climatisation [3] D’une manière générale, on peut faire les remarques suivantes :

◊ Les installations à un seul conduit dans lesquels le soufflage de l’air se fait de bas en haut sont les plus onéreuses,

◊ Les systèmes air/eau sont très intéressants tant sur le plan exécution qu’en ce qui concerne les coûts de l’énergie consommée. Ils sont d’ailleurs les seuls à être utilisés dans le cas des immeubles de grande hauteur,

◊ Les installations "tout air" à débit d’air variable sont intéressantes lorsqu’elles sont bien conçues pour une exploitation où l’on a des débits volumes réduits pendant une grande partie de l’année.

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115

Aucun système n’est capable de répondre à tous les cas posés. Chaque projet doit faire l’objet d’une étude spécifique prenant en compte les différents critères parmi lesquels on peut citer : les contraintes de construction, le service à rendre à l’usager, l’enveloppe financière pour la construction et l’exploitation, la qualité de l’ambiance et le respect de l’efficacité énergétique.

Systemes de climatisation

Destination

Split

Armoires

Roof-top

Centrale à eau glacée à ventilo-

convecteur

Volume réfrigé-rable

variable

Petits bureaux commerciaux x x Grandes banques x x Hall d’aéroport petites salles à dégagement de chaleur (telecom...) x x

Grands restaurants, cinémas, salle de vente, commerce, supermarchés x x

Grands hôtels x x Climatisation industrielle ateliers x x

Tableau 5.3 Destinations courantes des différents systèmes de climatisation

En visitant les installations actuellement en service dans les pays africains, on retrouve souvent les configurations suivantes :

◊ Pour les bâtiments commerciaux : splits dans les bureaux et armoires ou roof-top dans les grandes salles (ex : banques moyennes : splits pour bureaux, armoires ou roof-top dans les guichets clients. bâtiments commerciaux : splits dans les bureaux, armoires ou roof-top dans les salles d’exposition / vente de matériel),

◊ De nombreux hôtels et immeubles de bureaux optent pour la solution window ou split en l’intégrant plus ou moins harmonieusement à l’architecture du bâtiment. Cette solution est mauvaise tant sur le plan esthétique qu’énergétique,

◊ Les centrales à eau glacée à ventilo-convecteurs sont les systèmes de loin les plus utilisés dans les grands hôtels des métropoles africaines,

◊ Les systèmes à « Débit Réfrigérant Variable » (DRV) actuellement diffusées par de nombreux constructeurs dont Daikin (marque VRV) et Mitsubishi (marque VRF), bien qu’environ 50 % plus onéreux à l’investissement que les centrales à eau glacée, semblent s’imposer de plus en plus pour la climatisation d’immeubles de bureaux et dans les grandes banques,

◊ Dans certains petits supermarchés, on trouve en parallèle plusieurs armoires à condensation par eau (recyclées dans une seule tour de refroidissement), chaque armoire

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116

étant associée à un réseau de gaines indépendant comportant des diffuseurs circulaires en soufflage avec des reprises s’effectuant directement sur les armoires.

Le choix d’une climatisation centrale n’est pas un acte isolé. Il fait partie d’un processus dont les phases successives sont présentées dans la figure 5.25

1. Décision de traiter l‘ambiance Analyse des besoins

2. Conception

Caractéristiques des éléments Evaluation des consommations

Estimation des coûts Investissements Exploitation

3. Montage de l‘opération

Cahier des charges Clauses techniques

Appel d‘offres Modalités des contrôles

Montage financier 4. Réalisation de l‘installation Réception de l‘installation

Mise au point Contrôles

Suivi financier du chantier

5. Exploitation - Optimisation Surveillance de la qualité du traitement et

de la productivité Surveillance des performances du

matériel Suivi des résultats

Ambiances Consommations

Suivi financier de l‘installation Figure 5.25 Courbe de vie d’un projet de climatisation

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117

5.6.2 Choix du Fluide Frigorigène Le R22 reste le fluide le plus largement utilisé dans les systèmes de climatisation actuels. Ce fluide est bien connu par les praticiens frigoristes, il ne coûte pas cher et il est disponible localement en grande quantité. Dans le cadre du protocole de Montréal sur la protection de la couche d’ozone, l’interdiction de sa production est prévue dans une vingtaine d’années. A court terme, l’utilisation de ce fluide dans les installations de climatisation est encore admis, mais il faut être attentif aux évolutions dans ce domaine. Des fluides de remplacement du R22 sont déjà commercialisés, mais leurs prix sont encore élevés. En plus, ils ne sont pas disponibles sur les marchés locaux et leur fiabilité à long terme n’est pas encore prouvée. Aussi, au lieu de rechercher à remplacer le R22 dans les installations actuelles, il est préférable de renforcer l’étanchéité des systèmes (par exemple en utilisant de préférence des liaisons soudées). Le NH3 (ammoniac) est un fluide pas cher et ayant de très bonnes caractéristiques thermophysiques tant sur le plan frigorifique que sur le plan énergétique ; en matière d’environnement, son Potentiel de Destruction de la couche d’Ozone (ODP) et son Potentiel d’Echauffement de la Planète (GWP) sont nuls. Son utilisation doit être encouragée dans les systèmes à refroidissement indirect (cas des centrales à eau glacée). Malheureusement, la pratique du NH3 est mal connue en Afrique, ce qui augmente les risques d’accidents au cas où les installations sont suivies par des techniciens non qualifiés. Les hydrocarbures représentent une belle opportunité pour les pays en développement car ils peuvent être produits localement, d’où un coût d’achat plus faible. Sur le plan environnemental, ils sont meilleurs que les fluides chlorofluorés (R22…), mais moins efficaces que l’ammoniac. Leur utilisation pour des installations domestiques et commerciales pourrait être encouragée à conditions de bien former les techniciens à la pratique de ces fluides. Cependant, au stade actuel des pratiques et des Normes internationales en vigueur, le R22 et le NH3 restent préférables pour une installation de climatisation centralisée. 5.6.3 Choix des tuyauteries frigorifiques

Dans l’industrie frigorifique, on utilise deux types de tuyauteries qui sont les tubes cuivres et acier.

◊ Le tube cuivre est utilisé seulement pour les fluides halogénés, ◊ Le tube acier est utilisé pour l’ammoniac et pour remplacer le cuivre lorsque les diamètres

des longueurs importantes occasionnent des coûts trop élevés. On utilise les aciers non alliés et des aciers alliés au nickel.

Pour le dimensionnement des tuyauteries, on a le choix entre la méthode de la vitesse et la méthode des abaques.

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LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------

118

♦ Méthode de la vitesse Il faut connaître :

◊ Le débit volumique de fluide frigorigène dans la conduite. On se fixe une vitesse de circulation du fluide frigorigène (aspiration, refoulement et liquide). Les plages de vitesses de circulation sont en général connues.

♦ Méthode des abaques On utilise les abaques des constructeurs. Il faut connaître :

◊ La puissance frigorifique, ◊ La température d’évaporation et de condensation, ◊ La température en amont du détendeur, ◊ La surchauffe des vapeurs aspirées et le sous refroidissement du liquide.

5.6.4 Choix d'une centrale à eau glacée Le groupe frigorifique est généralement prémonté et précâblé en usine. Cependant, la grande variété de matériels proposés par les constructeurs impose un minimum de connaissances techniques pour un choix adéquat. Nous fournissons ci-dessous, de manière très sommaire, quelques éléments d’appréciation, permettant d’effectuer des choix technologiques adaptés aux pays chauds en développement. 5.6.4.1 Définition

Les groupes à eau glacée sont généralement définis par :

◊ La température d’eau glacée aller et retour, ◊ La température des médiums de refroidissement du condenseur (air extérieur, eau à

l’entrée et à la sortie du condenseur,…), ◊ La puissance frigorifique brute (requise par l’installation) qui tient compte de la puissance

de pompage de l’eau froide, ◊ La puissance utile qui est celle des besoins des équipements terminaux, ◊ Les apports thermiques par les tuyauteries aller et retour et les réservoirs calorifugés.

P (brute) = P (utile) + P (pompage) + Apports Thermiques

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Lors de l’avant-projet, la puissance de pompage de l’eau froide et les apports thermiques ne sont pas connus ; en général, on majore P(utile) d’environ 5 % pour en tenir compte. Lors du projet final, les deux postes doivent être recalculés.

Condenseur Evaporateur A air 8 à 12 °C 4 à 6 °C Multitubulaire à eau 6 à 8 °C 2 à 6 °C Aéroréfrigérant 15 à 17 °C - A plaques 4 à 6 °C 2 à 4 °C

Tableau 5.5 Ecarts de températures pour le calcul des échangeurs 5.6.4.2 Choix technologiques

Le tableau 5.4 présente les technologies les plus courantes en fonction de la puissance de la

centrale.

Puissance Compresseur Evaporateur Condenseur

Inférieure à 50 kW Spirales (35 kW maxi)Pistons

Coaxial A plaques

Coaxial A plaques

A air

De 50 kW à 1000 kW Pistons Vis

Multitubulaire noyé A détente sèche

A plaques

Multitubulaires A air

A plaques

De 1000 kW à 4000 kW Vis Centrifuge Multitubulaire noyé Multitubulaires

A air

Au-dessus de 4000 kW Centrifuge Multitubulaire noyé Multitubulaires A air

Tableau 5.4 Technologies utilisées dans l’assemblage des Groupes

5.6.4.3 Critères économiques

Il est important de réduire toutes les consommations de fluides et d’énergie nécessaires au fonctionnement de la centrale : ♦ Economie d’eau

Tant que possible, utiliser les condenseurs à air ou les réfrigérants atmosphériques.

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LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------

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♦ Energie électrique

Rechercher un bon coefficient de performance des compresseurs, bien dimensionner les échangeurs et les auxiliaires pour un meilleur coefficient de performance du système.

♦ Bilan

Tant que possible, effectuer un comparatif technico-économique entre Groupe à air et Groupe à eau glacée, avec condenseur à air ou à eau.

♦ Maintenance

En tenir compte dès la conception de l’installation.

5.6.4.4 Spécifications à fournir pour l’achat du Groupe

Pour éviter des surprises lors du montage et de la mise en route du Groupe, les informations suivantes doivent être connues dès la commande : lieu géographique d’installation, moyens d’accès au site, puissance frigorifique maximale brute, puissance frigorifique minimale requise, durée annuelle d’utilisation, nature du liquide à refroidir, débits maxi et min du liquide à refroidir, températures entrée et sortie du liquide et variations éventuelles, caractéristiques des fluides de refroidissement (air : températures extérieures maxi et mini, Humidités Relatives extérieures maxi et mini, température humide extérieure, eau : nature, composition, températures maxi et mini,), nature du courant électrique, puissance électrique appelée nominale au démarrage et à charge réduite, type de démarrage, modes de régulations, régime du neutre, encombrements et poids des groupes, conditions de livraison, moyens de manutention, nature et masse de fluide frigorigène dans l’installation, caractéristiques de l’huile, volumes d’eau dans l’évaporateur et dans le condenseur, pertes de charges à l’évaporateur et au condenseur, distances à respecter pour l’implantation du Groupe et des accessoires hydrauliques, niveau sonore des différents constituants, … Les catalogues constructeurs proposent des ensembles complets construits et testés en usine. Ces ensembles sont constitués d’un ou plusieurs compresseurs, un condenseur à air ou à eau recyclée, un détendeur, un évaporateur et tous les accessoires frigorifiques y compris le coffret électrique de commande. Les croquis ci-dessous présentent les groupes à condensation par air (figure 5.26) ou par eau (figure 5.27). Lors de l’achat du groupe, pour des raisons de souplesse d’exploitation, il est souvent préférable de fractionner la puissance totale requise sur plusieurs groupes identiques (en général deux ou trois) qui seront montés en parallèle sur le réseau d’eau glacée.

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Figure 5.26 Groupe de condensation par air

Figure 5.27 Groupe de condensation par eau

5.6.5 Compresseurs Les centrales à eau glacée de grandes puissances (hôtels, banques,…) installées en Afrique sont généralement équipées de compresseurs à piston de type ouvert ou de compresseurs centrifuges. Ces technologies ont fait leurs preuves sur de nombreuses installations qui fonctionnent depuis plus de vingt ans.

Figure 5.28 Compresseur à pistons

Figure 5.29 Compresseur centrifuge

Les compresseurs à vis, bien que très performants, ont été utilisés sur quelques installations très récentes qui malheureusement sont à l’arrêt aujourd’hui, faute d'une maintenance adéquate (grande sensibilité à la présence d'huile par exemple). Donc en ce qui concerne les compresseurs pour les centrales de climatisation, nous suggérons :

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◊ Soit le choix des technologies rustiques (compresseurs centrifuges ou alternatifs à pistons), ◊ Soit des compresseurs à vis en demandant toujours au fabriquant de les tester à l’usine et

en prévoyant une formation du personnel d'exploitation.

Remarque : Lorsqu’on parle des compresseurs BP, MP et HP. Il s’agit de compresseur fonctionnant à des pressions d’évaporation dont la température de vapeur saturante est de :

◊ Pour les compresseurs Basse Pression (BP) : -40 à -15°C, ◊ Pour les compresseurs Moyenne Pression (MP) : -15 à -5°C, ◊ Pour les compresseurs Haute Pression (HP) : -5 à +10°C.

5.6.6 Condenseurs et tours de refroidissement

Les centrales à eau glacée sont généralement équipées de condenseurs évaporatifs ou de condenseurs à eau recyclée dans une tour de refroidissement. Certaines installations comportent deux tours de refroidissement montées en parallèle, chacune des tours pouvant assurer les deux tiers de la charge calorifique à évacuer par l’installation. Une telle disposition facilite les opérations de maintenance. Par ailleurs, on constate que les condenseurs évaporatifs sont très efficaces pour les zones humides (régions côtières), tandis que les tours de refroidissement fonctionnent mieux dans les régions chaudes et sèches (zone sahélienne). L’entretien des tours de refroidissement et le détartrage du condenseur multitubulaire représentent une préoccupation permanente pour les exploitants de ces unités, tout particulièrement pour les tours ouvertes qu'il est recommandé d’éviter.

♦ Emplacement

Le technicien veillera à ce que la tour soient placée à l'ombre et dans une zone bien aérée afin d’éviter le recyclage d’air chaud.

5.6.7 Evaporateurs Ils sont généralement du type multitubulaires à eau, reliés à des pompes à eau glacée alimentant les caissons de traitement d’air et le ventilo-convecteurs. Les principaux problèmes d’exploitation rencontrés sur les boucles frigorifiques comportant les évaporateurs multitubulaires sont les suivants :

◊ Mauvais contrôle de la température d’eau glacée et du calorifugeage des tuyauteries d’eau glacée (coquilles de polystyrène pour les gros diamètres, armaflex pour les petits diamètres) généralement insuffisant, ce qui entraîne des écoulements de condensats qui affectent les plafonds en contre-plaqué ou parfois en staff

◊ Corrosion provoquant des piqûres sur le circuit d’eau glacée (fuites, déséquilibrage des circuits,…)

◊ Entartrage des tuyauteries d’eau glacée (mauvaise alimentation des ventilo-convecteurs)

Page 129: Efficacite Energetique Iepf Tome1 Bilans Thermiques

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123

Figure 5.30 Condenseur à air

Figure 5.31 Tour de refroidissement 5.7 LE CIRCUIT AERAULIQUE 5.7.1 Tracé des conduits En climatisation centralisée, il existe en général trois types de gaines technique : une gaine de soufflage, une gaine de reprise et gaine d’extraction sanitaire. Le faux-plafond servira au cheminement horizontal des gaines et à la mise en place des équipements terminaux. Seul l’air à extraire par les sanitaires transitera sous les portes vers les circulations. 5.7.1.1 Tracé unifilaire Les points de passage clés des circuits doivent être définis avec l’Architecte. Il s’agit des points suivants : emplacement de la prise d’air neuf, emplacement des rejets d’air vicié, emplacement de la centrale de traitement, implantation des diffuseurs et des bouches de reprise. Les points de passage étant définis, on dessinera un schéma unifilaire (si possible en perspective) sur lequel chaque tronçon et chaque singularité seront repérés. On y reportera les valeurs maximales des débits, les températures correspondantes, les vitesses et les dimensions des conduits. On notera tous les points délicats pour lesquels il faudrait une étude détaillée des pièces de raccordement. Tant que possible, les conduits principaux chemineront parallèlement aux poutres maîtresses du bâtiment, les branches étant de préférence perpendiculaires. 5.7.1.2 Dessin du réseau Le réseau sera tracé à partir du schéma unifilaire. On prendra soin d’éviter les turbulences dans le réseau. Chaque pièce du circuit sera définie et numérotée, et conservera son numéro jusqu’au montage. Un local technique sera prévu. On veillera à l’accessibilité des registres de réglage de débit,

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des clapets coupe-feu, des équipements terminaux, des trappes de visites et de nettoyage des gaines. On pensera aussi à l’évacuation des condensats des batteries froides.

5.7.2 Choix des conduits Les conduits seront généralement rectangulaires ou circulaires. On distingue :

◊ Les conduits maçonnés (en staff), section souvent rectangulaire, ◊ Les conduits en tôles d’acier ou d’alliages légers rigides, de section circulaire ou

rectangulaire, ◊ Les conduits métalliques souples (section souvent circulaire), ◊ Les conduits constitués de panneaux isolants (section rectangulaire), ◊ Les conduits textiles, ◊ Les conduits plastiques, ◊ Les panneaux de fibre de verre, ◊ Le contre-plaqué.

Pour choisir un type de conduit, on tiendra compte de son encombrement et des coûts d’installation et d’exploitation, mais aussi de l'environnement climatique. En Afrique, les gaines sont généralement réalisées en staff, matériau à faible coût et disponible localement. La réalisation, toutes fournitures comprises, des gaines en staff coûte, selon les pays, entre 8 000 et 15 000 F CFA TTC le m² (prix Juin 2000). Qu’elles soient en staff ou en tôles, les gaines ne sont pratiquement jamais nettoyées (décontamination,…). Dans certains réseaux réalisés avec des gaines en tôles importées, on rencontre quelques fois des accessoires d’équilibrage et de sécurité (clapets coupe-feu,…), ce qui n’est pas souvent le cas pour des installations locales réalisées en staff. Les dispositifs d’équilibrage et de sécurité sont d’ailleurs parfois démontés par des sociétés d’entretien non qualifiées qui estiment que ces constituants encombrent le réseau… ♦ Climat tropical humide

Les gaines en tôle doivent être utilisées, plus spécialement la tôle galvanisée, car elle possède une bonne tenue à la corrosion. Ces gaines doivent être isolées pour éviter des risques de condensation. Cette isolation peut être faite avec 50 mm de laine de verre pour les gaines de soufflage et 25 mm pour les gaines de reprises ; l’isolant doit comporter une couche d’étanchéité sur sa face extérieure (aluminium, Néoprène, polyvinyle, etc.) jouant le rôle d’écran pare vapeur. Les gaines en contre-plaqué peuvent être utilisées à condition de le choisir en qualité marine. Il est fortement recommandé de les isoler pour éviter les phénomènes de condensation. L’emploi des gaines en contre-plaqué est peu fréquent et réservé surtout aux gaines de faible section et de petite longueur pour des raisons de coûts par rapport aux gaines en tôle de dimensions identiques.

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125

Les panneaux préfabriqués de fibre de verre ou laine de verre rigide sont fortement déconseillés pour le réseau aéraulique en climat tropical humide car ils se détériorent après quelques années (3 à 5 ans) suite à l’humidification de la laine (humidité relative de l’air trop élevée 80 à 100%).

♦ Climat sahélien

L’emploi des gaines en tôle et les panneaux de fibre de verre et contre-plaqué conviennent avec l’environnement climatique. Les pertes de charge sont importantes avec les fibres de verre ; mais elles ont l’avantage de ne pas générer des bruits (isolation acoustique).

5.7.3 Calcul des pertes de charge On distingue deux types de pertes de charges :

◊ Les pertes de charges linéaires, ◊ Les pertes de charges singulières.

5.7.3.1 Pertes de charges linéaires Elles sont uniformément réparties le long des conduits rectilignes

◊ Conduits lisses de section circulaire :

Perte de charge ∆ Pl : ∆ Pl = j . L

• j : perte de charge unitaire (en Pa/m) • L : longueur du conduit (en m)

La perte de charge unitaire j est obtenue sur le diagramme des pertes de charges (voir figure 5.32 à la page suivante).

◊ Conduits métalliques lisses de section rectangulaire : Le diamètre équivalent d’un conduit rectangulaire correspond au diamètre du conduit circulaire de même rugosité qui engendre la même perte de charge pour un débit volume identique.

Diamètre équivalent : φe = 1.265 [ a³. b³ / (a + b)]º·²

5.7.3.2 Pertes de charges singulières Ce sont les pertes de charges dans les autres parties du circuit en dehors des parties rectilignes.

∆ Ps = ( ζ . ρ . V ²) / ( 2 . j)

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• ρ : masse volumique de l’air (en kg / m³), • V : vitesse de l’air (en m / s), • ζ : coefficient de pertes de charges.

Le tableau 5.6 (voir plus loin) fournit les valeurs de ζ pour quelques singularités fréquentes.

Figure 5.32 Pertes de charge pour l’air dans les conduits métalliques circulaires pour une température de 20°C (source: "COSTIC")

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Tableau 5.6 Pertes de charges singulières dans les conduits d’air (Source: «COSTIC«)

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LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------

128

5.7.4 Dimensionnement des conduits Pour concevoir et dimensionner un réseau de gaine dans un bâtiment, il est nécessaire de suivre la procédure suivante :

◊ Les bouches de soufflages et de reprises doivent être positionnées sur le plan des locaux en fonction de leur utilisation, de leur forme, de leurs dimensions, des débits d’air soufflés et des contraintes du maître d’ouvrage,

◊ Faire le tracer unifilaire du réseau de gaine en implantation. Dans ce cas, on doit tenir compte des bouches qui ont été positionnés, de l’emplacement choisi pour le climatiseur et les possibilités de passage des gaines (poutre, poteaux, etc..),

◊ Après avoir calculé les débits d’air véhiculés qui sont en général proportionnels à la répartition du bilan thermique dans chaque local, on peut procéder aux dimensionnement du réseau de gaine.

Il existe trois méthodes généralement employées pour le calcul du réseau de gaine, à savoir : la méthode de la vitesse, de l’égalité de frottement et de regain de pression statique. Le choix d’une méthode d’étude dépend de la dimension du réseau. Il est conseillé d’utiliser :

◊ La méthode de la vitesse pour les petits réseaux ou des installations ne comportant pas plus de trois ou quatre bouches (boutiques, bureaux, usages domestiques),

◊ La méthode d’égalité de frottement pour les immeubles et les réseaux moyens, ◊ La méthode de regain de pression statique pour des réseaux importants à vitesse élevée.

Quelle que soit la méthode utilisée, les différents paramètres qui entrent dans le calcul des gaines sont : le débit, la pression, les pertes de charge et la vitesse. Les vitesses d’air recommandées au départ des réseaux de gaines de soufflage en fonction des applications sont présentés dans le tableau 5.7.

◊ Quelle que soit la méthode choisie, il est conseillé de réduire les pertes de charge lors de la conception du réseau et du choix des matériaux pour réduire la puissance du ventilateur, et par conséquence sa consommation électrique.

Application Gaines en tôle

Vitesse [m/s] Gaine en fibre de verre

Vitesse [m/s] Appartement de luxe, bureaux privés de direction Hôpital, salle d’opération Appartements, bureaux Bibliothèque, laboratoire, magasin Théâtre, cinéma Restaurant, cafétéria, banque, lieux publics Banque, lieux publics Grands ensembles, magasins Applications industrielles

3 3 4 4 5 6 6 8

8 - 10

3,5 3,5 4,5 4,5 5,5

6 - 7 6 - 7

Tableau 5.7 : Vitesse d’air recommandée dans les réseau de gaine de conditionnement d’air

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5.7.4.1 Méthode du choix des vitesses La section du conduit à installer est déterminée à partir de la relation suivante :

S = D / V • D = débit-volume (en m³/s), • V = vitesse moyenne de l’air (m/s).

On calcule ensuite le diamètre du conduit (section circulaire) ou ses dimensions (section rectangulaire). Cette méthode présente l’avantage d’être simple mais le choix de la vitesse dans chaque tronçon conduit à accepter par avance les pertes de charges conséquentes, d’où la nécessité de prévoir des actions ultérieures pour un équilibrage aéraulique complet du réseau. 5.7.4.2 Méthode du choix de la perte de charge L’objectif ici est de choisir pour chaque branche donnée un diamètre permettant d’obtenir une perte de charge correspondant exactement à la pression dynamique disponible, ce qui permet de concevoir une installation équilibrée. ♦ Méthode de calcul

◊ La pression à l’entrée de la branche est connue (Pe), ◊ On connaît la longueur de la branche et la nature des singularités, ◊ On calcule la longueur équivalente de la branche (Leq), ◊ Si la branche comporte des dérivations, on étudie le trajet vers la branche la plus

défavorable, c’est-à-dire celle qui présente une longueur équivalente maximale, ◊ On calcule ensuite la perte de charge unitaire de la branche ( j = Pe / Leq), ◊ On choisit dans le diagramme des pertes de charge, pour chaque tronçon, le diamètre

permettant d’obtenir la perte de charge unitaire calculée, ◊ Si le conduit est rectangulaire, on choisira les dimensions qui correspondent au diamètre

équivalent obtenu, ◊ Lorsque le dimensionnement est effectué par cette méthode, il est toutefois recommandé

de prévoir quelques organes d’équilibrage à chaque dérivation importante de l’installation.

5.7.4.3 Méthode de calcul par récupération de la pression dynamique Cette méthode ne s’applique qu’aux circuits de soufflage et pour des vitesses élevées en tête de circuit. La méthode de calcul consiste à choisir des sections de conduits de manière à compenser les pertes de charges totales du circuit.

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5.7.5 Equipements terminaux (diffuseurs et grilles)

Figure 5.33 Différents types de diffuseurs On distingue différents types de diffuseurs de soufflage (de gauche à droite) : diffuseur plafonnier multicône carré, diffuseur plafonnier à jet hélicoïdal, plafonnier perforé, diffuseur linéaire, buse de soufflage, grille murale à double déflecteur, bouche de sol. 5.7.6 Equilibrage L’équilibrage permet d’assurer à chaque bouche le débit nécessaire.

Implantation Vitesses [en m/s]

Sous les portes 1 - 1,5 Grilles de porte 1,5 - 2 Bouches murales en position basse, près des occupants

2,5 - 3,5

Bouches murales dans la zone occupée, loin des occupants

3,5 - 4,5

Au-dessus de la zone d’occupation 4.5 Tableau 5.8 Vitesses recommandées dans les organes de reprise et de transfert

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-------------------- LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE

131

Lorsqu’on modifie un circuit où lorsqu’on souhaite rattraper des erreurs de dimensionnement du réseau, on utilise les organes d’équilibrage. Il existe de nombreux organes d’équilibrage parmi lesquels on peut citer : les volets, les clapets gonflables, les diaphragmes, les clapets à iris, les clapets à papillon,… L’équilibrage doit s’effectuer à trois niveaux : au niveau des bouches, au niveau des conduits secondaires et au niveau des conduits principaux. Pour chacun des niveaux, les outils d’équilibrage seront différents. Le tableau 5.9 fournit quelques valeurs indicatives (basées sur l’expérience) des performances des principales bouches d’air utilisées en climatisation.

Dispositif de soufflage utilisé en

refroidissement

Débit d’air soufflé

[m³/h par m² de plancher]

Charge sensible

maximum[W/m²]

Taux de brassage max.

(hauteur de local de 3 m) [Volume/h]

Ecart de température max. entre ambiance et

soufflage [°C]

Vr moyenne

[m/s]

Grilles (1) 11 à 21 57 7 8 0.125 - 0.175

Bouches linéaires (2) 14 à 36 98 12 8 0.100 - 0.175

Diffuseurs plafond (3) 16 à 90 330 30 11 0.100 - 0.250

Plafonds perforés 18 à 180 670 60 11 0.005 - 0.150

(1) : disposés au mur, en allège ou au sol (2) : grilles ou diffuseurs, disposés au mur ou en plafond (3) : circulaires ou carrés, disposés au plafond

Tableau 5.9 Performances indicatives des bouches d’air utilisées en climatisation 5.7.7 Choix des ventilateurs Les ventilateurs représentent l’une des principales sources de consommation d’électricité dans les installations de climatisation. Ils doivent donc être choisis avec beaucoup de précautions. On doit particulièrement veiller à la position et au déplacement de leurs points de fonctionnement. On évitera surtout de surdimensionner les moteurs électriques qui équipent les ventilateurs. On rencontre en général quatre types de ventilateurs sur les installations de climatisation :

◊ Les ventilateurs centrifuges à aubes inclinées vers l’arrière (à réaction), ◊ Les ventilateurs centrifuges à aubes inclinées vers l’avant (action), ◊ Les ventilateurs à aubes radiales, ◊ Les ventilateurs hélicoïdes.

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LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------

132

Le tableau 5.10 présente une analyse comparative des performances des ventilateurs centrifuges.

Critères de comparaison

Ventilateur à action Ventilateur à réaction

Variation du débit lorsque la résistance du circuit varie forte faible

Variation du gain de pression lorsque le débit du circuit varie faible forte

Vitesse de rotation possible faible (résistance mécanique des aubes limitée)

forte (résistance mécanique des aubes élevée)

Gain de pression possible moyen élevé

Puissance absorbée augmente avec le débit augmente avec le débit, puis décroît après un maximum

Rendement 60 - 75 % 75 - 85 %

Niveau sonore modéré élevé

Tableau 5.10 Performances comparées des ventilateurs à action et à réaction 5.8 LE CIRCUIT HYDRAULIQUE L’eau glacée produite dans les centrales de climatisation (salle de machines) doit alimenter les ventilo-convecteurs situés dans les différents locaux par un système de tuyauteries. 5.8.1 Régime de température Dans un circuit d’eau glacée, si la température de départ est trop basse, cela pourrait provoquer une surconsommation, d’importantes pertes en ligne et des problèmes de régulation. Un régime de température légèrement élevé pourrait réduire les condensations coûteuses en ligne et dans les unités terminales. 5.8.2 Configuration du réseau Pour ces réseaux hydrauliques, il existe trois types de systèmes :

◊ Le système à deux tuyauteries : une conduite sert à l’alimentation des ventilo-convecteurs en eau glacée et l’autre de retour à la centrale de climatisation,

◊ Le système à trois tuyaux : deux tuyaux amènent de l’eau à chaque ventilo-convecteur, l’un véhicule l’eau froide et l’autre de l’eau chaude, un troisième sert de retour commun. Ce

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133

système est applicable aux immeubles dont les locaux sont tantôt dans l’ombre tantôt au soleil et présentant plusieurs orientations,

◊ Le système à quatre tuyaux : deux circuits hydrauliques sont utilisés ; l’un pour l’eau chaude et l’autre pour l’eau froide. Les ventilo-convecteurs comportent deux batteries (chaude et froide) ; chaque circuit comporte une tuyauterie aller et retour.

Type de réseau hydraulique

Avantages Inconvénients Adaptabilité en Afrique tropical

Système à deux tuyaux

Simple et peu coûteux Encombrement réduit

- manque de flexibilité - régulation centrale - Inertie du système au moment de

l’inversion - non simultanéité entre le froid et le

chaud

Adaptable en Afrique tropical - Pas besoin de

chauffage

Système à trois tuyaux

Disponibilité : chauffage et le refroidissement suivant les besoins

- pertes d’énergie par suite de mélange du médium chauffant et réfrigérant

- coûts des tuyauteries élevés

A proscrire : gaspillage énergétique important

Système à quatre tuyaux

- Régulation individuelle et simple

- Aucun zoning à prévoir - Perte d’énergie moindre par

rapport au système à trois tuyaux

- réseau de tuyauteries important pour l’eau chaude, froide et condensats ;

- système très onéreux

A proscrire : - trop onéreux - trop énergivore

Tableau 5.11 Critiques des différents systèmes de réseau hydrauliques 5.8.3 Choix des tuyauteries Les différents types de conduites utilisées sont :

◊ Le polychlorure de vinyle. Il est très apprécié à cause de sa qualité (conduite sans soudure) mais il coûte très chers et est généralement importé,

◊ Les conduites en cuivre. Elles sont de bonne qualité mais onéreuses, ◊ Les conduites en acier noir. Elles sont généralement utilisées à cause de son prix

acceptable et variable avec la qualité. De ces trois types de tuyauteries, nous conseillons d’utiliser les conduites en acier noirs tarif 2 ou 3 (bonne qualité) dont le coût est acceptable dans notre environnement socio-économique. Cependant, ces types de conduites posent régulièrement les problèmes de corrosion qui devraient être résolus par des inhibiteurs de corrosion à base de nitrite, de chromate ou d’hydrazine qui forment un film protecteur sur les surfaces métalliques propres. Ces systèmes doivent être munis d’un filtre à cartouche installé en série sur une pompe de circulation. Ce filtre retient les matières en suspension et les micro-organismes qui amènent généralement des problèmes quant au contrôle de la corrosion.

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LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------

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5.8.4 Dimensions des conduites Le tableau 5.12 fournit les vitesses à adopter pour le calcul des diamètres des tuyauteries d’eau glacée.

Tube acier DN φext

(mm) Sous-sol Etage Monotube Réseau de chaleur

V [m/s]

V [m/s]

V [m/s]

V [m/s]

12 15 20 25 32

17.2 21.3 26.9 33.7 42.4

0.45 0.55 0.70 0.80 0.90

0.45 0.55 0.70 0.80 0.90

0.65 0.75 0.85 1.00 1.20

40 50 65 80 90

48.3 60.3 76.1 88.9 101.6

0.95 1.1 1.3 1.4 1.5

0.95 1.0 1.1 1.2 1.2

100 125 150 175 200

14.3 139.7 168.3 193.7 219.1

1.5 1.5

1.21 1.21

1.9 2.0 2.05

225 250 300 350 400

244.5 273

323.9 355.6 406.4

2.1 2.2 2.3 2.4 2.8

Tube cuivre

φInt φext (mm)

Sous-sol Etage Monotube Réseau de chaleur

10 12 14 16 18 20

12 14 16 18 20 22

0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70

0.70 0.75 0.80 0.90 1.00

Tableau 5.12 Vitesses maximales recommandées dans les circuits hydrauliques à circulation permanente

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-------------------- LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE

135

5.8.5 Régulation hydraulique Pour faire varier la puissance de l’installation, on peut agir sur les paramètres suivants :

◊ le débit d’eau glacée (utilisation d’un robinet à deux ou trois voies), ◊ la température d’entrée de l’eau.

5.8.6 Pertes de charges Dans l’ensemble, les pertes de charge varient approximativement avec le carré du débit :

P = k . De ² 5.8.5.1 Pertes de charges linéaires Perte de charge linéaire (∆ Pl):

∆ Pl = j . L

• j = perte de charge unitaire (en Pa / m) • L = longueur du conduit ( en m)

La figure 5.34 permet d’obtenir les valeurs de pertes de charges unitaires sur les circuits d’eau glacée.

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LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------

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Figure 5.34 Pertes de charge unitaires pour les circuits d’eau glacée dans les tubes acier et les tubes cuivre [source: "COSTIC"]

5.8.5.2 Pertes de charges singulières On distinguera deux types de singularités :

◊ Les coudes, les passages directs, les tés…

∆ Ps1 = 0.5 .ζ . ρ . V ²

• ρ = masse volumique de l’eau (en kg / m³) • V = vitesse moyenne de l’eau (en m / s) • ζ = coefficient de pertes de charges

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137

Le tableau 5.13 fournit les valeurs de ζ les plus utiles.

Tableau 5.13 Coefficients de pertes de charge singulières (circuits hydrauliques)

∆Ps1 est estimé à 15 % en distribution et à 30 % de ∆P1 en local technique.

◊ Les singularités dus aux équipements divers (échangeurs, robinets à soupapes, compteur…) dont les pertes de charges sont obtenues à partir des catalogues constructeurs.

5.8.7 Equilibrage du réseau L’équilibrage peut être réalisé sur un seul niveau, en sortie des émetteurs, pour de petites installations. Pour des installations plus importantes, la distribution comportera plusieurs niveaux de sectionnement et d’équilibrage. Le défaut d’équilibrage est très fréquent sur les distributions d’eau. Un mauvais équilibrage provoque des troubles de fonctionnement et une consommation excessive d’énergie. 5.8.8 Les pompes hydrauliques Le point de fonctionnement d’une pompe hydraulique est le couple débit / pression sur lequel elle se positionne pour un circuit donné. Pour choisir une pompe, on doit définir les paramètres suivants : Hauteur manométrique totale, débit, pression de service, mode de raccordement, nature et température du fluide, mode de variation du débit, allure de la courbe caractéristique, capacité d’aspiration… le

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réglage du débit d’une pompe peut se faire par les méthodes suivantes : variation de la vitesse de rotation, changement de turbine, bridage au refoulement et mise en place de bipasse. 5.9 ACOUSTIQUE Une installation de climatisation peut générer des nuisances acoustiques si des dispositions adéquates ne sont pas prises dès sa conception (voir chapitre 3). En matière de bruit, presque tous les constituants d’une installation de climatisation ont un double rôle totalement opposé : d’une part ils sont sources de bruit, et d’autre part ils sont atténuateurs de bruits. Pour chacun des constituants, on se rend compte que le bruit est produit dans un spectre donné, le spectre d’atténuation existant en général sur une autre gamme de fréquence. Composants générateurs de bruits :

◊ Ventilateurs : on remarque que le bruit élis par un ventilateur est le plus faible lorsqu’il fonctionne à son point de rendement maximal,

◊ Silencieux à absorption : le bruit dégagé par ce constituant est fonction de la vitesse de l’air et de l’écartement de ses baffles,

◊ Conduits aérauliques, ◊ Diffuseurs de soufflage et bouches de reprises.

Composants atténuateurs de bruits :

◊ Centrale de traitement d’air (hormis les ventilateurs) ◊ Conduits aérauliques ( leur isolation atténue le bruit) ◊ Les bouches de soufflage et de reprise ◊ Les silencieux

La figure 5.37 présente quelques dispositions à prendre pour éviter la propagation des bruits dans un local technique. 5.10 PROTECTION ET SECURITE INCENDIE Les dispositions de protection et de sécurité incendie (signalisation, types d’extincteurs, bornes incendie, sorties secours,…) doivent toujours être prises en parfait accord avec les services compétents (sapeurs pompiers). Lorsqu’on réalise une installation de climatisation, on doit éviter que le feu ne puisse par exemple se propager par les réseaux de gaines. En ce qui concerne leur résistance au feu, les matériaux sont classés en trois catégories : éléments stables, éléments pare-flammes et éléments coupe-feu.

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-------------------- LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE

139

Figure 5.35 Support antivibratile

Figure 5.37 Protection contre des bruits émis d’un local technique

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LE CHOIX DE LA CLIMATISATION CENTRALISEE --------------------

140

Dans les réseaux de gaines, on doit installer au niveau des passages entre différents locaux, des clapets coupe feu équipés de déclencheurs thermiques qui ferment automatiquement les clapets dès que la température atteint 70 à 72 °C. Pour des incendies qui évoluent lentement sans dégagement de chaleur mais avec un grand dégagement de fumée (incendies de matériels électriques), on équipe les clapets coupe-feu de servomoteurs électriques ou électropneumatique dont la commande s’effectue à partir de détecteurs de fumée. BIBLIOGRAPHIE

[1] AICVF, Conception des installations de climatisation et de conditionnement d’air. Tertiaire et Industrie, Collection des guides de l’AICVF, Guide N° 10, PYC Editions, Première Edition, 1999.

[2] REINMUTH F., Climatisation et Conditionnement d’air, Tome 1, Les Calculs, traduit de l’allemand par Jean-Louis Cauchepin, PYC Editions, 1999.

[3] REINMUTH F., Climatisation et Conditionnement d’air, Tome 2, Le choix d’un système, traduit de l’allemand par Jean-Louis Cauchepin, PYC Editions, 1999.

[4] PALENZUELA D., HOFFMANN J.B., COSTIC, EFD, Diffusion de l’air en climatisation individuelle.

[5] AICVF, Guides de l’AICVF N°4 : Aéraulique - Principes de l’aéraulique appliqués au génie climatique, PYC Editions, 1991.

[6] AICVF, Guides de l’AICVF N°5 : Ventilation - Conception et calcul des installations de ventilation des bâtiments et des ouvrages, PYC Editions, 1992.

[7] BRUN M. et PORCHER G., Conception et calcul des procédés de climatisation, Les Editions Parisiennes Chaud-Froid-Plomberie, 4e Edition.

[8] CARRIER, Carrier Formation : Description des installations les plus courantes – Technique de la climatisation individuelle, Carrier S.A., 1995.

[9] CARRIER, Carrier Formation : Diffusion de l’air dans les locaux (principes, composants, applications) - Systèmes de conditionnement d’air, Carrier S.A., 1992.

[10] CARRIER, Carrier : Technical Development Program - Ventilateurs centrifuges et analyse des systèmes de ventilation (Théorie, lois des ventilateurs, applications), Carrier S.A ., 1993.

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-------------------- LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES

141

CHAPITRE 6

LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES

INTRODUCTION ............................................................................................................................... 142 6.1 LES EXIGENCES DU CONFORT THERMIQUE EN LIAISON AVEC LES

ECONOMIES D'ENERGIE..................................................................................................... 142 6.1.1 Température et humidité de l'air intérieur.........................................................................................143 6.1.2 Vitesse et qualité de l'air ...................................................................................................................144 6.1.3 Taux de renouvellement d'air et coefficient de perméabilité .............................................................144 6.1.4 Rayonnement des parois ...................................................................................................................146 6.1.5 Rayonnement solaire piégé à l’intérieur des locaux..........................................................................147 6.1.6 Taux d’occupation des locaux ..........................................................................................................150

6.2 CRITERES DE PERFORMANCE TECHNIQUE DES BATIMENTS............................... 151 6.2.1 Enveloppe d’un bâtiment climatisé...................................................................................................151 6.2.2 Inertie des bâtiments .........................................................................................................................153 6.2.3 Isolation thermique ...........................................................................................................................154 6.2.4 Vitrage et protection solaire..............................................................................................................157 6.2.5 Eclairage artificiel.............................................................................................................................159

6.3 RATIOS DE CONSOMMATION ENERGETIQUE............................................................. 162 6.3.1 Critères de performance du bâtiment ................................................................................................162 6.3.2 Ratios de consommation d’énergie dans le bâtiment ........................................................................165

LISTE DES SYMBOLES.................................................................................................................... 166 BIBLIOGRAPHIE............................................................................................................................... 167

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LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------

142

INTRODUCTION Le concepteur d'une installation de climatisation est souvent confronté à devoir dimensionner une installation très énergivore, suite aux choix faits au niveau de l'enveloppe du bâtiment. Il regrette alors de ne pas avoir pu intervenir plus tôt auprès de l'architecte… L'objet de ce chapitre est de mettre en évidence les éléments de la conception qui permettront de limiter les consommations du bâtiment durant toute sa durée de vie. Attention Les critères de qualité repris ci-après concernent les bâtiments climatisés. Ils peuvent être différents si dès le départ on a choisi de ne pas climatiser le bâtiment et de favoriser sa ventilation naturelle. 6.1 LES EXIGENCES DU CONFORT THERMIQUE EN LIAISON AVEC LES

ECONOMIES D'ENERGIE. Le confort thermique est défini comme la situation où l'individu ne ressent ni chaleur ni froid. C'est un état d'équilibre difficile à atteindre pour des raisons à la fois subjectives et objectives.

◊ Raisons subjectives : le confort thermique dépend des individus (age, sexe, situation géographique..). Il dépend aussi de l'activité de l'individu (état de repos, sport, travail...)

◊ Raisons objectives : le confort thermique dépend des paramètres météorologiques du moment et du lieu que sont la température, l'humidité de l'air, le vent le rayonnement des corps...

On s'accorde pour définir une plage où la valeur moyenne des paramètres température, humidité et vitesse de l'air sont telles que la moyenne des personnes éprouve une sensation de bien être. Plusieurs plages ou zones de ce type sont ainsi proposées par la documentation. Ces zones sont malheureusement trop souvent en rapport avec le confort thermique dans les pays occidentaux. Celle que nous proposons ici est tirée des travaux de GIVONI et MILNE [ 8 ]. Ces auteurs proposent des limites aux paramètres de confort thermique, humidité et température pour les régions tropicales chaudes humides et sèches.

Les températures et humidités de confort ainsi proposées sont :

20°C < Température < 27°C 20 % < Humidité < 80 %

Le croquis ci-dessous de la figure 6.1 donne avec plus de précision ces limites

Le choix d'une zone de confort n'est pas sans conséquences sur les charges frigorifiques et par conséquent sur la consommation énergétique du bâtiment. Chaque fois que la climatisation artificielle

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143

est sollicitée, l'atmosphère concernée est initialement hors de la zone de confort et la climatisation consistera à l'y ramener.

En retenant une température de consigne de climatisation de 24°C avec une humidité de 50 %, on choisit de façon implicite des charges frigorifiques élevées que l'installation devra supporter. Une consigne flottante entre 24° et 27°, régulée en fonction de la température extérieure permet, par exemple, des économies importantes. De plus, elle permet de diminuer le choc thermique à l’entrée du bâtiment.

Figure 6.1 Zone de confort et types de climat

6.1.1 Température et humidité de l'air intérieur

Pour climatiser un local, il faut ramener sa température et quelques fois son humidité à une valeur demandée par l'utilisateur. L'air de climatisation est refroidi sur des batteries froides et soufflé dans le local à climatiser à une température dite de soufflage bien en dessous de la température de consigne. Les apports calorifiques sensibles et latents du local vont ramener cet air dans les conditions initiales.

Les températures et humidités de consigne ne sont pas données au degré près. Une marge d'erreur de 1 ou 2°C est tolérable.

Une installation de climatisation de 10 kW fonctionnant entre les températures de saturation de 40 et –10°C voit son Coefficient de performance diminuer de 3% quand la température du milieu à climatiser diminue de 1°C

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LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------

144

6.1.2 Vitesse et qualité de l'air

La vitesse de l'air joue un rôle important dans la sensation de confort ressenti par les individus. A température et humidité égale, c'est la vitesse de l'air qui régule les flux de chaleur entre le corps et le milieu ambiant. L'effet de la vitesse de l'air n'est sensible au niveau de l'individu qu'à parti de 0,2 m/s. Les températures limites ci-après sont à retenir en ventilation interne.

Vitesse = 0,2 m/s début sensation du vent par les individus Vitesse = 1,5 m/s vitesse moyenne conseillée dans les locaux Vitesse = 5 m/s début de l’inconfort absolu

La qualité de l’air quant à elle répond à d’autres critères. L'air d'une pièce est acceptable pour le confort d'hygiène quand le taux d'oxygène et de gaz carbonique est dans les proportions usuelles :

taux de O2 de 20,7 % taux de CO2 de 0,03 %

Le maintien de la qualité de l'air est essentiel à la fois pour le confort et la santé des personnes. L'extraction des polluants est indispensable. Les polluants les plus fréquents dans une atmosphère polluée sont :

le gaz carbonique les odeurs les micro-organismes la vapeur d'eau

6.1.3 Taux de renouvellement d'air et coefficient de perméabilité

Le taux de renouvellement d'air d'un local est fonction de l'utilisation du local. Les normes proposent en moyenne un taux de renouvellement

qv = 30 m3/h/personne

Cette valeur correspond à un pourcentage d'insatisfaits de 20 % dans un échantillon de personnes placées dans l'atmosphère correspondante. Les impératifs d'économie d'énergie peuvent conduire à considérer des valeurs de taux de renouvellement inférieures à cette limite. On accroît corrélativement le taux d’insatisfaits tout en réduisant considérablement les charges frigorifiques.

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145

La réglementation en vigueur dans chaque pays fixe les taux de renouvellement d'air des locaux en fonction de leur destination. Le tableau 1.14 fournit des valeurs en fonction de l'utilisation du local. Dans la pratique courante une valeur de 20 m3/h est un bon compromis dans nos pays africains Il faut toutefois se rappeler que le renouvellement d'air dans un local est fait de deux manières différentes. L'un est provoqué et donc artificiel. C'est celui dont il est question ici dans ce paragraphe. Le second est naturel et difficile à contrôler, c'est le renouvellement d'air par infiltration par les ouvertures. Le renouvellement d'air provoqué, pour être efficace, doit tenir compte des infiltrations et des ouvertures et fermetures incessantes des portes et fenêtres. Le tableau 6.1 donne les débits d'air par infiltration.

Valeurs en m³/h de l'air d'infiltration pour 1 m.l de fente (1)

Vitesse du vent (2) Type de fenêtre Mode de construction

Matériau châssis�

≥ 10 km/h

15 km/h

25 km/h

33 km/h

40 km/h

50 km/h

Fenêtre à 2 vantaux (dite à la Française)

Courante Courante

Bois Métallique

0,7 2,0

2,0 4,5

3,5 7,0

5,5 10,0

7,5 13,0

10,0 15,5

Fenêtre à projection (dite à l'Australienne)

Courante Soignée

Acier Acier

1,5 1,3

3,5 3,0

6,0 4,8

8,0 7,0

10,0 9,0

13,0 11,5

Fenêtre pivotant verticalement Moyenne Métallique 2,8 8,0 13,0 17,0 21,0 22,0

(1) Supposé uniformément de 2 à 3 mm de large. (2) Arrivant perpendiculairement à la surface de la fenêtre. Lorsque le vent arrive obliquement (à au moins 30° de la

perpendiculaire) par rapport à la surface de la fenêtre on minore les valeurs ci-dessus de 30 %. Ces valeurs peuvent être minorées de 35 à 40 % en cas d'utilisation de joints aux fentes.

Tableau 6.1 Infiltrations d'air extérieur par les fenêtres

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Valeurs en m³/h de l'air d'infiltration pour 1 m.l de fente (1)

Vitesse du vent (2) Mode de construction�� ≥ 10 km/h

15 km/h

25 km/h

33 km/h

40 km/h

50 km/h

Porte en bois, châssis en bois ou métallique 5 7 10 15 19 24

Porte métallique, châssis métallique 18 36 55 72 90 110

(1) Supposé uniformément de 2 à 3 mm de large. (2) Arrivant perpendiculairement à la surface de la fenêtre. Lorsque le vent arrive obliquement (à au

moins 30° de la perpendiculaire) par rapport à la surface de la fenêtre on minore les valeurs ci-dessus de 30 %. Ces valeurs peuvent être minorées de 35 à 40 % en cas d'utilisation de joints aux fentes.

Tableau 6.2 Infiltrations d'air extérieur par les portes

Portes ordinaires en glace en menuiserie

Portes tournantes

[m³/h/m²] [m³/h/m²] [m³/h/m²] Magasins de détail (art. de grande consom.) 300 225 100 Magasins d'articles de luxe Petits ateliers (travaux de dépannage rapide) 60 40 29

Tableau 6.3 Infiltrations d'air extérieur par les portes

6.1.4 Rayonnement des parois

La température des murs et des parois environnantes influe sur la sensation de confort des individus. On peut être placé dans un milieu de température, d'humidité et de vitesse d'air convenables et être incommodé du fait de la température trop élevée des parois avoisinantes. De ce fait on retrouve une situation d'inconfort thermique.

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147

Figure 6.2 Rayonnement des parois et confort thermique

On estime en général qu'une différence de température de +3°C entre parois et air conditionné suffit à donner une impression de chaleur et donc d'inconfort.

On exprime la température ainsi ressentie par l'individu par une formulation donnée en fonction de la température sèche de l'air TR et de la température rayonnante des parois TS par :

TRS = 2

TT SR +

• TRS = la température résultante

6.1.5 Rayonnement solaire piégé à l’intérieur des locaux

Le rayonnement solaire tombant sur un édifice est soit absorbé, soit réfléchi soit transmis à l'intérieur de l'édifice selon la nature des parois. Lorsque les parois de l'édifice sont opaques, le rayonnement est soit réfléchi, soit absorbé.

La partie du rayonnement solaire absorbée par les parois contribue à augmenter les charges frigorifiques avec un déphasage dans le temps. Lorsque les parois sont transparentes, c’est le cas des ouvertures vitrées, le rayonnement est directement transmis à l'intérieur des locaux où il va être

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absorbé par les murs, le mobilier ou tout autre objet interne au local. Le rayonnement est très peu absorbé directement par l'air interne.

Figure 6.3 Gains solaires instantanés et retardés à travers les vitres L'effet de serre doit être évité dans les pays chauds où la tendance générale est de refroidir les locaux pour tendre vers le confort au contraire des climats tempérés où il est recherché. Les ouvertures à l'Est et à l'Ouest sont particulièrement efficaces pour faire de l'effet de serre et sont donc à proscrire quand on veut réduire la consommation énergétique d'un bâtiment.

Le croquis représenté par la figure 6.3 explique le processus par lequel le rayonnement transmis par une vitre est cédé à l'air de la salle climatisée en deux étapes.

Une partie de l'énergie calorifique transmise passe directement à l'air ambiant par convection sur les parois. Ce sont les apports calorifiques instantanés. Comme les murs et autres corps environnants ont une inertie thermique, une partie de l'énergie transmise est stockée dans ces murs et objets divers pour être restituée à l'air avec retardement. Ce sont les apports déphasés.

L'effet de serre peut être évité au moyen d'artifices architecturaux simples tels que les masques et autres dispositifs d'ombrage. Les auvents et rebords de fenêtre sont particulièrement efficaces à cet effet.

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149

Figure 6.4 Dispositifs d'ombrage pour réduire les apports solaires par les ouvertures

Dans la pratique les dispositifs d'ombrage sont de deux types, soit verticaux soient horizontaux. On trouve des dispositifs d'ombrage horizontaux contre le rayonnement du soleil lorsque celui-ci est haut dans le ciel : figure 6.4. Les dispositifs verticaux arrêtent le rayonnement rasant en général dans l'après-midi ou le matin. On trouve également des dispositifs mixtes. Lorsque le bâtiment existe déjà, les solutions pour arrêter le rayonnement sont limitées. On utilise alors les masques internes tels que les stores et les rideaux. Les stores ont l'avantage d'être placés soit à l'intérieur soit à l'extérieur du local. L'efficacité est maximale lorsque le store est placé à l'extérieur, ce qui évite au rayonnement de pénétrer l'immeuble.

Figure 6.5 Rectorat des Antilles et de la Guyane. Schoelcher (Martinique) [source:"C.Hauvette et J. Nouel"]

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LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------

150

Les rideaux au contraire doivent être placés à l'intérieur. Le rayonnement est de ce fait admis dans le local et les rideaux jouent le rôle d'un absorbeur solaire ou même d'un mur "trombe" suivant leur couleur et leur inertie. Lorsqu'ils sont de couleur claire, le rayonnement solaire est réfléchi par les rideaux et retransmis par la vitre vers l'extérieur. Tout dispositif avec rideau de couleur sombre est en réalité un capteur solaire plan à effet de serre dont l'efficacité de chauffage de l'air intérieur est élevée. 6.1.6 Taux d’occupation des locaux

L'occupation d'un local est fonction de l'utilisation ou de la destination du local. En règle générale, c'est l'insalubrité de l'air qui sera déterminante dans le choix des valeurs limites exprimées en individus au mètre carré.

Dans une salle de conférence par exemple, on peut avoir une densité élevée de personnes avec pour conséquence un excès d'apport calorifique et un taux de CO2 dépassant de loin les valeurs usuelles de 0,3 g par m³ et une humidité relativement élevée sans compter la concentration en odeurs.

Figure 6.6 Evolution du taux de CO2 dans une salle occupée. Source [ 4 ]

Locaux Débit [m³/h par personne]

Taux d'occupation [m² par personne]

Débit [m³/h par m²]

Salle de cours 15 1,5 10 Salle d’attente non-fumeur 18 3 6 Salle d’attente fumeur 25 3 8,5 Bureaux 25 Bibliothèque 25 12,5 2 Salle de réunion 18 1,5 12

Tableau 6.4 Taux d’occupation des salles : Administration. Source [21]

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151

6.2 CRITERES DE PERFORMANCE TECHNIQUE DES BATIMENTS

6.2.1 Enveloppe d’un bâtiment climatisé Un bâtiment échange avec trois sources de chaleur :

le soleil l'air ambiant externe la voûte céleste

Le soleil contribue toujours à élever la température moyenne de l'édifice. L'échange de chaleur avec l'air ambiant est soit favorable ou défavorable en terme d'apport suivant que cet air est plus chaud ou plus froid que celui des locaux. Celui avec la voûte céleste est en règle générale réalisé au détriment du bâtiment du fait que la température de la voûte céleste est presque toujours inférieure à celle des édifices.

Pour réduire les apports de chaleur dus au soleil et à l‘air ambiant, l'enveloppe du bâtiment doit être conçue en conséquence :

◊ Donner le moins de surface possible à la captation du rayonnement solaire et au transfert

par convection de la chaleur de l'atmosphère,

◊ Μinimiser la diffusion de l'énergie captée vers l'intérieur de l'édifice. La chaleur reçue par un bâtiment de surface totale S par absorption du rayonnement solaire est de la forme :

Qr = ε S Φs

• Φs est l'éclairement solaire arrivant sur le bâtiment et ε le coefficient d'absorption

des matériaux de revêtement de l'édifice.

Celle reçue par le même bâtiment de température moyenne de paroi extérieure Tpe par convection avec un air extérieur de température moyenne Te est de la forme

Qc = h S ( Te - Tpe)

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LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------

152

Comme on le constate, les deux chaleurs sont directement proportionnelles à la surface du bâtiment. Pour réduire la quantité de chaleur transmise à la paroi des édifices, le premier réflexe consiste à réduire la surface de captation offerte.

Figure 6.6 Compacité et forme de bâtiments économes en énergie Une enveloppe de bâtiment économique en énergie doit être compacte. La compacité d’un édifice est définie par son ratio surface sur volume ou coefficient de forme. Plus ce ratio est faible et plus l’édifice est dit compact. Voir figure 6.6. Pour minimiser la captation des chaleurs rayonnantes et convectives une enveloppe doit :

◊ Avoir une forme compacte offrant un rapport surface volume faible, ◊ Etre orienté dans le sens longitudinal Est-Ouest afin que les façades principales soient

orientées Nord-Sud, ◊ Avoir des masques de protection des façades afin de protéger les façades du

rayonnement direct. Ce sont les auvents, les rideaux, les stores, les vérandas, la végétation,

◊ Avoir des ouvertures en surface et nombre limité, ◊ Avoir des matériaux de revêtement externe clairs.

Pour réduire la transmission de la chaleur vers l'intérieur des locaux d'un bâtiment, on joue à la fois sur l'inertie et la conduction. La diffusion thermique dans un corps est en effet caractérisée par un coefficient dont l’expression prend en compte la conductivité et l’inertie thermiques

D = λ / ρ cv

D est la diffusivité thermique. Les coefficients de diffusivité de différents matériaux de construction sont donnés par le tableau 6.5

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153

Corps Béton Terre cuite

Tôle Mur de Brique

Bois Parpaing

Creux

Terre pressée

Laine deVerre

D *107 4,81 7,10 112 3,79 3,33 6,09 7,10 5,7

Tableau 6.5 Coefficient de diffusion de différents matériaux de construction en m2/s 6.2.2 Inertie des bâtiments Elle représente la capacité des corps à s'opposer au passage de la chaleur en la stockant sous forme de chaleur sensible. L'inertie est une fonction de la masse du corps et de sa chaleur massique. Le terme ρcv ci-dessus est l’inertie par unité de volume. Pour caractériser totalement l'inertie d'un corps il faut connaître sa chaleur massique cv et sa masse volumique ρ. Le tableau 6 du chapitre 1 donne ces propriétés physiques pour différents matériaux de construction. L'inertie d'un édifice est la somme des inerties des parties qui le composent. En pratique, on caractérise le bâtiment le plus souvent par sa masse par unité de surface à l'aide du coefficient α mesurant la masse par unité de surface couverte par le bâtiment. L’effet de l’inertie sur l’échauffement de l’édifice est un écrêtement des amplitudes de température interne avec un déphasage de celles-ci par rapport à celles de l’extérieur comme le montre la figure 6.7.

α < 75 kg/m² bâtiments légers 75 < α < 300 kg/m² bâtiments moyens 300 < α kg/m² bâtiments lourds

Figure 6.7 Déphasage et amortissement d’amplitude de la température des locaux

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LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------

154

6.2.3 Isolation thermique L'isolation thermique forme avec l'inertie thermique les deux paramètres qui définissent la diffusivité thermique. Suivant l'isolation ou la conductivité thermique du corps la chaleur est transmise plus ou moins vite, ou en plus ou moins grande quantité. L'isolation thermique est la résistance plus ou moins grande des matériaux à s'opposer au transfert de la chaleur. Par exemple, la brique laisse passer la chaleur plus facilement que le bois, qui lui-même est plus conducteur que la laine de verre. La chaleur transmise par conduction à travers un mur se note

Q = eSλ

(Tpe - Tpi)

• Tpe et Tpi sont les températures de paroi externe et de paroi interne du

mur de conductivité λ et d’épaisseur e.

L'épaisseur e, la surface S et la conductivité λ du mur déterminent la densité du flux de chaleur qui passe à travers ce mur. Selon la composition de l'enveloppe d'un bâtiment, une chaleur plus ou moins importante sera transmise. Le tableau 6.7 donne les conductivités thermiques des matériaux de construction usuels.

Dans la pratique, on s'intéressera au coefficient d'échange global "k" de la paroi. Celui-ci prend en compte la conduction à travers toutes les composantes du mur ainsi que la convection sur les faces externes et les faces internes. Le coefficient global d'échange k est défini par :

eii

i

i hSe

hk111

++= ∑ λ

Les coefficients de convection hi et he dépendent de la circulation de l'air autour des parois. Ils sont donc variables et dépendant du temps. Le coefficient he est pratiquement toujours inférieur à hi en raison des mouvements d'air externes qui améliorent la convection (tableaux 6.6 et 6.7).

Coefficients de convection

[W/m².K] Paroi extérieure Cloison

Ascendant hi = 9,09 he = 16,60 hi = 8,33 he = 8,33

Tableau 6.6 Valeurs des coefficients de convection de parois verticales. Source [1]

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155

Sens du flux de matière Paroi extérieure Cloison (intérieure au bâtiment)

Ascendant hi = 11,1 he = 20 hi = 10 he = 10

Descendant hi = 6 he = 20 hi = 6 he = 6

Tableau 6.7 : Coefficient h en W/m².K de parois horizontales ou à faible pente : cas des toitures. Source [1]

Le tableau 6.8 donne un exemple type de calcul de coefficient global d’échange pour une paroi composite.

Eléments successifs rencontrés par le flux de chaleur dans le mur

Résistance thermique [m².K/W]

Surface intérieure de la paroi

1/hi = 0,11

Enduit plâtre de 1 cm

e/λ1 = 0,02

Brique plâtrière de 5 cm

e/λ2 = 0,09

Lame d'air non ventilée y compris ses deux parois

e/λ3 = 0,16

Béton caverneux de 15 cm

e/λ4 = 0,11

Enduit au mortier extérieur

e/λ5 = 0,01

Surface extérieure de la paroi

1/he = 0,06

Résistance thermique totale Valeur de k ( = 1 / résistance totale)

0,56 K.m²/W

1,8 W/m².K Tableau 6.8 Exemple de calcul de coefficient global d'échange k

Des valeurs de coefficients globaux d'échange sont données par le tableau 6.9 pour diverses structures de paroi.

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156

Structure interne du mur Epaisseur Coefficient k [W/m²/K]

Plâtre enduit Aggloméré ciment Plâtre end

0,015 0,100 0,015

k = 2,98

Carrelage Béton lourd

0,050 0,100

k = 3,70

Bois sec Vide air Bois humide

0,016 0,050 0,025

k = 1,69

Bois sec Vide Bois sec A

0,016 0,050 0,016

k= 1,78

Tôle (seule) 0,002 k = 5,88 Bois sec (seul) 0,025 k = 2,97

Terre comprimée (seule) 0,350 k = 1,99

Béton léger Mortier ciment

0,200 0,015

k = 1,56

Plâtre enduit Polystyrène Aggloméré ciment Mortier ciment

0,015 0,030 0,200 0,015

k = 0,87

Bois sec Vide air Tôle

0,016 0,050 0,002

k = 2,19

Moquette Béton lourd

0,001 0,100

k = 2,46

Tôle Polystyrène Tôle

0,001 0,040 0,001

k= 0,84

Béton (seul) 0,100 k = 4,40 Bac alu (seul) 0,225 k = 5,88 Plâtre Parpaing Ciment

0,015 0,225 0,020

k = 2,56

Ecaille Terre

0,030 0,400

k = 2,75

Tableau 6.9 Coefficients globaux d’échange pour diverses structures de paroi. Source [22]

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-------------------- LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES

157

Dans les bâtiments climatisés, on peut être amené à isoler une façade très ensoleillée de manière à réduire les gains de chaleur par cette paroi. Les isolants les plus utilisés sont la laine de verre, le polystyrène, le polyuréthane, la laine de kapok en Afrique, les fibres de coton. Il est inutile dans tous les cas d'isoler les cloisons de locaux voisins si ceux-ci sont climatisés aux mêmes moments. On arrive ainsi à une structure de forme comme celle indiquée par la figure 6.8 appelée pont thermique.

Figure 6.8 Pont thermique et sens des flux de chaleur dans les locaux

La chaleur passe préférentiellement par la cloison non isolée. On a ainsi réalisé un pont thermique comme indiqué par la figure 6.8. Les ponts thermiques peuvent devenir une source de pertes frigorifiques très importantes. 6.2.4 Vitrage et protection solaire

Le rayonnement solaire se compose de deux parties : le rayonnement direct I et le rayonnement diffus D. La somme de ces deux rayonnements fait le rayonnement global ( G) qui tombe sur la façade.

G = I + D

Chaque façade Est, Ouest, Nord ou Sud reçoit approximativement le même rayonnement diffus que les autres. Par contre, le rayonnement direct dépend essentiellement de l'orientation de la façade, de la hauteur du soleil et de la période de l'année. La figure 6.9 montre l'importance du flux solaire global reçu par des façades verticales orientées selon les quatre points cardinaux.

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LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------

158

Figure 6.9 Apports solaires par les façades verticales à 12° Nord (Ouagadougou)

L'énergie transmise est d'autant plus importante que l'ouverture est face à l'est ou à l'ouest. Voir figure 6.9. En règle générale, on placera de préférence les ouvertures au Nord ou au Sud. La solution la plus intéressante étant celle du Nord qui reçoit globalement moins d'énergie que toute autre direction dans l'hémisphère nord. On remarquera qu'il est possible de protéger les ouvertures du rayonnement direct en utilisant les dispositifs d'ombrage. Le rayonnement diffus quant à lui n'a pas de direction privilégiée. Un vitrage de qualité doit avoir une bonne transmission du rayonnement visible et une mauvaise transmission du rayonnement infrarouge. De telles vitres sont dites sélectives. Elles éclairent sans chauffer les locaux. On trouve de plus en plus dans le commerce les vitres sélectives appropriées aux besoins des économies d’énergie dans le bâtiment telle que celles indiquées par le tableau ci-dessous :

Nature de la vitre τvis (1) τglobal (1) Vitrage simple clair de 5 mm 0,89 0,96 Vitrage simple à revêtement sélectif SOLIS 0,70 0,50

(1) τvis et τglobal sont respectivement les coefficients de transmission du rayonnement visible et du rayonnement global

Tableau 6.10 Caractéristiques de transmission des vitrages

Page 165: Efficacite Energetique Iepf Tome1 Bilans Thermiques

-------------------- LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES

159

Figure 6.10 Rayonnement solaire au sol

6.2.5 Eclairage artificiel ♦ Concept de base L’éclairage est indispensable pour plusieurs raisons :

◊ La réalisation des tâches courantes (bureaux , salle d’opération des hôpitaux, lecture…), ◊ La création d’une ambiance, d’un climat (restaurants, bureaux, hôtels…), ◊ La valorisation de la beauté des choses (marchandises, vitrines, objets d’art…), ◊ La sécurité de nuit (rues éclairées, domiciles…).

Une politique d’économie d’énergie ne doit pas perdre de vue ces idées. Chaque type d’éclairage nécessite un niveau d’éclairement. La figure 6.11 donne les ordres de grandeur à adopter pour l’éclairage des locaux.

Page 166: Efficacite Energetique Iepf Tome1 Bilans Thermiques

LA CONCEPTION THERMIQUE DES BATIMENTS CLIMATISES --------------------

160

Figure 6.11 Niveau d’éclairement requis par activité et dans les locaux

Pour évaluer les économies d’énergie dans un immeuble, ces données d’éclairement sont parfois insuffisantes. On leur préfère les quantités d’énergie exprimées en W/m² d’énergie électrique installée. Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs de ce ratio appelé densité d’éclairage.

Type de locaux Densité de puissance d’éclairage [W/m²]

Commerce, travail en industrie 8,5 Cliniques 10,5

Lieus de culte 14 Restaurants 10,5

Théâtres 10,5 Expositions 16

Bureaux 10,5 Couloirs, lieux de repos 5,5

Ecoles 14 Tableau 6.11 Densité d’éclairage

Pour se situer dans les normes admises en matière de niveau d’éclairement et de densité de puissance d’éclairage, on a recours aux lampes à économie d’énergie de plus en plus répandues dans le commerce.

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On distingue plusieurs sortes de lampe :

◊ Les lampes à incandescence. Ce sont les plus répandues mais aussi les moins économes en consommation d’énergie,

◊ Les lampes fluorescentes. Les tubes sont bien connus mais les lampes compactes ne le sont pas encore assez,

◊ Les lampes à décharge qui sont des lampes longue durée et, en général réservées pour des applications particulières (éclairage de grands halls, par exemple). Elles sont moins courantes que les deux premières citées. On distingue dans cette catégorie :

- les lampes à vapeur de mercure - les lampes à vapeur de sodium haute pression - les lampes à vapeur de sodium basse pression - les lampes aux halogénures métalliques

Dans le bâtiment, on utilisera de préférence les lampes à fluorescence, soit compactes, soit à tube droit ou en U.

Les lampes se caractérisent par :

◊ Leur durée de vie, le plus souvent en milliers d'heures, ◊ Leur efficacité lumineuse [Lumen/Watt], ◊ Leur puissance électrique, ◊ Leur indice de rendu des couleurs.

Lampes efficacité lumineuse [lm/W]

durée moyenne de vie [heures]

A incandescence standard 5 - 17 1000 - 3000 A incandescence tungsten/halogène 18 - 25 1000 - 3000 A fluorescence en tube droit ou en U 65 - 110 7500 - 20 000 A fluorescence compacte 25 - 55 7500 - 20 000 A décharge à vapeur de sodium haute pression 45 - 110 7500 - 40 000 A décharge à vapeur de sodium basse pression 80 - 150 14 000 - 18 000 A décharge à aux halogénures métalliques 46 - 98 7500 - 20 000 A décharge à vapeur de mercure 25 - 52 16 000 - 24 000

Tableau 6.12 Efficacité et durée de vie des lampes

L'éclairage et la climatisation doivent être conçus ensemble pour arriver à des mesures d'économie d'énergie bénéfiques. En effet, l’économie d’énergie électrique pour l’éclairage se double d’une économie en climatisation du local.

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Dans ce contexte, les lampes à haute efficacité lumineuse doivent être préférées aux lampes de rendement médiocres comme les lampes à incandescence. Malgré leurs prix élevés en comparaison avec les lampes à incandescence, l'investissement lors d'une opération de remplacement par des lampes compactes s'avère rentable, tant la différence d'efficacité et l'excédent de charge frigorifique générée est important. Voir tableau ci-dessous.

Type de lampe Chaleur générée [Watts / 1000 lumens]

Lampe à incandescence 57 Tube fluorescent T12 15 Tube Fluorescent T8 11,7 Vitre sélective tintée (lumière solaire) 4,6

Tableau 6.13 Chaleur générée par les lampes

6.3 RATIOS DE CONSOMMATION ENERGETIQUE

6.3.1 Critères de performance du bâtiment Pour réduire la consommation d'énergie dans un bâtiment, on se fixe des seuils. Ces seuils supposent la connaissance des consommations types par poste. C'est le but recherché par l'établissement de ratios de consommation. Le tableau ci-après donne des ordres de grandeur des gains de chaleur par les composantes de bâtiments.

Postes de gains thermiques Courant Moyenne Maximum à rechercher

Gain solaire par les vitrages [% d'énergie solaire tombant sur la vitre] 0,7 0,28 0,25

Renouvellement d'air [m3/heure] 30 20 15

Conduction par les fenêtres kv [W/m².K]

6 6 3

Conduction par les murs km [W/m².K]

3 3 1,5

Eclairage [W/m²] 31 14 6

Tableau 6.14 Gains thermiques pour différents éléments du bâtiment

Le respect de ces ratios permet de réduire les apports de chaleur pour réduire la charge frigorifique.

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6.3.1.1 Gains calorifiques par les vitrages

Dans les grands immeubles le vitrage est en général excessif. Le choix des vitres pour réduire la charge frigorifique est donc important. Il faut tendre à réduire la chaleur solaire tout en maximisant le transfert de lumière solaire dans l'immeuble. Contrairement à ce qu'on peut croire, le coût élevé des vitres sélectives n'est pas un luxe dans le bâtiment climatisé. Le coût d’investissement initial sera rapidement amorti à l’exploitation. Pour mesurer l'efficacité d'un vitrage on dispose d'une série de coefficients proposés par les techniciens du vitrage :

♦ le coefficient de transfert du rayonnement visible (τvis)

Il mesure le taux de transmission de la lumière visible par la fenêtre. On peut ainsi réduire les apports calorifiques par les lampes en choisissant convenablement le vitrage. Une vitre de qualité doit être sélective. C'est-à-dire avoir un τvis élevé et un CO ou CGS faible.

♦ Le coefficient d'ombrage (CO)

CO =)1(standardvitreuned'onTransmissi

vitreladeonTransmissi

• La vitre standard correspond à une vitre simple claire de 5 mm d’épaisseur.

♦ Le coefficient de gain solaire (CGS)

Il mesure la transmission totale du vitrage en pourcentage. La relation suivante existe entre CGS et CO :

CO = 0,87 CGS ♦ La constante d'efficacité lumineuse (Ke)

Elle se définit par :

Ke = τvis/ CO Ke est le mieux adapté pour définir la capacité d'un vitrage à éclairer sans chauffer le bâtiment. C'est ce qui est indiqué par les exemples de vitrage ci-dessous :

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Vitre sélective teintée Vitres réfléchissantes

τvis = 0,50 à 0,64

τvis = 0,05 à 0,35

CO = 0,44 à 0,47

CO = 0,15 à 0,40

Ke ≈ 1

Ke = 0,25 à 1

Tableau 6.15 Caractéristiques globales des vitrages Le tableau ci-après donne les propriétés de quelques vitrages proposés dans le commerce.

Type de vitrage τvis CGS CO Ke

Clair simple (e ≈ 5 mm) 0,89 0,83 0,96 0,93 Clair simple avec revêtement sélectif 0,70 0,45 0,50 1,40 Clair simple avec revêtement sélectif gris 0,40 0,38 0,44 0,91

Tableau 6.16 Propriétés de vitrages utilisés dans le bâtiment. 6.3.1.2 Rapport des surfaces des ouvertures sur les surfaces opaques (ROM) Un immeuble dont la surface des ouvertures est importante aura une charge frigorifique élevée. C’est pourquoi on cherche autant que possible à diminuer la surface et le nombre des ouvertures. Dans les petits immeubles, on tendra vers les ratios suivants :

ROM = 1/3 murs sud et nord ROM = 1/4 murs est et ouest

Pour les grands immeubles dont le vitrage et les ouvertures peuvent dépendre plus de l’esthétique que des considérations de consommation énergétique, on donnera une priorité à l’utilisation de vitres sélectives. 6.3.1.3 Réduction des gains par les murs et les toitures Bien que la majeure partie de la chaleur solaire passe par les vitrages dans les grands immeubles, les murs et la toiture contribuent également à accroître les gains solaires de façon significative. Les méthodes utilisées pour réduire ces gains de chaleur sont :

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◊ L'utilisation de revêtements clairs, ◊ L'ombrage du toit et des murs par la végétation et autres masques, ◊ L'isolation.

Des objectifs réalistes à atteindre par éléments de construction sont proposés ci-dessous.

Type de structure Flux thermique habituel (1) [W/m²]

Flux maximal [W/m²]

Fenêtres vitres simples 180 50 Murs 100 35 Toitures 130 40 (1) Transfert de chaleur dû au rayonnement solaire et transmission atmosphérique

pour des parois exposées en climat tropical chaud et ciel clair.

Tableau 6.17 Flux de chaleur à travers les structures du bâtiment 6.3.2 Ratios de consommation d’énergie dans le bâtiment

Les mesures répertoriées ci-dessus ont toutes le même but : réduire la consommation énergétique due à la climatisation. On estime l'efficacité globale des options des immeubles grâce à la consommation d’énergie par unité de surface habitable Ro :

climatisée Surface[kWh] lectriqueé onConsommati

= oR

Pour plus d’objectivité dans l’analyse de la consommation énergétique, il faut associer à ces paramètres purement techniques, quelques paramètres financiers tels que le coût total d'exploitation annuelle de l'édifice et son coût de réalisation. Comme l'epérience le montre, les ratios financiers en coût d'exploitation par an et par m2 de surface et le coût de réalisation par m2 de surface peuvent s’avérer nécessaire comme l’expérience le montre pour convaincre de l’opportunité d’un investissement pour réduire la consommation d’énergie.

L'investissement initial lors de la construction d'un édifice I [F/m2] peut paraître convenable lorsqu'on ne regarde que son seul coût de réalisation. Si on prend en compte les dépenses liées à l'exploitation pour entretenir sa climatisation, son éclairage et tous les autres postes électriques, il peut alors s'avérer plus intéressant d'augmenter les dépenses d'investissement (isolation, protections solaires, éclairage, embauche et utilisation d’un technicien...) pour ramener ces coûts d'exploitation à un niveau acceptable.

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Le tableau 6.18, extrait du code de qualité énergétique Ivoirien, donne des ordres de grandeur du ratio R0.

Type d'activité

Référence [kWh/m²]

Grand immeuble de bureau

160

Petit immeuble de bureau

150

Grand hôtel

180

Hôpital

250

Centre Commercial

200

Appartement (dans grand immeuble)

130

Tableau 6.18 Ratios proposés par le code Ivoirien de qualité énergétique LISTE DES SYMBOLES

Q Quantité de chaleur k Coefficient global d’échange d‘une paroi S Surface des parois T Température qv Débit volumique x Humidité relative V Volume ε Coefficient d’absorption σ Constante de Stefan-Boltzman Φs Flux solaire λ Coefficient de conductivité thermique cv Chaleur massique ρ Masse volumique hi Coefficient de convection interne he Coefficient de convection externe e épaisseur de la paroi

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Opérateur principal de l’Organisation internationale de la Francophonie, l'Agence intergouvernementale de la Francophonie regroupe 50 Etats et gouvernements *, répartis sur les cinq continents, rassemblés autour du partage d'une langue commune : le français. Avec les cinq autres pays qui participent aux Sommets de la Francophonie, ce sont au total 55 Etats et gouvernements qui constituent la communauté francophone, soit un pays sur quatre dans le monde regroupant plus d'un demi milliard de personnes. Parmi eux, 170 millions font un usage plus ou moins intensif du français dans leur vie de tous les jours. Fondée en 1970, avec pour devise : égalité, complémentarité, solidarité, l'Agence de la Francophonie mène des actions de coopération multilatérale dans de nombreux domaines: éducation et formation, culture et multimédia, nouvelles technologies de l’information et de la communication, coopération juridique et judiciaire, droits de l’Homme et démocratie, développement et solidarité économiques, énergie et environnement. * 50 membres : Albanie, Bénin, Bulgarie, Burkina Faso, Burundi, Cambodge, Cameroun, Canada, Canada-Nouveau Brunswick, Canada-Québec, Cap-Vert, Centrafrique, Communauté française de Belgique , Comores, Congo, R.D. Congo, Côte-d'Ivoire, Djibouti, Dominique, Égypte, France, Gabon, Guinée, Guinée-Bissau, Guinée-équatoriale, Haïti, Laos, Liban, Luxembourg, ARY Macédoine, Madagascar, Mali, Maroc, Maurice, Mauritanie, Moldavie, Monaco, Niger, Roumanie, Rwanda, Sainte-Lucie, São Tomé et Príncipe, Sénégal, Seychelles, Suisse, Tchad, Togo, Tunisie, Vanuatu, Vietnam. Par ailleurs, le Royaume de Belgique est membre du Sommet de la Francophonie. La Lituanie, la Pologne, la République Tchèque et la Slovénie y sont observateurs.

Agence intergouvernementale de la Francophonie 13 Quai André Citroën - 75 015 Paris, Tél : (33) 1 44 37 33 00 - Télécopie : (33) 1 45 79 14 98

Site web : http://agence.francophonie.org

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La Francophonie au service du développement durable L'Institut de l'énergie et de l'environnement de la Francophonie (IEPF), organe subsidiaire de l'Agence intergouvernementale de la Francophonie, est né en 1988 de la volonté des chefs d'État et de gouvernement des pays francophones de conduire une action concertée visant le développement du secteur de l'énergie dans les pays membres. En 1996 cette action a été élargie à l'Environnement. Basé à Québec, l'Institut a aujourd'hui pour mission de contribuer au renforcement des capacités nationales et au développement de partenariats dans les domaines de l'énergie et de l'environnement. Meilleure gestion et utilisation des ressources énergétiques, intégration de l'environnement dans les politiques nationales dans une perspective durable et équitable, tels sont les buts des interventions spécifiques de l'IEPF – formation, information, actions de terrain et concertation – menées en synergie avec les autres programmes de l'Agence Intergouvernementale de la Francophonie et notamment ceux issus du chantier « Une francophonie solidaire pour soutenir les efforts du développement ». La programmation mise en œuvre par l’équipe des collaborateurs de l’IEPF s’exprime dans 7 projets qui fondent ses activités. • Politiques énergétiques • Énergie rurale • Maîtrise de l’énergie • Diffusion des outils méthodologiques de maîtrise de l’environnement • Appui à la mise en œuvre des conventions internationales • Prospectives • Information pour le développement durable Adresse : 56, rue Saint-Pierre, 3e étage, Québec (Qué.) G1K 4A1 Canada

Téléphone : (1 418) 692 5727 Télécopie : (1 418) 692 5644 Courriel : [email protected] Site web : http://www.iepf.org