_bilans_thermiques_tome1

Couverture

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ISBN

ii

Prface

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TABLE DES MATIERES

Tome I : Conception des nouveaux btiments 1. 2. 3. 4. 5. 6. Une mthode de calcul simplifie climatisation en climat tropical du bilan thermique 1 37 53 65 93 141

L'valuation des cots globaux d'exploitation Le choix des systmes de climatisation : critres gnraux Le choix d'un climatiseur de local Le choix d'une climatisation centralise La conception thermique des btiments climatiss : critres de performance Tome II : exploitation des installations existantes

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Le diagnostic global d'une installation de climatisation L'amlioration d'un climatiseur L'amlioration d'une installation de climatisation centralise L'amlioration de la machine frigorifique associe Un contrat de maintenance avec clause "nergie" Vers une rglementation thermique minimale de l'exploitation des btiments et des systmes

1 23 57 77 105 117

iv

EFFICACITE ENERGETIQUE DE LA CLIMATISATION DES BATIMENTS EN PAYS TROPICAL

TOME 1 : CONCEPTION DES NOUVEAUX BATIMENTS

Ont particip la rdaction de cet ouvrage :

Jacques CLAESSENS Yzouma COULIBALY Thomas DJIAKO Mose GNAMKE Abraham KANMOGNE Alexis KEMAJOU Mamadou J. KONE Arame NDIAYE Mohamed SAKO KOITA Dimitris STAMATOUKOS

Chercheur l'Universit Catholique de Louvain, Rgion Wallonne Professeur d'nergtique l'EIER, Chef (Infrastructure, Energie et Gnie Sanitaire) du dpartement IEGS

Ingnieur Conseil SOFRICAM International, Cameroun Energticien, Coordonnateur construction, UNDP/UNOPS de projet environnement-nergie-

Energticien, Enseignant-Chercheur l'Institut National Polytechnique, Cte d'Ivoire Responsable technico-commercial dans une entreprise de rfrigration industrielle en Rgion Wallonne.

Ministre de la Rgion Wallonne

v

vi

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

CHAPITRE 1

UNE METHODE DE CALCUL SIMPLIFIEE DU BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATION EN CLIMAT TROPICAL

INTRODUCTION ................................................................................................................................... 2 1.1 1.2 CAHIER DES CHARGES POUR LE CALCUL DUN BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATION........................................................................................................................ 3 BASE DE DONNEES CLIMATIQUES ...................................................................................... 41.2.1 Mois de base ..........................................................................................................................................4 1.2.2 Conditions extrieures de base..............................................................................................................4 1.2.3 Conditions intrieures de base ..............................................................................................................5

1.3 1.4

PROPRIETES THERMOPHYSIQUES DES MATERIAUX LOCAUX DE CONSTRUCTION ........................................................................................................................ 6 EVALUATION DU BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATION....................................... 81.4.1 Mthodes pour dterminer les bilans .....................................................................................................8 1.4.2 Mthode simplifie de calcul .................................................................................................................9 1.4.3 Coefficient de scurit .........................................................................................................................23

1.5 1.6 1.7

EVALUATION DE LA PUISSANCE A SOUSCRIRE ........................................................... 23 FEUILLE DE CALCUL DU BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATION...................... 25 EXEMPLE DAPPLICATION .................................................................................................. 26

CONCLUSION ...................................................................................................................................... 32 ANNEXE ................................................................................................................................................ 33 BIBLIOGRAPHIE................................................................................................................................. 35

1

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

INTRODUCTIONLes installations de climatisation utilises dans les pays tropicaux sont dimensionnes partir des mthodes de calcul de bilans thermiques mises au point pour des climats continentaux (Airwell ou Carrier) [1] [2] cest dire, prsentant des fortes variations de temprature en cours danne (hivert) et des taux dhumidit relativement faibles (50 60%). En rgion tropicale humide, les taux dhumidit sont levs (suprieur 80%) et la temprature varie peu dans lanne [3]. On saperoit quil est difficile de transposer une mthode de calcul mise au point partir des conditions climatiques spcifiques dune rgion lautre, car cela peut entraner un certain nombre de problmes sur les plans thermiques des enveloppes architecturales, nergtiques et hygrothermiques dans le btiment. Tous ces aspects font que les installations de climatisation conues pour les climats tropicaux sont surdimensionnes, entranant ainsi une surconsommation lectrique dans le domaine du conditionnement dair des btiments [3]. Ceci justifie ce chapitre dont lobjectif est de mettre la disposition des bureaux dtude, des tudiants et des techniciens exerant dans le mtier de frigoriste, des informations relatives au calcul simplifi de bilan thermique de climatisation adapte aux climats tropicaux humides, de transition et sahlien. Ces informations relvent des valeurs recueillies sur les diffrents sites mtorologiques qui feront lobjet de ce travail. Cependant, pour les villes dont nous navions pas ces donnes nous avons procd par calcul en tenant compte des paramtres mtorologiques locaux. Aussi, en fonction de ces zones climatiques les villes indiques dans le tableau 1.1 ont t retenues comme chantillon de cette tude. Zones climatiques Climat tropical humide Pays Cameroun Cte dIvoire Bnin Togo Sngal Cameroun Cte divoire Mali Niger Tchad Burkina Faso Villes chantillons Douala Abidjan Cotonou Lom Dakar Garoua Korhogo Bamako Niamey Djamena Ouagadougou

Climat tropical de transition (climat littoral) Climat tropical sec Climat tropical sahlien

Tableau 1.1 Villes retenues pour l'tude

2


1.1 CAHIER DES CHARGES POUR LE CALCUL DUN BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATIONAvant de commencer le calcul du bilan thermique, le technicien devra connatre tous les facteurs qui pourront affecter son valuation. Des relevs prcis, dtaills, complets sont la base mme du bilan. Cest partir de la connaissance de ces lments et si le bilan a t tudi avec soin, que lon pourra dterminer linstallation la plus conomique et la plus assurante, compte tenu des rsultats obtenir. La prise en compte de ces diffrents paramtres permet dviter dutiliser les coefficients de scurit lors de lvaluation des bilans qui sont lorigine du surdimensionnement des quipements de climatisation. Nous citons ci-dessous les principaux lments prendre en considration. Orientation du local : situation des locaux conditionner par rapport aux : - Points cardinaux, gographique (latitude, longitude), climatiques, - Immeubles voisins produisant de lombre, - Surface rflchissante : eau, sable, parking, etc. Plans darchitecture, les dtails montrant la structure interne de limmeuble, les croquis main leve font partie dun bon relev, Dimensions du local : longueur, largeur, hauteur sous plafond, Matriaux de construction : nature des matriaux, paisseur des murs, toits, plafonds, plancher et cloisons, et leur emplacement, Couleurs des matriaux : couleurs des murs et du toit, Conditions extrieures au local : locaux adjacents conditionns ou non, temprature des locaux non conditionns, plancher sur sol ou sur vide sanitaire, ensoleillement maximum du local, condition extrieure de base, Conditions maintenir lintrieur du local (temprature et humidit relative), Destination des locaux : bureau, hpital, boutique, magasin, atelier, Fentres : dimensions et emplacements, encadrement bois ou mtal, type de vitrage, type de store, dimension des auvents et saillies, Portes : emplacement, type, dimension, frquence des ouvertures, Occupants : activits et nombres, dure doccupation du local, Eclairage : type, puissance et dure dallumage, Appareils mnagers, moteurs : emplacement, puissance nominale ; dure de fonctionnement et coefficient de simultanit, Emplacement de lquipement et rseau de distribution (trac des canalisations deau et des gaines dair).

3


1.2 BASE DE DONNEES CLIMATIQUESEn gnral, dans les pays chauds on distingue quelques nuances prs deux types de climat : le climat tropical sec et tropical humide. Ces deux types de climat conduisent, en gros, deux problmes de climatisation diffrents, le premier demandant surtout un refroidissement de lair, le deuxime une dshumidification avec rafrachissement.

1.2.1 Mois de base [1] [2]Lvaluation du bilan thermique est base sur lestimation des gains externes et internes pendant le mois le plus chaud appel mois de base. Le tableau 1.2 nous donne les diffrents mois de base pour quelques villes chantillons. On constatera la faiblesse des donnes existantes en Afrique tropicale.

Zones climatiques

Pays Cameroun Cte dIvoire Bnin Togo Sngal Cameroun Cte divoire Mali Niger Tchad Burkina Faso

Villes de rfrences Douala Abidjan Cotonou Lom Dakar Garoua Korhogo Bamako Niamey Djamena Ouagadougou

Mois de base Fvrier Fvrier

Climat tropical humide

Climat tropical de transition ou littoral Climat tropical sec

Mars

Climat tropical dsertique

Avril

Tableau 1.2 Mois de base (mois le plus chaud)

1.2.2 Conditions extrieures de base [1]Le bilan thermique de conditionnement dair doit tre dfini dans les conditions dites extrieures de base. Elles correspondent des tempratures sches et humides simultanes qui pourront tre dpasses pendant quelques heures par an pour le mois le plus chaud. Le tableau 1.3 nous donne ces conditions de base pour certaines villes.

4


Zones climatiques

Pays

Villes de rfrencesDouala Abidjan Cotonou Lom Dakar Garoua Korhogo Bamako Niamey Djamena Ouagadougou

Temprature sche [C]32 32,5

Temprature humide [C]29 27,5

Direction du ventSW

Vitesse du vent [km/h]7,3

Cameroun Climat tropical Cte dIvoire humide Bnin Togo Climat littoral Sngal Climat tropical Cameroun sec Cte divoire Mali Climat tropical Niger dsertique Tchad Burkina Faso

39,8 36

23,7 22,5

W

10,36

39

29,5

SO

8,3

Tableau 1.3 Conditions de base extrieures

1.2.3 Conditions intrieures de baseCe sont les conditions normales recommandes pour les applications courantes en vue du confort thermique dans les btiments climatiss [4] [5]. Des tudes exprimentales entreprises en climat tropical humide et sec portant sur des individus lgrement vtus exerant une activit sdentaire dans les conditions ambiantes de leurs bureaux climatiss, ont permis de dterminer une gamme de temprature propre au bien tre des habitants de ces pays. Le tableau 1.4 prsente ces conditions intrieures de confort [3] [6].

5


Zones climatiques

Pays

Villes de rfrences Douala Abidjan Lagos Lom Dakar Garoua Korghoro Bamako Niamey Djamena Ouagadougou

Climat tropical Cameroun humide Cte dIvoire Nigeria Togo Climat littoral Sngal Climat tropical Cameroun sec Cte divoire Climat tropical Mali dsertique Niger Tchad Burkina Faso

Temprature Humidit sche relative [C] [%] 26 51,3 24,5 65 26 50

28,5 26,5

51,9 50

Tableau 1.4 Conditions intrieures de confort optimal recommand

A la suite de cette tude, il a t dfini des conditions ambiantes acceptables l'exprience par au moins 80% des occupants selon la norme ASHRAE 55-81 [5]. Ces rsultats exprimentaux nous permettent galement de proposer une large plage de temprature imposer dans les salles climatises en fonction des besoins dconomie sur la climatisation. Le tableau 1.5 donne la zone de confort thermique pour le Cameroun et la Cte dIvoire [3] [6]. Douala Abidjan 23,9 < To < 28,3 24,2 < To < 28 Hr = 60% 28,3 C Hr = 70% 23,9 C Hr = 71% 28C Hr = 58% 24,2 C

Tableau 1.5 Zone de confort thermique

1.3 PROPRIETES THERMOPHYSIQUES CONSTRUCTION

DES

MATERIAUX

LOCAUX

DE

Le tableau 1.6 prsente les proprits thermophysiques des matriaux locaux utiliss dans la construction des btiments dans les pays chantillons en climat tropical [7].

6


MatriauxCendre sche Charbon de bois Coton Cuir Ecorce darbre Laine de bois (panneau) Laine de mouton Laine de roche Paille comprime Papier Plume Roseau Sciure de bois Soie naturelle Amiante de ciment Bton de pouzzolane naturel Gobton Bton arm Bitume Contre plaqu Enduit la chaux ou au pltre liss Enduit au ciment Copeaux de bois Bton Pierre calcaire Terre cuite Mur brique pleine Mur brique creuse Parpaing plein Parpaing creux Enduit mortier Enduit pltre Bois naturel Polystyrne expans Laine de verre Carrelage Gravillons Pierre lourde Feuille de bitume Terre presse Tle

Conductivits thermiques [W/m.k]0,29 0,041 - 0,065 0,06 0,174 0,066 0,09 0,038 - 0,049 0,052 - 0,074 0,12 0,14 0,037 0,05 0,06 - 0,07 0,052 0,4 0,25 - 0,6 0,7 - 0,8 1,5 - 2,04 0,16 0,14 0,87 0,87 0,081 0,9 - 1,7 1,05 - 2,2 1,15 0,85 0,4 1,1 0,67 1,15 0,45 0,12 - 0,044 0,036 - 0,044 0,04 1,15 1,5 3,5 0,23 1,15 70

Masses volumiques 3 [kg/m ]900 185 - 215 80 1000 342 400 135 - 136 120 - 220 140 80 75 213 100 1800 1200 - 1700 1800 - 2310 2300 - 2400 2050 600 1600 2200 140 2200 - 2400 1650 - 2580 1800 - 2000 1850 1200 2100 1250 1800 - 2100 1450 300 - 750 9 - 35 100 - 300 1800 1200 2800 1000 1800 7800

Chaleur massique [kJ/kg.k]0,75 1,42

1,26 0,8 - 0,84

2,51 0,96

1,09 2,72 0,94 1,05 2,51 0,850 - 0,950 0,920 0,900 0,880 0,880 0,880 0,880 0,900 1,200 - 1,880 1,210 0,700 0,980 0,920 0,800 0,900 0,800

Tableau 1.6 Proprits thermophysiques des matriaux locaux de construction

7


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

k=

1 1 e 1 + + he hi

dans laquelle he et hi sont les coefficients globaux de convection sur les mur et le coefficient de conductivit thermique de la parois considre (tableau 1.6). Les valeurs de he et hi [W/m C] sont donnes dans le tableau suivant : Parois en contact avec lextrieur murs 16,7 9 plafonds 20 11.1 planchers 20 5,9 Parois en contact avec un autre local, un comble ou un vide sanitaire murs plafonds planchers 9 20 5,9 9 20 5,9 Parois vitres 16,7 9

he hi

Tableau 1.7 Coefficient dchanges thermiques superficiels

1.4 EVALUATION DU BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATIONLe calcul du bilan thermique de climatisation ou de conditionnement dair permet de dterminer la puissance de linstallation qui pourra rpondre aux critres demands. Ce calcul seffectuera partir des gains rels, cest dire au moment o les apports calorifiques atteignent leur maximum dans le local [1] [2]. On distinguera : Les gains internes : ce sont les dgagements de chaleur sensibles ou latents ayant leurs sources lintrieur du local (occupants, clairage et autres quipements), Les gains externes : ce sont les apports de chaleur sensible dus lensoleillement et la conduction travers les parois extrieures et les toits.

Pour pouvoir estimer ces gains avec une prcision suffisante, il est indispensable de connatre tous les lments qui auront une influence sur le bilan tel quexprim dans le cahier de charge.

1.4.1 Mthodes pour dterminer les bilansLe calcul prcis dun bilan thermique de climatisation est long et compliqu, car les charges extrieures telles que linsolation et la transmission varient tout au long dune journe ; pour cela, nous devrions effectuer les calculs heure par heure pour rechercher le maximum dapports cumuls [8] [9]. La prise en compte de linertie du btiment attnue la valeur du maximum, mais introduit une difficult 8


supplmentaire [8]. Dans le cas dun btiment non isol, pour un mme type de mur, linertie augmente avec lpaisseur, alors que le coefficient global dchange (k) diminue en rduisant la consommation nergtique du btiment. Dans le cas dun btiment isol, linertie est faible, le k aussi ; mais lpaisseur ninfluence pas. Lorsque linstallation climatiser a une taille importante et que cela ncessite de garantir des conditions de fonctionnement prcises, le calcul du bilan doit tre confi un bureau dtude spcialis qui effectuera les calculs soit sous forme manuelle, soit laide dun programme de calculs informatiss tenant compte bien sr des conditions climatiques de base locales. Dans le cas de locaux dimportance rduite, et pour des applications de climatisation de confort, on peut faire appel des mthodes simplifies qui permettent de prslectionner et donc de chiffrer une installation de climatisation.

1.4.2 Mthode simplifie de calcul [2] [3] [8] [10] [11] [12]1.4.2.1 Bases de calcul Le point de dpart est le choix des conditions atmosphriques (temprature et humidit de lair dfinies au tableau 1.3) o lquipement de climatisation sera install. Dans le cadre des conomies dnergie en climatisation, il convient deffectuer ce calcul pour le mois, le jour de lanne et aux heures pour lesquelles ces charges reprsentent les moyennes maximales [3]. 1.4.2.2 Heure de charges de rfrigration maximales dans les locaux Cest lheure pour laquelle tous les calculs du bilan thermique seront effectus. Pour dterminer cette heure de charges de rfrigration maximales [1] [2] [8], nous devons suivre les tapes numres ci-aprs : Etape 1 : Orienter les locaux pour dterminer la pointe de rfrigration Nous prsentons sur la figure 1.1, les 31 types dorientations possibles des locaux climatiser. Cette figure est utiliser avec le tableau 1.8 qui prcise pour un local donn, le nombre de murs exposs et leurs diffrentes orientations.

9


Figure 1.1 Types dorientations des locaux climatiser

Etape 2 : Dterminer lheure de charges de rfrigration maximales dans les locaux Le bilan thermique sera effectu lheure o les charges de rfrigration seront maximales. Cette heure sera dtermine partir du tableau 1.8 en combinaison avec le tableau 1.14 qui indiquera lheure dapport solaire maximale en fonction de lexposition des parois du local tudi [2]. Cette heure de rfrigration devra concider avec lheure des apports solaires maximaux et les charges internes maximales (maximum de personnes ou fonctionnement des quipements). Si les heures dapports maximaux des charges externes (rayonnement solaire) et internes ne concident pas, nous devrons choisir lheure de charges de rfrigration maximale suivant lexploitation des locaux.

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Orientation des locaux 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

Nombre de murs exposs

Murs exposs N NE E SE S SO O NO 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 N-E-S NE - SE - SE E-S-O SE -SO - NO S-O-N SO - NO - NE O-N-E SO - NO - SE N-E-S-O NE - SE - SO - NO

Heures de rfrigration maximum

1

2

A dterminer en combinaison avec le tableau 1.14 (rayonnement solaire sur les murs et vitrages) et lheure o les charges internes sont maximales dans le local climatiser

3

4 Nant

Tableau 1.8 Orientations des locaux pour dterminer lheure de rfrigration maximale

1.4.2.3 Calcul des apports calorifiques Nous prsentons ci-dessous une mthode simplifie de calcul permettant de dterminer les apports calorifiques dans un local.

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1.4.2.3.1 Charges externes Apport de chaleur par transmission travers les parois extrieures (murs, toit, plafond et plancher) et les vitrages QStr = k . S . k S (1)

= coefficient de transmission thermique de la paroi ou du vitrage considr en W/mC (tableau 1.9) = surface de la paroi ou de la fentre considre (surface totale de la baie correspondant la rservation dans le mur) (m)

= diffrence de temprature entre les deux faces de la paroi considre [C] (tableau 1.10)

Apport de chaleur par rayonnement solaire travers les parois [2] [11] La quantit de chaleur traversant le mur [Qm] : QSRm = . F . S . Rm S F (2)

= coefficient dabsorption de la paroi recevant le rayonnement = surface de la parois en m = facteur de rayonnement solaire

Rm = rayonnement solaire absorb sur la surface du mur en W/m

Le coefficient dabsorption dpend de la couleur et de la nature du mur (tableau 1.11) Le facteur de rayonnement F indique la part de chaleur absorbe par la surface et transmise travers le mur du local (tableau 1.12). La valeur du rayonnement solaire Rm sur un mur (tableau 1.14 colonne m) dpend : De la latitude sous laquelle le local se trouve, De lorientation du mur, De lheure pour laquelle le calcul sera effectu.

12


Apport de chaleur par rayonnement solaire sur les vitrages [2] [10] [11] La quantit de chaleur traversant le vitrage (Qv) : QSRv = . g . S . Rv [W] g S (3)

= coefficient dabsorption du vitrage (tableau 1.11) [2] = facteur de rduction (tableau 1.13) est fonction du mode de protection de la fentre contre le rayonnement solaire = surface vitre (m)

Rv = intensit du rayonnement solaire sur les vitrages W/m ; elle est dfinie de la mme manire que Rm et est donne par le mme tableau 1.14 dans la colonne v.

Apport de chaleur par renouvellement dair et infiltration Le renouvellement dair dans un local climatis est ncessaire pour des problmes hyginiques. Il se fait en rgle gnrale par la ventilation (naturelle ou mcanique) des locaux ainsi que par infiltration, introduisant de lair extrieur dans le local climatis. Il est source dapport de chaleur sensible et latent dans le local conditionner. Gains sensibles par renouvellement dair : QSr = qv . (e- i) . 0,33 (W) Gains latents par renouvellement dair : QLr = qv . (e - i) . 0,84 (W) (5) (4)

qv = dbit dair extrieur de renouvellement [m3/h] - si la ventilation est naturelle, on peut considrer que le renouvellement dair est gal un volume de la pice par heure (1vol/h), - si la ventilation est mcanique, on relvera les valeurs dans le tableau 1.15 [8]

e = temprature extrieure de base (tableau 1.3) i = temprature intrieure de base (tableau 1.4) e = teneur en eau de lair extrieur g/kg air sec (dfinie partir du tableau 1.3) i = teneur en eau de lair intrieur g/kg air sec (dfinie partir du tableau 1.4)

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Types de parois

Types denduits 10 2,80 2,37 2,55 1,69 1,30 1,75 1,69 1,59 1,24 1,02 11 3,25 3,10 2,90 3,2 3,36 1,86

Parpaings creux Aucun (agglomrs creux) Enduit extrieur et intrieur au bton Pltres ou carreaux Lattes de bois Panneaux isolants Aucun Enduit extrieur et intrieur au bton Bton coul Pltres ou carreaux Lattes de bois Panneaux isolants Briquettes de terre Aucun Enduit extrieur et intrieur au bton Pltres ou carreaux 2,5 Chssis simple 3,94 Chssis double 1,97 Tuiles ardoises Fibrociment Toitures Tle galvanise ondule Sans solivage Avec solivage Sans solivage Avec solivage

Portes en bois

Epaisseurs [cm] 15 2,65 2,20 2,38 1,64 1,24 1,41 1,36 1,30 1,02 0,90 22 2,20 2,50 2,10 3,8 3,00 1,94 5,80 4,06 9,28 4,64 5,0 5,8

20 2,43 2,09 2,26 1,59 1,18 1,18 1,14 1,08 0,84 0,79 33 1,62 1,80 1,50 4,4 2,90 1,74

Vitrage simple

Chssis en bois Chssis mtallique Avec lame dair de 6mm Chssis en bois Chssis mtallique Chssis en bois Chssis mtallique Chssis en bois Chssis mtallique

Vitrage double

Avec lame dair de 8mm Avec lame dair de 10mm

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/m2C

14


Types de parois Murs extrieurs ensoleills Murs en contact avec les locaux non conditionns Plafond sous comble ventil Plafond sous comble non ventil Plancher sur terre pleine Mur en contact avec la cuisine

[C] = e - i = e - i - 3C = e - i + 3C = e - i + 12C = +20C - i = e - i + 18C

Tableau 1.10 Diffrence de temprature entre les diffrentes faces des parois

Couleurs et nature de la surface Surfaces trs claires Pierre blanche - surface blanche, claire ou crme ciment trs clair Surfaces fonces Fibrociment - bois non peint - pierre brune - brique rouge - ciment fonc - staff rouge, vert ou gris Surfaces trs fonces Toitures en ardoises fonces - cartons bitums trs sombre Verres (fentres ou Vitrage simple lanterneaux) Vitrage double Vitrage tripleTableau 1.11 Coefficient dabsorption pour murs, toits et fentres

0,4 0,7 0,9 1 0,9 0,8

K coefficient de transmission thermique de la paroi considre [W/mC] 0 1 2 3 4

F coefficient du rayonnement solaire 0 0,05 0,1 0,15 0,20

N.B : Interpoler pour les coefficients intermdiaires Tableau 1.12 Facteur de rayonnement solaire

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Fentres protges Stores extrieurs en toile Stores extrieurs en toile Stores intrieurs entirement baisss Stores intrieurs moiti baisss Persiennes entirement baises lintrieur des fentres Persiennes entirement baises lextrieur des fentres

Couleurs Ecru Aluminium Aluminium Blanc ou crme Aluminium Aluminium

g 0,28 0,22 0,45 0,63 0,58 0,22

Tableau 1.13 Facteur de rduction g pour fentres protges

Heu Hor

N m v 53 m 64 62

S V 55 M 71

E v 61 m 62

O v 53 m

N-E v 60 70

N-O M 62 v 53 m 66

S-E v 57

S-O m 62 v 53

7 8 9

111

263 131 385 186

113 146 126 160 212 182 191 269 232 222 330 284 234 359 309 220 352 303 186 290 249 143 207 178 129 134 115 27 32 27

176 152 131 249 214 186 298 257 223 317 273 258 272 234 272 256 220 335 216 186 335 166 143 264 150 129 100 31 27 33

113 173 149 160 249 214 191 309 266 222 351 302 234 333 287 288 268 231 288 216 186 227 166 143 86 29 150 129 31 27

131 113 153 186 160 211 223 191 243 268 230 258 333 287 272 380 326 256 352 303 216 265 228 166 103 33 89 28 150 31

131 131 113 182 186 160 209 223 191 222 258 222 234 272 234 220 256 220 186 249 214 143 206 177 129 126 109 27 32 28

10 500 223 11 625 258 12 686 272 13 686 256 14 563 216 15 395 166 16 201 150 17 54 31

Tableau 1.14a Intensit du rayonnement solairesur les murs (m) et vitrages (v) [W/m]. Latitude 4 Nord (fvrier)

16


Heu Hor

N m V M

S V m

E v m

O v m

N-E v

N-O M v m

S-E V

S-O m v

7 8 9

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

10 800 254 203 322 258 482 385 254 203 463 371 254 203 367 293 254 203 11 870 284 227 362 290 408 326 284 227 427 341 284 227 317 253 284 227 12 836 283 226 357 285 283 226 283 226 335 268 335 268 283 226 283 226 13 749 250 200 315 252 250 200 354 283 250 200 370 296 250 200 277 222 14 610 205 164 253 203 205 164 367 294 205 164 354 283 205 164 285 228 15 437 154 123 182 146 154 123 308 247 154 123 283 226 154 123 243 194 16 237 17 66 95 34 76 27 105 35 84 28 95 34 76 27 178 142 45 36 95 34 76 27 160 128 42 34 95 34 76 27 146 117 41 33

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

N m v 97 m 113

S v 90 m

E v m 187 149 113

O v 90 m

N-E v

N-O M v 90 m

S-E v

S-O m v 90

7 8 9

252 121

159 127 113

171 137 113

469 201 161 187 150 350 280 187 150 293 234 187 150 312 249 187 150 668 255 204 244 195 466 373 241 193 392 314 241 193 408 326 241 193

10 806 283 226 280 224 483 386 271 217 419 335 271 217 422 338 271 217 11 862 297 237 302 242 406 325 288 231 376 300 288 231 368 294 288 231 12 841 298 238 306 245 291 233 291 233 301 241 301 241 296 237 296 237 13 730 280 224 284 227 274 219 359 287 274 219 337 269 274 219 331 265 14 653 243 195 242 193 235 188 391 313 235 188 344 275 235 188 347 277 15 444 179 144 173 138 171 137 305 244 171 137 261 209 171 137 271 216 16 248 111 17 69 36 89 28 104 34 84 27 104 34 83 27 181 145 104 48 39 34 83 27 154 123 104 43 34 34 83 27 163 130 45 36

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

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Dsignation des locaux

Locaux denseignement Dortoirs, chambres collectives Bureaux et locaux assimils Salles de runion, spectacle Boutiques, supermarchs Cafs, bars, restaurant Locaux usage sportif

Dbit minimum dair neuf sans fumeur [m3/h/personne] 15 - 18 18 18 18 22 22 18

Dbit minimum dair neuf avec fumeur [m3/h/personne] 25 25 25 30 30 30 30

Densit doccupation [personne/m] 0,67 0,25 0,10 0,31 0,08 0,50 0,80

Tableau 1.15 Dbit de renouvellement dair ncessaire dans les locaux climatiss et nombre de personne au m par type de locaux

1.4.2.3.2 Charges internes Apport de chaleur par les occupants Elle est donne en fonction de la temprature intrieure et du dgr dactivits. On distingue deux sortes de gains gnrs par les occupants : Gains sensibles occupants : QSoc = n . CSoc [W] Gains latents occupants : QLoc = n . CLoc [W] n = nombre doccupants (7) (6)

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 -40% pour un public mixte : -10%

Apport de chaleur par lclairage Il constitue une source de chaleur sensible et dpend du type de lampe (tableau 1.17) :

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Lampe fluorescente QSecl. = 1,25 P [W] Lampe incandescente QSecl. = P [W] P = puissance de la lampe [W] (9) (8)

Dans le cas de la lampe fluorescente, les 25% supplmentaires reprsentent la chaleur dgage par le ballast lectromagntique. Apport de chaleur par les machines et appareillages La plupart des appareils constituent la fois une source de chaleur sensible et latente. Le tableau 1.18 donne les apports de chaleur par les machines et appareillages (QSquip.). Les valeurs de ces tables ont t dtermines daprs les indications de divers fabricants. On doit minorer les apports de ces machines et appareillages (par un coefficient de pondration) en fonction de leurs dures de fonctionnement. On considre par exemple quun appareil ne fonctionnant quune demi heure par heure dgage la moiti de sa puissance lectrique nominale en apport de chaleur.

Activits

Application

Assis au repos

Ecole, thtre Bureau, htel, Travail lger appartement Debout, marche Magasin, lente boutique Repas Restaurant Travail facile Atelier Danse Boite de nuit Travaille difficile Usine

Temprature ambiante [C] 25 C 26C 27C Chaleur Chaleur Chaleur Chaleur Chaleur Chaleur sensible latente sensible latente sensible latente [W] [W] [W] [W] [W] [W] 65 37 62 40 60 42 67 68 77 80 88 149 49 63 84 140 161 277 63 63 71 72 80 142 59 68 90 148 169 284 56 57 64 67 75 136 60 74 97 153 174 290

Emission thermique totale [W] 102 116 131 161 220 249 426

Tableau 1.16 Chaleur dgage par les personnes [W]

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Destination du local ou type dactivit Entrepts, habitat, restaurant, thtres Bureau, salle de cours, hall dentre avec caisse et guichet Salle de lecture, dordinateur, laboratoire, magasin, hall dexposition Supermarch, trs grand bureau, amphithtre sans fentre, travaux de prcision

Puissance raccorde [W/m] Lampe incandescence Lampe fluorescente 25 65 110 8 16 24 45

Tableau 1.17 Chaleur dgage par lclairage

Types dappareils

Puissance nominales [W] 2575 6954 435 2192/719 993 146 3000 200 100 175 500 40 175 500/1000 500/1000 3000 150 400 500/3000

Gain admettre [W] Chaleur sensible Chaleur latente 696 1653 29 609/203 104 29 1550 464 1102 319 899/319 394 116 1450 50 15 500 230 40 175 175/350 120/250 1200 175 250 750 750 52 15 62

Friteuse 5litres dhuile Friteuse 10l dhuile Chauffe pains Moules gaufrettes Percolateur 2l Chauffe eau Cuisine lectrique et machine laver Aspirateur Essoreuse Conglateur 200 l Fers repasser Chane strophonique Tlviseur Schoir cheveux Plaque de cuisson Grill viande Strilisateur Ordinateur Cafetire Photocopieuse Imprimante jet dencre Imprimante laser fax

270 0 0 75/250 130/250 300 325 0 300

Tableau 1.18 Appareillages lectriques et gaz

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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). Do : Q T = QS + QL Charges sensibles totales Ce sont les apports de chaleur sensible dans le local, dus la diffrence de temprature entre lintrieur et lextrieur ; on a : QS = QStr + QSRm + QSRv + QSr + QSoc + QScl. + QSquip. (11) Charges latentes totales Ce sont les apports de chaleur latente dus la diffrence de quantit de vapeur deau contenue dans lair extrieur et intrieur. QL = QLr + QLoc + QLquip (12) (10)

1.4.2.3.4 Puissance du climatiseur et de dshumidification Puissance du climatiseur La puissance frigorifique du climatiseur reprsente les charges thermiques totales QT quil faut combattre, avec : QT = QS + QL [W] La puissance du compresseur est gnralement dduite partir des catalogues des constructeurs. En labsence de tout catalogue, on peut en premire approximation utiliser la notion de coefficient defficacit frigorifique ou de performance frigorifique (COPfroid) dont la formule scrit : COPfroid = Pf/Pa Pf = puissance frigorifique [W] Pa = puissance absorbe [W] (13)

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Do la puissance absorbe par le compresseur Pa = Pf / COPfroid Les Coefficients de performance des climatiseurs monoblocs et splits sont de lordre de 2 2,5 [8]. Autrement dit, une puissance frigorifique de 1 kW au compresseur permettra dextraire 2 2,5 kW de chaleur au local. Cette approche nous permet dobtenir un ordre de grandeur apprciable de la puissance du climatiseur, quitte laffiner lors de ltude dfinitive. Puissance de dshumidification [3] Dans les btiments climatiss en pays tropicaux humides, lhumidit relative intrieure est fortement leve et varie entre 60 70%, avec les tempratures mesures qui sont comprises entre 20 et 25C [3]. Malgr ces tempratures acceptables, certains usagers ont une sensation dinconfort thermique suite la forte humidit relative de lair. Ces relevs permettent de comprendre que les climatiseurs nassurent pas leurs fonctions de dshumidification de lair trait mais de refroidissement simple. Cette situation est due a une mauvaise slection des climatiseurs en rgion tropicale humide qui diffre de celle utilise en climat tropical sec. En rgion tropicale humide, les besoins de climatisation se rsument a un refroidissement et une dshumidification de lair contenu dans un local. Pour cette raison, lors de la slection du climatiseur, on doit tenir compte de deux paramtres importants:: La puissance du climatiseur ou charge calorifique totale en Watt, La puissance de dshumidification ou chaleur latente totale (formule 12) exprime en Watt ou en kg deau/heure (cest la quantit deau pouvant tre retenue par le climatiseur afin dassurer les conditions de confort thermique dans le local). En climat tropical sec, les besoins de climatisation se rsument au refroidissement de lair ambiant contenue dans le local. Aussi, la puissance calorifique totale est le paramtre fondamental calculer pour slectionner un climatiseur. Quand la temprature de rose de lair de lambiance climatiser est suprieure la temprature de surface de la batterie froide, il y a condensation de la vapeur deau contenue dans cet air, do une consommation supplmentaire dans la mesure o les frigories supplmentaires produites serviront lasschement indsir de lair en climat tropical sec. Par consquent, la temprature dvaporation sera plus leve en climat tropical sec quen climat tropical humide.

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1.4.3 Coefficient de scurit Il est dusage courant dappliquer un certain coefficient de scurit aprs avoir effectue le calcul du bilan thermique de climatisation dun local. La valeur gnralement adopte varie entre 0 5% selon que lon connat plus ou moins les lments entrant lors de ltablissement du bilan thermique. Il faudrait viter d'augmenter ce coefficient qui a pour inconvnient daugmenter le bilan thermique de climatisation, de surdimensionner lquipement et donc d'augmenter le cot d'exploitation, particulirement au niveau des auxiliaires. Il faut respecter les consignes dfinies dans le cahier de charge. Nous conseillons de choisir la puissance du climatiseur gale ou lgrement suprieure celle obtenue par le dimensionnement. Dans certains cas, on peut choisir la puissance du climatiseur lgrement infrieure ou suprieure celle du bilan frigorifique pour des raisons dchelonnement des puissances [8] dans une gamme de matriel 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 dterminer la puissance optimale souscrire auprs de la compagnie nationale dlectricit pour un local climatis, nous devrions effectuer un bilan de puissance des appareils installs (compresseurs, ventilateurs, pompes) et autres appareils lectriques. Son calcul fait appel deux facteurs : Facteur dutilisation Ku : cest le rgime de fonctionnement dun rcepteur tel que la puissance utilise soit infrieure la puissance lectrique nominale installe. Il est dfini dans les catalogues constructeurs, la valeur couramment adopte pour les climatiseurs est Ku=1, Facteur de simultanit Ks : tous les rcepteurs ne fonctionnement pas simultanment. Cest pourquoi, il est permis dappliquer aux diffrents ensembles de rcepteurs (ou des circuits) des facteurs de simultanit. Ce facteur varie entre 1 et 0,8 en fonction de limportance de linstallation. La puissance souscrire labonnement (Sa) se calcule daprs la formule suivante : Sa = Sut [KVA] Sut = puissance disponible (14)

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Sut = Pat + Qat Pat = puissance active totale Qat = puissance ractive totale Pat = Pn . Ks . Ku Qat = Pat. tan Pn = U.I.cos

(15)

(16) (17) (18)

Le cos , appel facteur de puissance moyen de linstallation prendre en compte est celui qui permet dviter les pnalits dues la consommation de lnergie ractive. Il est fix par chaque compagnie nationale dlectricit. Le tableau 1.19 nous donne les diffrents facteurs pour quelques pays chantillon. En monophas, on prendra la puissance nominale en monophas des appareils (climatiseurs) installer. En triphas, on prendra Pn = (3)1/2.U.I. cos . Cette puissance est gnralement inscrite sur la plaque signaltique de lappareil ou donne dans le catalogue du constructeur. Zones climatiques Pays Cameroun Cte dIvoire Bnin Togo Sngal Cameroun Cte divoire Mali Niger Tchad Burkina Faso Facteur de puissance: Cos 0,8 0,86

Climat tropical humide Climat littoral Climat tropical sec Climat dsertique tropical

0,8 0,86

Tableau 1.19 Facteur de puissance pour les pays retenus par ltude

On consultera galement le chapitre 1.3 du tome 2 ce sujet.

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1.6 FEUILLE DE CALCUL DU BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATIONIl est pratique et plus structur dutiliser une feuille de calcul (voir annexe) pour dterminer les charges thermiques dun local climatiser parce que tous les postes considrer y sont numrs [2] [8]. Utilisation de la feuille de calcul

1re tape : relev des donnes Inscrire les informations demandes sur le local (dfinies dans le cahier de charge), Dterminer les conditions de base (tableau 1.3; 1.4; 1.5; 1.6) ; en dduire dautres paramtres sur le diagramme de lair humide, Dterminer les carts de temprature et de teneur en eau, Dterminer lheure laquelle le calcul du bilan sera effectu (figure 1.1, tableau 1.8), Dterminer le type de renouvellement dair et son dbit (tableau 1.14), Identifier chaque paroi et vitrage du local suivant les orientations sur la colonne I, Dterminer les caractristiques dimensionnelles des parois et vitrages identifies sur la colonne I et II, Calculer les surfaces nettes des parois et vitrages : colonne III, Calculer les coefficients de transmission k ou les dterminer (tableau 1.7; 1.9) : colonne IV, Rechercher les carts de temprature entre les diffrences surfaces donnant soit lextrieur, soit dans un local adjacent : colonne V, 2me Etape : Calcul des charges Apports par transmission travers les parois opaques et vitrages, - Utiliser les colonnes III, IV et V ; appliquer les rsultats 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 (tableau1.10), F (tableau 1.11), g (tableau 1.12), - Utiliser la colonne VII et VIII et lappliquer la colonne IX. Apports de chaleur sensible par les occupants (formule 3), Apports de chaleur sensible par les appareils lectriques (tableau 1.18), Apports de chaleur sensible par les sources diverses, Apports de chaleur sensible par renouvellement dair (formule 6), Charge calorifique sensible = 1+2+3+4+5+6 (formule 7), 25


Apports de chaleur latente par les occupants (formule 8), Apports de chaleur latente par les appareils lectriques (tableau 1.17), Apports de chaleur latente par les appareils diverses (voir feuille de calcul), Apports de chaleur latente par renouvellement dair (formule 11), Charge calorifique latente = 8+9+10+11 (formule 12), Puissance du climatiseur = Charges calorifique totale = 7+12, Puissance de dshumidification du climatiseur = charge calorifique latente.

1.7 EXEMPLE DAPPLICATIONOn se propose de dterminer la puissance de climatisation des bureaux situs au rez-de-chausse dun immeuble. Ces bureaux ont des caractristiques identiques, et pour cela, on vous demande dvaluer la puissance de climatisation dun seul local. Cahier de charge Les bureaux se trouvent dans la ville de Douala au Cameroun ; ils sont situs au rez-de-chausse dun immeuble. Les caractristiques du local sont : Murs extrieurs en agglomrs creux de 20 cm avec enduit extrieur et intrieur au sable, peinture blanche des deux cts, Cloisons en agglomrs creux de 10 cm avec enduit intrieur et extrieur au sable, peinture blanche des deux cts, Plancher en bton de sable de 15 cm avec une chape de ciment, moquette marron au dessus, Plafond en bton de sable de 20 cm, couleur blanche des deux cts, local non conditionn au-dessus, Hauteur sous-plafond : 3m, Portes en bois de 1m2m avec encadrement en bois, Fentre vitre de 1m1,5m avec encadrement mtallique, store extrieure en toile de couleur crue, Dure dclairage : apprcier par le matre duvre, Eclairage fluorescent : apprcier par le matre duvre, Les bureaux sont occups de 8h 12h et de 13h 18h.

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Figure 1.2 Plan du local

Travail demand Faire le bilan thermique de ce local En dduire la puissance du climatiseur et la puissance de dshumidification. Slectionner sur le catalogue du constructeur X Dterminer la puissance souscrire la compagnie dlectricit. Reprendre le bilan thermique de ce local en utilisant le logiciel accompagnant ce manuel ; comparer les rsultats obtenus. Solution Calcul du bilan thermique par la mthode dfinie dans ce manuel Heure de calcul Pour ce local, les parois Nord, Sud et Ouest sont ensoleilles. Les apports de chaleurs sont maximaux 12h sur la parois Nord, 13h sur la parois Sud et 14 h sur la parois Ouest (tableau 1.14). Toute fois, la surface Sud tant la plus grande et compte tenue de lheure doccupation des locaux (8h 12h et 13h 18h), nous choisissons deffectuer ce bilan 13 heures. Temprature extrieure : 32C Temprature intrieure : 26 C Humidit relative =83% w=0,0255 kg/kg air sec Humidit relative =51% w=0,0108 kg/kg air sec

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Calcul des apports calorifiques

Orientation des parois Mur Nord Mur Sud Mur Ouest Plancher Plafond Vitrage Ouest Portes en bois

Surface nette [m] 30 28 16,5 60 60 1,5 2

K [W/m K] 2,09 2,09 2,09 1,36 1,14 5 3,94

Intensit du rayonnement [W/m] 256 352 355

288 352

Apport de chaleur par transmission travers les parois mur Nord : mur Sud : mur Ouest : mur Est : Plafond : Qstr1 = 2,09 30 (32-26) = 376 W Qstr2 = 2,09 28 (32-26) = 351 W Qstr3 = 2,09 16,5 (32-26) = 207 W Qstr4 = 2,37 18 (32-26-3) = 128 W Qstr8 = 1,14 60 (32-26-3) = 205 W

vitrage Ouest : Qstr6 = 5 1,5 (32-26) = 45 W Porte en bois : Qstr7 = 2 3,94 (32-26) = 47 W Qstr = 1359 W Apport de chaleur par rayonnement travers les parois mur Nord : mur Sud : mur Ouest : porte sud : QsR1 = 0,4 0,105 30 256 = 322 W QsR2 = 0,4 0,105 28 352 = 413 W QsR3 = 0,4 0,105 16,5 335 = 232 W QsR6 = 0,7 0,197 2 352 = 97 W

vitrage Ouest : QsR5 = 0,86 0,28 1,5 288 = 104 W

QsR = 1168 W

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Apport de chaleur par renouvellement dair : 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 QL1 = 356 W = 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 QL2 = 340 W = 318 W

Apport de chaleur par lclairage : on suppose quon utilise des tubes fluorescents Qscl = 16 60 = 960 W Qscl = 960 W

Apport de chaleur par les quipements : on suppose quil y a 1 ordinateur avec imprimante, une photocopieuse, 1 fax, une chane strophonique et une cafetire. On tiendra compte du coefficient dutilisation (cu) qui varie dun quipement un autre Ordinateur: Photocopieuse : Fax : Cafetire sensible : Cafetire latente : Imprimante : Qsquip = 609,3 W QL3 = 75 W Qsquip1 = 250 1 = 250 W (cu = 100%) Qsquip2 = 750 0,2 = 150 W (cu = 20%) Qsquip3 = 62 0,15 = 9,3 W (cu = 15%) Qsquip5 = 750 0,25 = 188 W (cu = 25%) QL3 = 300 0,25 = 75 W (cu = 25%) Qsquip6 = 52 0,15 = 8 W (cu = 15%)

Chane strophonique : Qquip4 = 40 0,1 = 4 W (cu = 10%)

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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 dshumidification : 2,61 kW, soit 3,76 l/h. Slection dans le catalogue dun constructeur de marque X Split systme : Puissance frigorifique : Dbit dair : Niveau sonore : Puissance nominale absorbe : Calibre fusible : Liaison frigorifique : modle Froid seul 30 F ; 3CV4 8500 W, soit 29 000 BTU/Hr 1200 m3/h 900 m3/h 41/49 dB(A) 3280 W 32 A 25 m

Diamtre laspiration 3/8 po. et liquide 5/8 po. Puissance souscrire la compagnie dlectricit Cos = 0,8 ou tan = 0,75 au facteur de puissance moyen de linstallation Puissance nominale du climatiseur : 3280 W Puissance active totale : Coefficient dutilisation : Puissance ractive totale : Sut : puissance disponible : Do Puissance souscrire : Pat = Pn.Ks.Ku = 3280x1x1 = 3280 Ku = 1 ; coefficient de simultanit : Ks = 1 Qat = Pat. tan = 3280 x 0,75 = 2460 Sut = Pat + Qat = (3280) + (2460) Sa = Sut =4100 VA

On souscrira auprs de la compagnie dlectricit une Puissance de 4100 VA

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Mthode de calcul par logiciel mise au point

Rpartition des apports Charges sensibles totales 4780 Charges latentes totales 2612 Puissance frigorifique 7,39 KW 25134 BTU Puissance du climatiseur Facteur de chaleur sensible Puissance de dshumidification 3,35 Cv 0,65 3,76 l/h

Figure 1.3 Rpartition des apports

Rpartition des apports de chaleur sensible 1. Fentres ensoleilles 149 2. Fentre non ensoleilles 0 3. Murs extrieurs ensoleilles 2043 4. Murs extrieurs non ensoleilles 0 5. Murs en contact avec les locaux non conditionns 128 6. Murs en contact avec la cuisine 0 7. Toitures ensoleilles 0 8. Plafonds sous local non climatis 205,2 9. Plafonds sous comble 0 10. Plancher sous local non climatis 0 11. Portes en bois 0 12. Renouvellement d'air 356 13. Occupants 340 14. Eclairage 950 15. Machines et appareillages 608,6

3,12 % 0% 42,73 % 0% 2,68 % 0% 0% 4,29 % 0% 0% 0% 7,46 % 7,12 % 19,87 % 12,73 %

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CONCLUSION [10]Le but de ce chapitre a t dapporter notre contribution aux efforts dvelopps en Afrique tropicale pour limiter la consommation dnergie par une amlioration du dimensionnement des installations de conditionnement dair [10]. Pour ce faire, nous avons propos des lments de calcul des charges thermiques adapts aux climats tropicaux humides, de transition, secs et dsertiques. Une mthode simplifie de calcul de bilan thermique permettant de prslectionner les quipements et donc de chiffrer une installation de climatisation a t prsent. Les ratios de consommations nergtiques dun local climatis et la mthode dvaluation de la puissance lectrique souscrire auprs de la socit nationale dlectricit ont permis de complter cette tude. Lutilisation des donnes consignes dans ce prsent chapitre pour effectuer un bilan thermique de climatisation est recommande car cela nous permet dune part dconomiser sur linvestissement dans lachat du matriel et dautre part, dadapter la puissance installer nos besoins rels ; ce qui diminuera aussi les dpenses en climatisation.

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ANNEXEFEUILLE DE CALCUL DUN BILAN THERMIQUE DE CLIMATISATIONDate : Agent : Client : Adresse du client :

LOCAL

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

CONDITIONS Air extrieur : Air du local :

T sche

T humide

Humidit relative =

Teneur en eau

Heure de calcul: ____h

t =_____

_____

- Type de renouvellement dair : Naturelle / Mcanique_ / Dbit_________________(m3/h)I Dsignation et exposition des parois II Dimension de la paroi III Surface brute de la paroi en m IV V VI VII Apports par t des t sche transmission : (C) Qm/v= K.S. t III IV V (W) Qm = .F.S.Rm (W) III IV V (W) Qv = .g. S.Rv (W) VIII -

=IX Apports par rayonnement solaire III IV V (W)

Nombre et Surface totale Kv dimension des vitrages ( m) des vitrages Surface nette de Km la paroi (m)

(1) Total par transmission

(2) Total par rayonnement solaire

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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 lectriques : Watts dissips _____________________= Chevaux dissips_______x 750____________= (5) Sources diverses : ____________________W_______________= (6) Renouvellement dair : ______m /h________x 0,33__________= (7) CHARGE CALORIFIQUE SENSIBLE = XI. APPORT DE CHALEUR LATENTE (8) Occupants :nombre_______x W/personne _________________= (9) Appareils lectriques : Watts dissips _____________________= (10) Sources diverses :____________________W______________= (11) Renouvellement dair : _____ m /h ____ 0,84___________= (12) CHARGE CALORIFIQUE LATENTE 8+9+10+11 =3 3

___________ ___________ ___________ ___________ ___________1+2+3+4+5+6

___________

___________ ___________

(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] [2] [3] Manuel CARRIER, Premire partie : Calcul du bilan thermique, Carrier International LTP, NewYork, USA, 2me Edition, 1960. Documents constructeurs : CARRIER, AIRWELL, TECHNIBEL, TRANE, CIAT, WESPER, FRANCE AIR. KEMAJOU A., LECOMTE D. et ESSAMA L., Des donnes pour le calcul des charges de conditionnement dair pour les climats tropicaux humides, Promoclim E, Vol. 6, n92, 1992, p. 389398. Norme ISO 7730, Spcification des conditions de confort thermique, Organisation Internationale de Normalisation, Genve, 1984. ASHRAE standard 55-81, Thermal environmental conditions for human occupancy, Amer. Soc. Heating Refrig. Air-Condit. Ing. Inc., Atlanta, 1981. MOURTADA A., CAKPO C., KONE M.L., Diagnostic Thermique dans le tertiaire en Cte dIvoire. Normalisation et Conditions de Conforts optimales, Proceedings of the Eleventh Congress of the International Ergonomics Association, Paris, FRANCE, 1991. NGANYA T., Etude et Possibilits dutilisation des isolants locaux dans lhabitat au Cameroun, Mmoire de DEA Energtique, ENSP, Yaound, Cameroun, 1994. COSTIC, Guide technique de la climatisation individuelle, Nouvelle dition, SEDIT Editeur, France, 1995, 185 p. Logiciel CODYBA et CASAMO CLIM, Agence de lEnvironnement et de matrise de lnergie, Mallette pdagogique, PULPE, 1992.

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[10 KEMAJOU A., Confort thermique en situation relle et mesure dconomies dnergie dans les btiments tertiaires au Cameroun, Thse de Doctorat en Sciences de lIngnieur, Gnie Energtique, ENSP, Yaound, Cameroun, 1995, 256p. [11] NJOMO D., Modlisation des variations mensuelles de lirradiation solaire reue au Cameroun, Modelling, Simulation and Control, C, AMSE Press, vol. 18, N 1, 1988 pp. 39-64. [12] THIBON J. et CAKPO C., Mthodologie de diagnostic nergtique, Actes de l'Atelier sur la Matrise de l'nergie dans les btiments, PRISME, IEPF, Ademe, Yaound, 1993, p. 222-233. [13] BLANC E., CALVAS R., GALLAIS F. et SCHULTZ F., Guide de linstallation lectrique. Editions Merlin Grin, France, 1982. [14] BOURGEOIS R., COGNIEL E., Mmotech Electrotechnique, Edition Andr CASTEILLA, Paris, France, 1986.

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

CHAPITRE 2

L'EVALUATION DES COUTS GLOBAUX D'EXPLOITATION

2.1

EFFICACITE ENERGETIQUE DU SYSTEME ..................................................................... 382.1.1 Rendement de Carnot dun compresseur .............................................................................................38 2.1.2 Coefficient de performance dune installation.....................................................................................40 2.1.3 Coefficient dexploitation dun systme .............................................................................................41

2.2

CONSOMMATION ENERGETIQUE ANNUELLE D'UNE INSTALLATION ................. 412.2.1 Les lments de consommation de lnergie .......................................................................................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 linstallation ................................................................................43

2.3 2.4

L'ENERGIE FRIGORIFIQUE.................................................................................................. 43 ENTRETIEN MAINTENANCE ................................................................................................ 442.4.1 Le contrat dentretien...........................................................................................................................44 2.4.2 Le contrat dexploitation.....................................................................................................................44

2.5 2.6.

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

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

2.1 EFFICACITE ENERGETIQUE DU SYSTEME 2.1.1 Rendement de Carnot dun compresseurDans un systme frigorifique classique compression de vapeur, les pertes nergtiques se rpartissent comme suit : 45 50 % pour le compresseur, 35 40 % pour les changeurs, 10 15 % pour le dtenteur et annexe. Le compresseur, quel que soit son type (alternatif pistons, vis, centrifuge, rotatif, spiro-orbital) et son mode de construction (hermtique, hermtique accessible, ouvert), est le composant absorbant la plus grande quantit dnergie du systme frigorifique. Cest lui galement qui est le sige des plus grandes pertes nergtiques entranant une consommation dlectricit additionnelle au minimum thorique requis. Lnergie lectrique absorbe par le compresseur permettra de : Raliser au minimum le cycle frigorifique thorique selon les lois fondamentales de la thermodynamique, Compenser les invitables pertes nergtiques engendres dans le compresseur. Ces divers pertes peuvent tre values sur la base des notions de rendement et defficacit. Energie absorbe = Energie Thorique Requise + Pertes Energtiques 2.1.1.1 Lefficacit thorique Lefficacit thorique Eth du cycle idal de Carnot est une rfrence absolue et universelle pour apprcier la performance dune machine thermodynamique, tel un compresseur frigorifique. Lefficacit thorique dune machine frigorifique idale est donne par lexpression fondamentale : Eth = To / (Tc-To) To = temprature absolue de la source froide (vaporateur) Tc = temprature absolue de la source chaude (condenseur)

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Lefficacit thorique correspond au rapport de la puissance frigorifique produite Po la puissance nergtique minimale qui serait absorbe par une machine idale (sans pertes), aux tempratures To et Tc des sources chaude et froide correspondantes. Eth = Po / Pth Cette puissance absorbe minimale nest jamais atteinte pour une machine relle, car les pertes internes combattre absorbent une importante puissance additionnelle. 2.1.1.2 Efficacit relle Lefficacit relle Er dun compresseur frigorifique est exprime par le rapport de la puissance frigorifique produite Po la puissance nergtique Pw rellement absorbe par le compresseur frigorifique dans les conditions dopration. Er = Po / Pw Selon Carnot lefficacit relle Er est une fraction plus ou moins grande de lefficacit thorique Eth car la puissance nergtique rellement absorbe par le compresseur Pw est toujours suprieure la puissance nergtique minimale thorique Pth. Pw > Pth 2.1.1.3 Rendement de Carnot Le rendement de Carnot du compresseur Nc est le rapport de lefficacit relle Er lefficacit thorique 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 diffrents types de compresseurs.

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2.1.2 Coefficient de performance dune installation2.1.2.1 Le Coefficient de Performance thorique (COPth) La machine frigorifique permet un transfert de chaleur de lvaporateur vers le condenseur. Ce transfert est ralis laide dun compresseur qui consomme une certaine quantit dnergie. On appelle coefficient de performance thorique, le rapport de lnergie frigorifique fournie la quantit dnergie ncessaire pour comprimer le fluide frigorigne. 2.1.2.2 Le Coefficient de Performance rel (COPrel) Le coefficient de performance rel est le rapport de lnergie frigorifique fournie lnergie incidente. Le COPth et le COPrel ne renseignent pas rellement sur les conditions dutilisation et de fonctionnement de toute linstallation de climatisation. Ils ne prennent pas en compte le circuit araulique et les autres lments tels que les pompes et les tours de refroidissements. Type du compresseur Alternatif ( piston) Mode de construction Hermtique Hermtique accessible Ouvert Spiro-orbital (Scroll) A vis Hermtique Hermtique Hermtique accessible Ouvert Centrifuge Hermtique accessible Ouvert Fluide vhicul R134a R134a R22 R22 R22 NH3 R22 R22 R22 R 22 NH3 R123 R123 Gamme de puissance [kW] 0.1 / 1 1/5 2 / 15 1 / 50 4 / 15 100 / 1000 4 / 15 40 / 60 40 / 100 50 / 100 100 / 1000 500 / 1000 300 / 1000 1000 / 2000 Rendement de Carnot usuel 0.2 / 0.33 0.33 / 0.41 0.4 / 0.53 0.45 / 0.60 0.5 / 0.72 0.6 / 0.69 0.5 / 0.72 0.5 / 0.6 0.55 / 0.65 0.57 / 0.67 0.6 / 0.7 0.58 / 0.66 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"]

40


2.1.3 Coefficient dexploitation dun systmeLa consommation nergtique dune installation frigorifique est en premier lieu fonction de ses conditions dutilisation, donc des besoins de froid rels et de leur variation durant la saison. A tout besoin de froid correspond une condition de fonctionnement de linstallation (temprature dvaporation, temprature de condensation). Pour dterminer la consommation dnergie dune installation, il est ncessaire dintgrer tout au long de lanne les puissances absorbes chaque rgime de marche de tous les lments consommant de lnergie.

2.2 CONSOMMATION ENERGETIQUE ANNUELLE D'UNE INSTALLATION 2.2.1 Les lments de consommation de lnergieLes lments consommant de lnergie dans une installation frigorifique sont les suivants : Le compresseur Cc, Les auxiliaires permanents Cp, Les auxiliaires non-permanents Cnp, Les pertes en rseau qui augmentent les besoins de froid donc la dure de fonctionnement du compresseur (cette consommation est intgre dans Cc), Le dgivrage Cd qui augmente les besoins de froid en produisant de la chaleur lvaporateur, perte quil faudra compenser par un fonctionnement supplmentaire du compresseur en cycle froid, La consommation globale annuelle de linstallation est la somme des consommations de tous les lments cits ci-dessus.

Le calcul de la consommation dnergie se fera en fonction de la variation des besoins de froid et du nombre dheures correspondant chacun de ses besoins; ceux-ci seront spcifiques chaque installation.

2.2.2 Consommation annuelle du compresseurLa puissance frigorifique (Qo) et la puissance absorbe (Pa) dun compresseur varient suivant les tempratures dvaporation et de condensation. Les hypothses de calcul sont les suivants : Les besoins frigorifiques sont rpartis en n valeurs de puissance BFj, BF besoin frigorifique maximum, i est lindice de rgime de fonctionnement, j est lindice de besoin de froid. 41


Taux de fonctionnement Tfij = BFj / Qoi Nombre dheure de fonctionnement hcij = nhij * BFj / (RPFij * Qoi)

Consommation partielle pour un besoin de froid Bfj Ccij = Pai * hcij Consommation annuelle du compresseur Cc (kW) = Ccij Qoi nhij Pai = puissance frigorifique produite sous le rgime i, exprime en kW = nombre dheure dutilisation pour un besoin en froid Bfj, sous le rgime i exprim en heures = puissance lectrique absorbe sous le rgime i, exprime en kW

RPFij = rendement de production de froid sous le rgime i

Un rgime est dfini par les tempratures dvaporation et de condensation.

2.2.3 Consommation des auxiliaires permanentsCes organes fonctionnent en permanence, ce sont les ventilateurs, les pompes, etc. Cp = (Pv + Pp) * nhij Pv = puissances des ventilateurs Pp = puissances des pompes

42


2.2.4 Consommation des auxiliaires non-permanentsCes organes sont asservis au fonctionnement du compresseur (rsistance de carter, vanne magntique dpart liquide, etc.) Cnp = Prc * ( nhij - hcij) + Pvm * hcij Prc = puissance de la rsistance de carter (consomme uniquement larrt du compresseur)

Pvm = puissance de la vanne magntique.

2.2.5 Consommation globale annuelle de linstallationLa consommation globale annuelle de linstallation est la somme des consommations de tous les lments consommant de lnergie. Elle est gale : C (kWh) = Cc + Cp + Cnp + Cd Remarque Lquation prcdente montre quun mauvais entretien, de mauvais rglages, une mauvaise charge en fluide frigorigne et une mauvaise charge en fluide frigorigne et une mauvaise adaptation du systme frigorifique aux besoins, augmentent de faon importante la consommation globale de linstallation frigorifique.

2.3 L'ENERGIE FRIGORIFIQUEPour dterminer lnergie froid utilise sur lanne, il faut intgrer les besoins de froid sur toute lanne : EF annuelle kWh = (Bfj * nhij) ou encore EF annuelle = Efj Efj = Bfj * nhij EF est exprime en Kw 43


On en dduit le coefficient dexploitation (COE), le rapport de lnergie froid annuelle la consommation annuelle. COE = EF annuelle / C annuelle Plus linstallation est performante, bien rgle et bien entretenue, plus le coefficient dexploitation COE sera lev. On dit que linstallation est moins nergivore. Les normes amricaines prconisent un COE > 3, pour une installation de climatisation efficace du point de vue nergtique.

2.4 ENTRETIEN MAINTENANCELorganisation de lexploitation peut se concevoir, soit en utilisant une main duvre salarie de ltablissement, soit en confiant des entreprises sous forme de contrat dure dtermine ou indtermine ou de commandes ponctuelles. Dans les prvisions de dpenses, les cots de la main duvre salarie doivent inclure toutes les charges lies cette main duvre (taxes, habillement, avantages sociaux,). La recherche dune plus grande conomie sur le montant des charges, du confort des utilisateurs, de la scurit de fonctionnement, ainsi que de la protection de lenvironnement conduisent de plus en plus faire appel une entreprise spcialise dans la gestion des quipements thermiques. Deux approches sont possibles : le contrat dentretien, le contrat dexploitation.

2.4.1 Le contrat dentretienLe contrat dentretien est un contrat de moyens au terme duquel le prestataire sengage mettre en uvre un certain nombre de moyens, dfinis aux contrats, qui sont destins maintenir linstallation dans un tat normal de fonctionnement.

2.4.2 Le contrat dexploitationLe contrat dexploitation est un contrat de rsultats au terme duquel le prestataire prend lengagement dobtenir un rsultat : en gnral la temprature dans les locaux. Il appartient lentreprise de dfinir elle-mme les moyens quelle estime devoir mettre en uvre pour obtenir ce rsultat. 44


Lengagement du prestataire de services est complet, la tranquillit du client est totale. Les contrats dexploitation peuvent tre plus ou moins complets et complexes selon lengagement de rsultat souhait : il peut sagir dengagement allant jusqu 24h sur 24, 365j/an ou avec des dlais dintervention spcifis, pouvant mettre en jeu des moyens de tlsurveillance ou de tlgestion. Ces contrats comportent plusieurs prestations complmentaires : La conduite et lentretien courant

Cette prestation consiste assurer le fonctionnement de linstallation : dmarrage, arrt, rglage et lentretien courant. Les contrats avec gestion dnergie Cette prestation consiste dgager le client du souci de lalimentation en nergie en le prenant en charge. Elle dcharge le client du souci des relations avec le concessionnaire, du choix des tarifs et de la qualit de lnergie pour le rseau lectrique. On distingue 3 types de contrats avec gestion d'nergie: Au forfait, la facturation tant la mme chaque anne aux variations des conditions conomiques, En fonction de la temprature extrieure, la facturation tant ajuste en fonction des donnes climatiques, En fonction des arrts lis 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 matriels, moyennant une rmunration annuelle forfaitaire et dans le cadre dun engagement de longue dure (maximum de 10 ans). Elle dgage le gestionnaire de tout souci financier en cas dinvestissement lourd sur linstallation.

45


2.5 COUT GLOBAL D'EXPLOITATIONLe cot d'exploitation se dcompose en deux termes: CGEx = CE + CM CE = Cot nergie lie la climatisation CM = Cot dentretien et de maintenance Remarque A la rception dun quipement, dune installation de climatisation, il faut obtenir la remise des documents suivants : Plans et schmas dexcution, Notice de fonctionnement, de rglages, Notice dentretien, de diagnostic, dincidents, Liste des pices de rechange prconises.

2.6. EXEMPLEExemple Reprenons l'exemple d'une installation frigorifique dont le bilan thermique est dcrit dans l'excellent ouvrage de J. Bernier ("L'itinraire d'un frigoriste" paru chez PYC- Editions) : lanalyse est intressante pour visualiser lorigine des consommations dune installation. " L'installation fonctionne toute l'anne avec des besoins maximum de froid (Besoin de Froid = BF) de 10 kW. Pour simplifier, on rpartira 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 fonctionn durant 400 heures 6 kW-froid, avec une temprature de condensation de 40C. On remarquera que le nombre d'heures de la deuxime ligne correspond un total de 8 760 heures, soit une anne. Les lignes 3, 4 et 5 indiquent la rpartition de ces heures en fonction du rgime de fonctionnement du compresseur, lui-mme fonction de la temprature extrieure.

46


Nous allons mettre en situation le compresseur et dterminer ainsi ses consommations partielles chaque rgime de marche. La temprature d'vaporation est suppose constante - 10C. BF - Besoin de Froid (kW) dure totale heures dure heures condensation 50 dure heures condensation 40 dure heures condensation 30 10 800 600 200 9 150 100 400 100 8 200 130 500 200 7 150 700 600 200 6 100 300 400 300 5 700 200 300 200 4 500 100 200 200 3 300 80 220 2 260 60 200 1 200 50 150

Exemple de rpartition sur l'anne des besoins de froid et des temps de fonctionnement chaque rgime (en heures)

Consommation du compresseur

La puissance frigorifique et la puissance absorbe d'un compresseur varient suivant les tempratures d'vaporation et de condensation. La figure ci-dessous illustre ces variations pour notre exemple. La puissance frigorifique au rgime extrme - 10/+ 50C est de 11 kW. On notera que les courbes utilises correspondant aux conditions relles de surchauffe et de sous refroidissement, et non aux conditions nominales donnes par le constructeur.

47


Reprenons maintenant notre tableau de frquences que nous allons complter avec: - la puissance absorbe chaque rgime - 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'croule littralement. Cest normal, iI ne doit pas seulement couvrir le BF, mais aussi la mise temprature du circuit, qui aprs chaque arrt se rchauffe compltement.

48


Exemple daffaiblissement de la Production de froid en fonction du taux dutilisation du compresseur (Rendement de production de froid RPF

Ainsi, l'installation tudie doit assurer pendant 50 heures une puissance froid de 1 kW lorsque la condensation se produit 40C. La figure ci-dessus prvoit ce rgime 13,2 kW frigorifique. Le taux de fonctionnement sera de 1 kW/ 13,2 kW, soit 8 %. Mais un tel taux de charge, le rendement de production de froid est de 80%. Si bien que le temps de fonctionnement rel sera de: 50 heures x 1 kW / (0,80 x 13,2 kW) = 5 heures D'une manire gnrale, le nombre d'heures de fonctionnement du compresseur hc chaque fonctionnement partiel est gal : 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 l'vaporateur

La consommation totale annuelle du compresseur est gale la somme de toutes les consommations partielles, aux divers rgimes.

49


Besoin de Froid - BF (kW)

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

Rgime - 10/50 Nbre heures utilisat. nh 600 1000 1300 Puissance frigo Qo kW 11 11 11 Taux fonct. % 90% 82% 73% Rendement RPF 100% 100% 100% Puissance absorbe kW 6 6 6 Heures fonct. hc 545 818 945 Consommation Cc kWh 3270 4908 5670 Rgime - 10/40 Nbre heures utilisat. nh 200 Puissance frigo Qo kW 13,2 Taux fonct. % 76% Rendement RPF 100% Puissance absorbe kW 5,6 Heures fonct. hc 152 Consommation Cc kWh 851 Rgime - 10/30 Nbre heures utilisat. nh Puissance frigo Qo kW Taux fonct. % Rendement RPF Puissance absorbe kW Heures fonct. hc Consommation Cc kWh 400 13,2 68% 99% 5,6 275 1542 500 13,2 61% 99% 5,6 306 1713

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

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

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 mme manire, le temps total de fonctionnement annuel du compresseur est gal la somme des temps de fonctionnement partiels aux divers rgimes: hc = 5 091 heures

50


Consommation des auxiliaires permanents

Comme leurs noms l'indiquent, ces auxiliaires consommateurs d'nergie fonctionnent en permanence. Dans notre exemple, le ventilateur de l'vaporateur 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 magntique dpart liquide, rsistance de carter, etc.) Pour notre exemple, le ventilateur de condenseur absorbe 300 W et est asservi au compresseur. La bobine de l'lectrovanne absorbe 10 W. Le compresseur comporte en outre une rsistance de carter (non rgule) qui consomme 20 W quand le compresseur est l'arrt. 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 Dgivrage

Estimer sans observation les consommations d'un dgivrage n'est pas chose toujours facile car leur frquence est trs variable. Pour notre exemple, nous estimerons en moyenne quatre dgivrages par jour de 15 minutes ( 0,25 heure) l'aide d'une rsistance lectrique de 6 kW, ce qui conduit une consommation annuelle de: Cd = 6 x 0,25 x 365 x 4 = 2.188 kWh/an Rcapitulation des consommations annuelles

La consommation totale annuelle est gale 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 cot une telle consommation dpend essentiellement du rgime tarifaire appliqu: entre 3 et 5 Fr/kWh, gnralement. Tout dpend du moment de fonctionnement de l'installation: jour ? jour durant la pointe ? nuit ? ...

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Quelle efficacit nergtique ?

Dterminons l'nergie froid utilise sur l'anne. Il suffit d'intgrer les besoins de froid sur l'anne, donc de totaliser les produits des besoins frigorifiques par le temps, pour les 3 rgimes de marche. Besoin de froid -BF (kW)Nombre d'heures rgime- 10/50C Nombre d'heures rgime- 10/40C Nombre d'heures rgime- 10/30C

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

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 simplifi de l'nergie froid annuelle

L'nergie froid annuelle ncessaire est la somme des chiffres de la dernire ligne du tableau soit: EF annuel = 61.120 kWh (220.000 MJ) L'efficacit nergtique moyenne annuelle de l'installation frigorifique est le rapport entre l'nergie froid produite et l'nergie lectrique consomme soit, pour notre exemple: EEmoy = 61.120 / 37.775 = 1,62 Plus l'installation sera performante, bien rgle, et bien entretenue et plus ce coefficient sera lev, ce qui veut donc dire tout simplement que moins l'installation sera gourmande en nergie lectrique. Remarque: ce coefficient EEmoy de 1,62 correspond une installation frigorifique ( froid ngatif ) et pas une installation de climatisation puisque la temprature d'vaporation est de -10C. Gnralement, une installation de climatisation aura une temprature d'vaporation positive, et le EEmoy dpassera 3 pour la saison. On notera galement qu'aux USA toute installation de climatisation ayant un EEmoy infrieur 2,9 sur la saison, est interdite.

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CHAPITRE 3

LE CHOIX DES SYSTEMES DE CLIMATISATION : CRITERES GENERAUX

INTRODUCTION ................................................................................................................................. 54 3.1 NIVEAU DE PUISSANCE ......................................................................................................... 543.1.1 Climatiseur individuel dtente directe - Gamme rsidentielle ..........................................................54 3.1.2 Armoire de climatisation .....................................................................................................................55

3.2 3.3 3.4

NIVEAU SONORE ..................................................................................................................... 57 CONDITIONS CLIMATIQUES................................................................................................ 61 CHOIX ENTRE MULTIPLES CLIMATISEURS DE LOCAUX ET CLIMATISATION CENTRALE................................................................................................................................. 613.4.1 Climatiseurs individuels ......................................................................................................................61 3.4.2 Centrale de climatisation .....................................................................................................................61

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

INTRODUCTIONDans les pays chauds, le domaine demploi des appareils de conditionnement dair est trs tendu. On distingue plusieurs modles daprs : le type de refroidissement (appareils avec machine frigorifique incorpore ou spare) le mode de traitement dair (appareils fonctionnant toute lanne ou une partie de lanne avec rgulation automatique de la temprature et de lhumidit) le type de soufflage (directement ou par lintermdiaire dun rseau de gaines) lutilisation (appareils de confort qui maintiennent un climat artificiel dans la zone de confort ou appareils de conditionnement dair pour lindustrie dont le rle est de crer des conditions climatiques en rapport avec les ncessits de la fabrication) le type de fluide circulant dans lvaporateur

3.1 NIVEAU DE PUISSANCEEn climatisation on distingue deux quantits diffrentes : la puissance lectrique installe et la puissance frigorifique. En choisissant un appareil de X kWr, on slectionne un climatiseur dont lvaporateur 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 absorb une puissance lectrique plus faible. Cest donc cette puissance qui est facture au consommateur. La puissance installe est la puissance consomme par le climatiseur (puissance du compresseur et des auxiliaires tels les ventilateurs et appareils de rgulation).

3.1.1 Climatiseur individuel dtente directe - Gamme rsidentielleIl existe deux types de climatiseurs individuels dtente directe : les windows et les split system. Les windows, ou climatiseurs fentre sont des appareils monoblocs, tandis que les splits sont des appareils ayant un faible niveau sonore dans le local du fait de lunit de condensation pose lextrieur. Leur puissance lectrique nominale va de 0,75 2,2 kW, et donc dveloppent une puissance frigorifique effective de 1,8 (2) 7 kW. Dans la plupart des cas, la puissance est donne en CV en raison de la consommation lectrique du compresseur. Cependant, les appareils sont de moins en moins nergivores, tant prsent quips de compresseurs rotatifs. Pour une bonne approximation, nous pouvons considrer les correspondances suivantes : 1 kWr = 3 412,14 BTU/H 1 CV = 8 000 BTU/H

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Le coefficient de performance est en gnral suprieur 2,3 pour les climatiseurs fentre et 2,6 pour les splits. Les dbits moyens de soufflage schelonnent entre 300 et 1000 m3/h.

3.1.2 Armoire de climatisationEn gnral, la puissance frigorifique des armoires de climatisation schelonne entre 4 et 140 kW et le dbit dair moyen de soufflage varie de 1.000 20.000 m3/h. Suivant le type de local, il est possible de choisir une armoire quipe dun rglage de lhumidit notamment pour les salles techniques (informatique, salles dopration). Les armoires dtente directe peuvent tre en monobloc ou en split ; le fluide circulant dans lvaporateur est un fluide frigorigne. Elles peuvent tre aussi utilise avec de leau glace, dans ce cas, il sagit darmoires eau glace. Le coefficient de performance est en gnral suprieur 2,5 pour les armoires dtente directe refroidissement par air et 3,5 pour les armoires refroidissement eau. La puissance frigorifique nominale est dtermine partir des conditions de bases extrieures et intrieures (voir tableau 1.4 et tableau 1.5 du chapitre 1) : Temprature sche et humide de lair extrieur, Temprature sche et humidit relative de lair intrieur. La temprature de condensation permet de slectionner plus prcisment lappareil. La puissance frigorifique totale fournie par lappareil augmente : Quand la temprature du bulbe humide th diminue, Quand la temprature de condensation tc diminue, Quand le dbit dair V augmente. La puissance frigorifique totale se dcompose en une partie chaleur sensible et une partie chaleur latente. A la puissance nominale, le rapport de la chaleur sensible la puissance frigorifique totale se situe entre 0,75 et 0,85. Ce rapport de la chaleur est dautant plus faible que lair est humide. En refroidissement sec (chaleur latente nulle), il est gale 1.

3.1.3 Climatisation centrale Centrale de toiture (unizone) ou roof-top La puissance frigorifique des centrales de toiture (unizones) varie de 7 120 kW. Le dbit de soufflage varie de 1 500 20 000 m3/h.

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Centrale multizones La puissance frigorifique va de 35 460 kW et le dbit dair maximal de soufflage est de 100.000 m3/h. Le nombre de zones que lon peut desservir est compris entre 6 et 20 zones selon les constructeurs. Pour une description plus dtaille des systmes de climatisation, il est recommand de se reporter au chapitre 5.

Recommandations La puissance frigorifique ncessaire totale de locaux indpendants permet dcarter quelques quipements : Pour une puissance frigorifique 2,5 kW, on slectionnera les Windows ou mme les "split system", Pour une puissance frigorifique > 2,5 kW et < 75 kW, le choix se porte vers les "split system" ou larmoire de climatisation, Pour une puissance frigorifique suprieure 75 kW, on s'oriente vers larmoire de climatisation ou la centrale de climatisation.

Il est prfrable de choisir un appareil ayant une puissance juste infrieure plutt que celui qui a une puissance suprieure lorsque la puissance des appareils prsents sur le march ne correspond pas la puissance frigorifique calcule. Le coefficient de scurit ne devra pas dpasser 5 % de la puissance calcule. En Afrique, le choix est port le plus souvent sur les climatiseurs individuels dtente directe surtout en raison du cot plus faible linvestissement, de la simplicit de la technologie tant pour la pose et mise en service que pour la maintenance. Les principaux inconvnients sont au niveau de lincidence sur larchitecture du btiment et la non matrise de la qualit de lair intrieur : quantit dair neuf, taux de filtration, niveau dhumidit Le choix dun systme centralis est recommand dans les cas suivants : Charge calorifique importante compenser dans le respect de larchitecture du btiment, Amlioration du confort du local par une meilleure gestion de la temprature et de lhygromtrie, ventuellement par la rduction du niveau sonore dans les locaux climatiser, et aussi par la qualit de lair intrieur, Amlioration de lefficacit nergtique avec en mme temps une rduction des cots dexploitation pour le futur ; ceci est possible lors de la conception du btiment en prvoyant un investissement pour un systme adapt au type dexploitation du btiment, Application technique spcialise : industrielle, mdicale Meilleure gestion de la rgulation, 56


Facilit dinstallation la conception, cot de maintenance moins lev en main duvre et flexibilit du design. Le choix du type de systme centralis est fonction du type de btiment. Dune manire gnrale, il existe 5 types de btiments : rsidentiel, petit-tertiaire, grand-tertiaire, htellerie / sant, centre commercial. Dans les btiments rsidentiels o le systme de facturation des frais gnraux ne comprend pas la climatisation, le systme idal prconis est le confort-zone.