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Efficacité énergétique des systèmes thermiques

Chapître 2. Efficacité énergétique des systèmes thermiques. ENERTECH. Efficacité énergétique des systèmes de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire – (1). Définition La consommation d’énergie finale (celle qui est livrée à l’utilisateur) d’un système s’écrit :

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Efficacité énergétique des systèmes thermiques

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Presentation Transcript

  1. Chapître 2 Efficacité énergétique des systèmes thermiques ENERTECH

  2. Efficacité énergétique des systèmes de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire – (1) Définition La consommation d’énergie finale (celle qui est livrée à l’utilisateur) d’un système s’écrit : E = Besoins / gl où gl = rendement global ENERTECH

  3. Efficacité énergétique des systèmes de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire – (1) Définition La consommation d’énergie finale (celle qui est livrée à l’utilisateur) d’un système s’écrit : E = Besoins / gl où gl = rendement global  La consommation d’énergie sera d’autant plus faible que le rendement global sera élevé. Consommation Besoins Rendement global 0 % 50 % 100 % ENERTECH

  4. Efficacité énergétique des systèmes de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire – (2) Définition La consommation d’énergie finale (celle qui est livrée à l’utilisateur) d’un système s’écrit : E = Besoins / gl où gl = rendement global  La consommation d’énergie sera d’autant plus faible que le rendement global sera élevé. Conclusion : un bon concepteur cherchera en permanence à maximiser le rendement global : gl = gén xs xd xr x e où : - gl= rendement global - gén = rendement de génération (de la chaleur) - s= rendement de stockage - d= rendement de distribution - r= rendement de régulation - e= rendement d’émission ENERTECH

  5. Chapître 2 L’architecture climatique Efficacité énergétique des systèmes thermiques Thermique du bâtiment 1 – Le rendement de génération 1-1 Production de chaleur par combustible ENERTECH ENERTECH

  6. Courbe de rendement des chaudières Rendement d’exploitation annuel Rendement 100% Taux de charge annuel ENERTECH

  7. ENERTECH

  8. Mise en cascade des chaudières Une seule chaudière Deux chaudières en cascade Rendement de génération Taux de charge 100% ENERTECH

  9. Principe d’une chaudière à condensation Départ chauffage Echangeur principal Eau préchauffée Condenseur retour du réseau le plus froid Condensats fumées à 40 °C Brûleur Evacuation des condensats ENERTECH

  10. Courbe de rendement des chaudières à condensation Rendement sur PCI (%) ENERTECH

  11. MISE EN ŒUVRE D’UNE CHAUDIERE A CONDENSATION Le fonctionnement correct d’une chaudière à condensation est assuré si les conditions suivantes sont assurées : 1- Associer la chaudière à condensation à une chaudière à haut rendement (« chaufferie composée »). Couvrir 50 à 60 % de la puissance totale avec la chaudière à condensation. 2- Donner la priorité absolue au fonctionnement de la chaudière à condensation sur la chaudière à haut rendement. 3- Irriguer le condenseur de la chaudière à condensation : - soit par une partie du retour de l’ensemble des réseaux de chauffage. Même si le régime des radiateurs est du type 90/70 °C, il y aura quand même condensation pendant 89% du temps, - soit par le retour d’un réseau de chauffage particulier, représentant 20 % de la puissance totale, et dimensionné pour un régime de type 60/45 °C par exemple, ce qui permet une condensation toute l’année, - soit par l’arrivée EF destinée à la préparation ECS. ENERTECH

  12. Une révolution : la chaudière Varino de Guillot ENERTECH

  13. Principe de la cogénération Centrale électrique Electricité 35 Electricité 35 Système de cogénération 87 n = 40% Pertes Combustible 100 52 Combustible 141 Chaleur 50 n = 85% Chaudière 54 Pertes Chaleur 50 n = 93% 4 56 15 Pertes totales Filière traditionnelle Filière cogénération ENERTECH

  14. Chapître 2 L’architecture climatique Efficacité énergétique des systèmes thermiques Thermique du bâtiment 1 – Le rendement de génération 1-2 Production de chaleur par électricité ENERTECH ENERTECH

  15. Quelques rappels : 1 - L’électricité n’est pas une source d’énergie mais un vecteur énergétique, comme par exemple l’hydrogène, qu’il faut donc produire, ENERTECH

  16. Quelques rappels : 1 - L’électricité n’est pas une source d’énergie mais un vecteur énergétique, comme par exemple l’hydrogène, qu’il faut donc produire, 2 – L’électricité est produite à 85 % par voie thermique aujourd’hui (fioul, gaz, nucléaire), donc avec un rendement de 30 à 40 % conduisant à un coefficient réel de conversion énergie primaire/énergie finale de 3,25 mais pris conventionnellement égal à 2,58. ENERTECH

  17. Quelques rappels : Doc : SaunierDuval 3 – Ce coefficient rend impossible les très faibles consommations d’énergie primaire si le chauffage est assuré par convecteurs électriques. Seule la pompe à chaleur (PAC) permet d’utiliser avec une grande intelligence ce vecteur très noble qu’est l’électricité et d’avoir un bon bilan en énergie primaire. ENERTECH

  18. Quelques rappels : 4 – En 2012 le système de chauffage de référence dans la RT ne sera plus le convecteur électrique mais la PAC. ENERTECH

  19. Principes de la pompe à chaleur : 1 – La nature contient une formidable quantité d’énergie dans notre environnement proche (eau, air, sol). Mais cette énergie n’est pas à une température suffisamment élevée pour pouvoir nous chauffer. ENERTECH

  20. Principes de la pompe à chaleur : 1 – La nature contient une formidable quantité d’énergie dans notre environnement proche (eau, air, sol). Mais cette énergie n’est pas à une température suffisamment élevée pour pouvoir nous chauffer. 2 – Il faut donc relever le niveau température de cette énergie. Pour cela on se souviendra que le niveau zéro de l’énergie est à – 273°C. Donc faire passer l’énergie de 283 °K (soit 10°C) à 308 °K (soit 35°C) ne représente pas un effort important. Pourtant cela rend possible l’usage de l’énergie qui est en abondance dans la nature. ENERTECH

  21. Principes de la pompe à chaleur : 3 – La pompe à chaleur permet, grâce à un cycle thermodynamique astucieux, ce relèvement de la température d’une énergie. Mais pour en tirer le meilleur parti il faut respecter certaines règles de conception…. ENERTECH

  22. Principe de la PAC Évaporateur Condenseur Tc [°K] Tf [°K] COP 8 PAC Air/Eau 1,5 (Tc et Tf en °K) (Tc-Tf) PAC Sol/Plancher chauffant L’écart de température entre sources chaude et froide doit être minimum ENERTECH

  23. En conclusion : 1 – Une pompe à chaleur doit avoir un COP moyen annuel > 3 pour présenter un intérêt énergétique. 2 – Pour cela il faut choisir la température de la source froide (la nature) la plus élevée possible, et la température de la source chaude (l’émission de chaleur) la plus basse possible, ce qui devient de plus en plus aisé au fur et à mesure que les bâtiments ont peu de besoins. ENERTECH

  24. En conclusion : 3 – La solution qui est la plus intéressante : puiser la chaleur dans le sol (T = 12°C) et utiliser un plancher chauffant à très basse température (25°C). Le COP vaut alors 7 ou 8. Donc pour fournir 8 kWh de chaleur, on en prend 7 dans la nature (renouvelable) et on utilise 1 kWh d’électricité. ENERTECH

  25. Petit bilan carbone…. Question : une pompe à chaleur utilise des fluides frigorigènes (R 407 c ou R 410 a) qui sont de redoutables gaz à effet de serre. Est-ce mieux ou moins bien qu’une chaudière gaz à condensation du point de vue du changement climatique, avec une PAC très performante (COP > 5) ? Réponse : en prenant tout en compte, les fuites de circuit et la non recyclabilité totale du produit, la PAC émet : - 15 fois moins de gaz à effet de serre que la chaudière sur sa durée de vie, à condition que l’électricité soit produite par conversion directe (photopile, éolienne, hydraulique), - 5 fois moins de GES si l’électricité est celle du réseau. Conclusion : avec une PAC très performante on peut à la fois réduire les consommations d’énergie primaire ET les émissions de GES, la meilleure solution étant de coupler l’installation avec une production photovoltaïque. ENERTECH

  26. Chapître 2 Efficacité énergétique des systèmes thermiques 2 – Le rendement de stockage 2 – Le rendement de stockage ENERTECH ENERTECH

  27. Efficacité énergétique des systèmes de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire Améliorer le rendement de stockage Pertes = K S (Ts - Text) - améliorer l’isolation - réduire S - la température de stockage et celle du local Déperditions (en W) pour 1 m2 de ballon en fonction de l’épaisseur d’isolant et de la température du ballon ENERTECH

  28. Chapître 2 L’architecture climatique Efficacité énergétique des systèmes thermiques Thermique du bâtiment 3 – Le rendement de distribution ENERTECH ENERTECH

  29. Efficacité énergétique des systèmes de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire Améliorer le rendement de distribution Les pertes de distribution valent : P = k L T Il faut donc : ENERTECH

  30. Efficacité énergétique des systèmes de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire Améliorer le rendement de distribution Les pertes de distribution valent : P = k L T Il faut donc : - Améliorer l’isolation des conduites Déperditions (en W/m) d’un tube vertical dans une ambiance à 15°C et en % de la déperdition du tube nu (T° fluide : 50°C). ENERTECH

  31. Efficacité énergétique des systèmes de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire Améliorer le rendement de distribution Les pertes de distribution valent : P = k L T Il faut donc : - Améliorer l’isolation des conduites - Réduire la longueur des réseaux par une bonne conception des cheminements. ENERTECH

  32. Optimiser la distribution d’eau chaude WC SdB Séjour Cuisine Chambre Chambre Véranda ENERTECH

  33. Rendement de distribution Réduire la longueur des réseaux Chambre Chambre Circulations Il n’y a plus de parois froides depuis longtemps. Il n’est donc plus nécessaire de placer les émetteurs sous les fenêtres –> Grosse économie de tube.

  34. Rendement de distribution Réduire la longueur des réseaux Distribution dans un bâtiment très long (lycée, collège, etc) Salle de classe Salle de classe Circulations Salle de classe Salle de classe Circulations • Principe : • Une seule nappe horizontale pour 2 niveaux • Emetteurs le long de la circulation et non en façade

  35. Efficacité énergétique des systèmes de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire Améliorer le rendement de distribution Les pertes de distribution valent : P = k L T Il faut donc : - Améliorer l’isolation des conduites - Réduire la longueur des réseaux par une bonne conception des cheminements. - Réduire l’écart de température entre intérieur et extérieur du tube : abaisser la température des fluides transportés, et faire passer les canalisations dans les volumes chauffés. ENERTECH

  36. Rendement de distribution Réduire l’écart des températures Exemple d’une opération de 100 logements à Issy les Moulineaux Distribution de chauffage Chaufferie R+7 3 cages d’escalier Faire passer les réseaux à l’intérieur des bâtiments plutôt qu’à l’extérieur (toiture terrasse, vide sanitaire) où ils se dégradent très vite et sont le siège de pertes de chaleur importantes

  37. Efficacité énergétique des systèmes de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire Améliorer le rendement de distribution Les pertes de distribution valent : P = k L T Il faut donc : - Améliorer l’isolation des conduites - Réduire la longueur des réseaux par une bonne conception des cheminements. - Réduire l’écart de température entre intérieur et extérieur du tube : abaisser la température des fluides transportés, et faire passer les canalisations dans les volumes chauffés. Le problème spécifique de l’ECS : la boucle de distribution. Dans un hôtel 3*, le rendement de la boucle était de 49 %. En clair, l’énergie perdue par la boucle en un an était supérieure à celle qui avait coulé sous forme d’eau chaude dans toutes les salles de bains de l’hôtel. ENERTECH

  38. Chapître 2 L’architecture climatique Efficacité énergétique des systèmes thermiques Thermique du bâtiment 4 – Le rendement de régulation ENERTECH ENERTECH

  39. Rendement de régulation T°C Pertes Consigne de jour Apports gratuits (soleil, occupation…) Consigne de nuit Heure de ralenti t Le rendement de régulation traduit la capacité d’un système à respecter les températures de consignes imposées. Tout dépassement de ces consignes se traduit par une augmentation des pertes, donc par une dégradation du rendement de régulation. Un bon rendement de régulation est obtenu par des systèmes de régulation capables de réagir localement, rapidement et avec précision. Lorsque les apports gratuits sont très importants par rapport aux besoins, on ne peut éviter les échauffements et le rendement de régulation se détériore inexorablement. L’un des facteurs important pour bien gérer ces apports est évidemment l’inertie du bâtiment. ENERTECH

  40. APPORTS RECUPERABLES/APPORTS RECUPERES Définition :Un apport de chaleur est récupérable s’il se trouve à l’intérieur du volume chauffé (en saison de chauffage). Règle :Un apport de chaleur récupérable est récupéré si l’installation de chauffage a été informée de la présence de cet apport dans le local et qu’elle a réduit ou arrêté la fourniture de chaleur. La consommation de chauffage est ainsi diminuée de la partie récupérée de l’apport. Conditions à mettre en œuvre pour récupérer les apports 1 - Présence d’un organe de réglage (thermostat d’ambiance, robinet thermostatique, etc.) dans tous les locaux susceptibles de bénéficier d’un apport de chaleur gratuit (présence, éclairage, équipements, soleil....) ENERTECH

  41. Récupération des apports de chaleur Absence d’organe de régulation L’installation de chauffage ne sera jamais informée de la présence des apports récupérables. Aucun apport ne sera récupéré : Surchauffe. 100 W 100 W 60 W T=23°C 100 W 500 W ENERTECH

  42. APPORTS RECUPERABLES/APPORTS RECUPERES Définition :Un apport de chaleur est récupérable s’il se trouve à l’intérieur du volume chauffé (en saison de chauffage). Règle :Un apport de chaleur récupérable est récupéré si l’installation de chauffage a été informée de la présence de cet apport dans le local et qu’elle a réduit ou arrêté la fourniture de chaleur. La consommation de chauffage est ainsi diminuée de la partie récupérée de l’apport. Conditions à mettre en œuvre pour récupérer les apports 1 - Présence d’un organe de réglage (thermostat d’ambiance, robinet thermostatique, etc.) dans tous les locaux susceptibles de bénéficier d’un apport de chaleur gratuit (présence, éclairage, équipements, soleil....) 2 -Position de l’organe de réglage dans la pièce à bonne hauteur et en dehors d’influences extérieures, ENERTECH

  43. Récupération des apports de chaleur Mauvais positionnement du régulateur 100 W T=22°C Le robinet thermostatique ne sera jamais informé du dégagement de chaleur de la lampe placée 2m plus haut. T=19°C Robinet thermostatique Cas d’un apport récupérable non récupéré : L’organe de régulation ne peut être influencé par l’apport récupérable ENERTECH

  44. APPORTS RECUPERABLES/APPORTS RECUPERES Définition :Un apport de chaleur est récupérable s’il se trouve à l’intérieur du volume chauffé (en saison de chauffage). Règle :Un apport de chaleur récupérable est récupéré si l’installation de chauffage a été informée de la présence de cet apport dans le local et qu’elle a réduit ou arrêté la fourniture de chaleur. La consommation de chauffage est ainsi diminuée de la partie récupérée de l’apport. Conditions à mettre en œuvre pour récupérer les apports 1 - Présence d’un organe de réglage (thermostat d’ambiance, robinet thermostatique, etc.) dans tous les locaux susceptibles de bénéficier d’un apport de chaleur gratuit (présence, éclairage, équipements, soleil....) 2 -Position de l’organe de réglage dans la pièce à bonne hauteur et en dehors d’influences extérieures, 3 - Utilisation de régulateurs à faible différentiel (< 0,5°C) ayant une grande sensibilité au moindre apport de chaleur. ENERTECH

  45. Influence du différentiel de l’organe de réglage sur la récupération des apports de chaleur T°C Elévation de chaleur due à l’apport récupérable Consigne 2°C t Récupération de chaleur impossible car le différentiel du régulateur est trop important ENERTECH

  46. APPORTS RECUPERABLES/APPORTS RECUPERES Définition :Un apport de chaleur est récupérable s’il se trouve à l’intérieur du volume chauffé (en saison de chauffage). Règle :Un apport de chaleur récupérable est récupéré si l’installation de chauffage a été informée de la présence de cet apport dans le local et qu’elle a réduit ou arrêté la fourniture de chaleur. La consommation de chauffage est ainsi diminuée de la partie récupérée de l’apport. Conditions à mettre en œuvre pour récupérer les apports 1 - Présence d’un organe de réglage (thermostat d’ambiance, robinet thermostatique, etc.) dans tous les locaux susceptibles de bénéficier d’un apport de chaleur gratuit (présence, éclairage, équipements, soleil....) 2 -Position de l’organe de réglage dans la pièce à bonne hauteur et en dehors d’influences extérieures, 3 - Utilisation de régulateurs à faible différentiel (< 0,5°C) ayant une grande sensibilité au moindre apport de chaleur. A défaut de ce qui précède, ce qui est souvent le cas, les apports gratuits ne sont pas récupérés : ils conduisent seulement à des surchauffes. ENERTECH

  47. Fonctionnement du robinet thermostatique Puissance à ouverture partielle Ouverture du robinet Puissance à ouverture totale 100% 100% 70% 25% 0% 100% 0% 19 20,5 21 Ouverture de la vanne Température intérieure [°C] 25% bande de réglage

  48. Exemple d’une absence régulation : il fait 27°C et le chauffage continue à fonctionner ENERTECH

  49. Chapître 2 L’architecture climatique Efficacité énergétique des systèmes thermiques Thermique du bâtiment 5 – Le rendement d’émission ENERTECH ENERTECH

  50. Répartition des niveaux de température dans une pièce selon le type d’émetteur de chaleur Hauteur de plafond 16° 20° 24° 16° 20° 24° 16° 20° 24° 16° 20° 24° 16° 20° 24° 16° 20° 24° Chauffage optimum théorique Plancher chauffant basse température Chauffage par le plafond Chauffage par radiateur Chauffage par convecteur Chauffage air pulsé ENERTECH

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