Conception et régulation des systèmes techniques (chaleur, HVAC, ECS) · 2015-02-03 · 3 1. Objectifs de la présentation • En conception ou rénovation lourde, bien comprendre

Formation Bâtiment Durable :

Conception et régulation des systèmes

techniques (chaleur, HVAC, ECS)

Bruxelles Environnement

LE CHOIX DES SYSTÈMES DE PRODUCTION DE CHALEUR ET D’ECS DANS LES

LOGEMENTS INDIVIDUELS ET LES LOGEMENTS COLLECTIFS INFÉRIEUR À 10

UNITÉS DE LOGEMENTS – PRODUCTION

Didier DARIMONT (ICEDD)

2

Sommaire 1. Objectifs de la présentation

2. Introduction

3. Arbres décisionnels

4. Usages du bâtiment

5. Potentiel SER locales et importées

6. Ressources fossiles

7. Mutualisation des SER et fossiles

8. Dimensionnement

9. Conclusion

10. Référence

11. Contacts

3

1. Objectifs de la présentation

• En conception ou rénovation lourde, bien comprendre les impacts de

la performance de l’enveloppe et de l’usage du bâtiment sur les

besoins de chauffage et d’ECS

• Montrer l’intérêt de privilégier les systèmes à énergies renouvelables

pour couvrir le maximum des besoins

• En fonction du potentiel renouvelable, du solde ou pas à assurer par

les systèmes à énergie fossiles, choisir les meilleures techniques de

production de chaleur et d’ECS

4


2. Introduction






8. Dimensionnement

9. Conclusion

10. Référence

11. Contacts

5

2. Introduction : principe du trias Energetica

Une philosophie d’avenir :

• La performance de l‘enveloppe la

meilleure possible et l’usage le plus

économe possible

• L’utilisation des énergies renouvelables

pour couvrir le maximum de besoins de

chaleur et d’ECS

• L’application de l’URE sur les systèmes à

énergie fossile

6


2. Introduction






8. Dimensionnement

9. Conclusion

10. Référence

11. Contact

7

3. Arbre décisionnel : pour rénovation ponctuelle

• Evaluation du potentiel renouvelable et de son intégration hydraulique et

électronique en chaufferie

• En fonction du budget : intégration à réaliser ou préparation des interfaces

d’intégration à postériori

8

3. Arbre décisionnel : pour rénovation lourde, phasée ou nouveau projet

• Optimisation de l’enveloppe pour remplir l’objectif fixé

• Suivant l’objectif fixé sur l’enveloppe et le potentiel local ou/et importé des

énergies renouvelables les NZE, ZE et E+ seront atteignables

9

• Mixité des SER locales, importées et/ou fossiles centralisation

• Seules les énergies fossiles sont possibles centralisation/

décentralisation

3. Arbre décisionnel : pour rénovation lourde, phasée ou nouveau projet

10


2. Introduction






8. Dimensionnement

9. Conclusion

10. Référence

11. Contacts

11

4. Usages du bâtiment importance et occurrence en énergie des usages

• Exemple pour le logement collectif : 12 logements de 116 m² Besoins de chauffage : durant les mois les plus froids uniquement…

Besoins en ECS : toute l’année !

Plus on s’approche du passif, plus les besoins d’ECS « prennent du poids »

par rapport au chauffage intérêt de réduire les besoins d’ECS

12

4. Usages du bâtiment puissance relative (ordre de grandeur)

• Exemple pour le logement collectif : 12

logements de 116 m²

Puissance chauffage/logement :

• Passif : 1 à 3 kW (± 10 à 30 W/m²)

• TBE : 2 à 4 kW (± 20 à 40 W/m²)

• PEB : 6 à 8 kW (± 60 à 80 W/m²)

• Existant : 12 à 18 kW (± 120 à 180 W/m²)

Puissance ECS :

• Instantané: 24 kW !!!

• Accumulation : 4 à 24 kW, suivant la taille du

ballon de stockage

• L’éventuelle centralisation en logement collectif

(effet de foisonnement)

Puissance combinée : influence de l’ECS d’autant

plus important que le bâtiment est performant et le

nombre de logements élevé

Rapport puissance ECS-

volume stockage

13

4. Usages du bâtiment occurrence des productions de chaleur et d’ECS

• Pour les logements individuels : on travaille plutôt en priorité ECS

le chauffage est coupé pendant la production d’ECS et on

compte sur l’inertie du bâtiment pour garder la température des

locaux

• Pour les logements collectifs : le risque est plus grand d’avoir des

besoins de chauffage et d’ECS au même moment facteur de

surdimensionnement ou ballon de stockage (intéressant car à

postériori couplage avec le solaire thermique)

14

4. Usages du bâtiment Température de fonctionnement

• En chauffage : intérêt de travailler en basse température Favorise le rendement

Fonctionnement avec courbe de chauffe glissante

• En ECS : nécessité de travailler en haute température Température de puisage de l’ECS = +/- 45°C

Mais lutte contre la légionellose (voir plus loin)

préparation à 60…70°C et distribution à 60°

Source : ICEDD

15

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

0 1 2 3 4 5 6

Déb

it =

Q [

litre

s/m

inu

te]

Pression [Bar]

Pommeaux de douche économique - limiteur de débit dynamique

Pommeau de douche économique - limiteur de débit statique

Pommeaux de douche sans dispositif d'économie

19,6 l/min

8,7 l/min

6 l/min

4. Usages du bâtiment URE préalable

• Une réflexion URE est indispensable sur l’ECS lorsqu’on

envisage le TBE ou le Passif

• La réduction des débits d’ECS va conditionner profondément le

dimensionnement de l’installation de chauffage et le choix des

équipements

16


2. Introduction






8. Dimensionnement

9. Conclusion

10. Référence

11. Contacts

17


18

5. Potentiel SER locales et importées géothermie, hydrothermie

Quelle énergie et puissance soutirer au sol, à

l’eau ?

• Systèmes ouverts : analyse

hydrogéologique (caractéristiques de la

nappe aquifère) ou hydrologique (débit,

température d’un cours d’eau, …)

• Systèmes fermés : analyse de la réponse

du sol, simulation (Pilsim) du

comportement du sol dans le temps

Source : Vito Canal de la Senne

Source : EF4

19

Points d’attention

• SER Impact sur l’environnement

Pérennité du sol si on soutire en permanence de l’énergie du sol. En couplant

la géo/hydrothermie avec du solaire thermique, on peut palier à ce problème

dans le logement

Accessibilité pour le captage

• Système de production La production d’ECS dégrade la performance de la PAC (SFP)

Pour assurer la stabilité thermique du sol ou de la citerne le système

devient complexe

Source : Viessmann Source : EF4

5. Potentiel SER locales et importées géothermie, hydrothermie

20

Quelle énergie et puissance soutirer à l’air?

• Partout !

• En plus le centre de Bruxelles est en moyenne 1 ou 2°C plus

chaud que la périphérie (activité de transport importante)

5. Potentiel SER locales et importées aérothermie

21


• SER Le système peut entrer en compétition avec d’autres SER. Par exemple,

une toiture peut être utilisée pour placer l’évaporateur de la PAC mais

aussi pour le solaire thermique et/ou le solaire photovoltaïque

• Système de production La production d’ECS dégrade la performance de la PAC (SFP)

Une température de l’air externe basse dégrade la performance de la

PAC (SFP)

Nuisance sonore et visuelle

5. Potentiel SER locales et importées aérothermie

22

5. Potentiel SER locales et importées solaire thermique

Quelle énergie et puissance soutirer au soleil ?

• Si besoins d’ECS OK

• Les besoins de chauffage : pas synchro avec l’ensoleillement

• Exercice sur l’ECS d’un logement collectif passif : 17,5 kWh/m².an Etude CERAA : m² moyen des logements ~ 85 m² surface moyenne des

toitures ~ 25 à 28 m²/immeuble

Couverture solaire thermique ~ 350 à 500 kWhth/(m².an) de panneaux ST

Possibilité avec 28 m²/ immeuble de couvrir les besoins de 7 appartements

Source CERAA (étude pour l’IBGE 2008)

23

Technologie

• Via un ballon de stockage

• Souvent, mutualisation ECS et

chauffage

• Associé avec une autre ressource

renouvelable ou fossile pour couvrir le

chauffage et l’ECS


Source :

Architecture et

climat

24


• SER Pas toujours en phase avec les besoins. Importance du dimensionnement du

ballon

Couverture limitée de par la surface de toiture et la concurrence avec les

autres SER

Peut entrer en concurrence avec la cogénération par exemple

• Système de production Attention aux ombres reportées des bâtiments voisins

Installation

solaire

thermique

Installation de

cogénération


Source :

MATRIciel

25

5. Potentiel SER locales et importées solaire photovoltaïque

Quelle énergie et puissance soutirer au soleil ?

• « brûler » l’électricité dans une résistance pure ? Éthique ?

• Stockage possible et nécessaire dans le réseau électrique

• Idéal autoconsommation

• Exercice sur le chauffage d’un logement collectif passif :

15kWh/m².an Etude CERAA : m² moyen des logements ~ 85 m² surface moyenne des

toitures ~ 25 à 28 m²

Production PV ~ 106 à 140 kWhe/(m².an) 12 m² PV/appart en électricité

directe et 3 m² PV/appart avec une PAC (COP 4)

Source CERAA (étude pour l’IBGE 2008)

26


• SER Potentiel limité par la surface de la toiture, de l’orientation, …

En concurrence avec le solaire thermique

En concurrence avec la cogénération ? Au cas par cas

• Système de production Les PAC sont souvent envisagée avec le PV car si COP > 2,5, les bilans

énergétique et environnemental sont positifs

5. Potentiel SER locales et importées solaire photovoltaïque

27

5. Potentiel SER locales et importées biomasse

Quelle énergie et puissance soutirer à la biomasse ?

• Limitée à Bruxelles

• Importation de biomasse éthique ?

• Bilan environnemental positif

28


• SER Ressources importées et limitées

Particules fines

• Système de production À l’échelle d’un immeuble de logements importants pourquoi pas ?

Devient intéressant à l’échelle du quartier (chaufferie centrale et réseau

de chaleur)

5. Potentiel SER locales et importées biomasse

Source : MATRIciel

29

5. Potentiel SER locales et importées huile végétale

Quelle énergie et puissance soutirer à la biomasse ?

• Pas/peu de production à Bruxelles. A importer !

• Difficulté d’approvisionnement

• Colza pour le combustible ou pour la nourriture ?

30


• SER Pérennité de la ressource

• Système de production Cogénération de qualité et réduction des émissions de gaz à effet de

serre de minimum 5 %

Intégration hydraulique et de la régulation du cogénérateur à bien

maîtriser

5. Potentiel SER locales et importées huile végétale

Source : ICEDD

31

• Performance du bâtiment : PEB PASSIF Surpuissance de relance nécessaire diminue

Régime de température plus bas

Prépondérance des besoins d’ECS augmente

• Mixité des énergies renouvelables locales, importées, fossiles :

PEB PASSIF Potentiel de valorisation des énergies renouvelables augmente

Les NZE, NZ et E+ sont possibles à atteindre attention aux définitions

5. Potentiel SER locales et importées SER >< Performance de l’enveloppe

32


2. Introduction






8. Dimensionnement

9. Conclusion

10. Référence

11. Contacts

33

• Potentiel Gaz : 80 % des immeubles connectés au gaz potentiel

important

électricité directe : la presque totalité des immeubles ont

l’électricité

Mais d’ici 2050, passerons-nous à autre chose ?

• Technologie Les chaudières gaz à condensation restent une des

meilleurs technologies en EP

Les cogénérations gaz génèrent des économies CO2 non

négligeables

Les PAC gaz ont des rendements intéressants

Le réseau électrique

6. Ressources fossiles complément

Source : E+

34

• Paramètres énergétiques Rendement global « chaleur & électricité » supérieur.

Production de chaleur haute température

Ne peut couvrir 100 % des besoins

Nécessite un système complémentaire / d’appoint

Facteur de conversion en énergie primaire de l’électricité

produite de 2,5

6. Ressources fossiles cogénération gaz

Source : Vadémécum

intégration des

cogénérateurs en

chaufferie

Source : ICEDD

35

• Spécificités Investissement élevé – Engineering coûteux

Raccordement électrique et régulation

complexe

Nécessite une base de demande énergétique

constante

D’où système de stockage de la chaleur

(ballon ECH)

Existe dans une large gamme de puissances

• Tendance : En développement : micro ou nano-cogen

Moteur stirling

6. Ressources fossiles cogénération gaz

36


2. Introduction






8. Dimensionnement

9. Conclusion

10. Référence

11. Contacts

37

7. Mutualisation des SER et fossiles centralisation des besoins !

Source :

MATRIciel

38

7. Mutualisation des SER et fossiles mode de fonctionnement

• Exemple de la PAC et de la chaudière gaz à condensation alternance

Bivalence

Source : E+

Source :

MATRIciel

39

7. Mutualisation des SER et fossiles centralisation des besoins et combinaison des SER !

Les scénarios courants de combinaison

• PV + PAC géo/hydro/aérothermique sont complémentaires

attention au COP saisonnier de la PAC

• PV + cogen huile peuvent être, suivant le cas complémentaires ou

concurrents attention au prix de l’huile. On préfère souvent même

une cogen gaz

• ST + cogen gaz souvent complémentaires lorsqu’on ne fait pas

fonctionner la cogen en été

• PAC + Cogen gaz ?

Source :

Architecte et

Climat

40

Solaire thermique Cogénération

La cogénération doit tourner le plus longtemps possible.

adaptée pour la production d’ECS dont le profil est assez constant dans

le temps permet de couvrir 95 % des besoins

7. Mutualisation des SER et fossiles concurrence entre SER ?

Source :

MATRIciel

41

0 kWh prim

10 kWh prim

20 kWh prim

30 kWh prim

40 kWh prim

50 kWh prim

60 kWh prim

70 kWh prim

Base Couverte solaire 40% Cogénération pour ECS

Chaudière

Réseau électrique

Cogénération

D’un point de vue

Environnemental

Calcul sur base d’un

immeuble de 31 logements

Prise en compte uniquement des besoins d’ECS


Source :

MATRIciel

42

D’un point de vue financier

• Choix fortement dépendant de l’échelle du projet et des primes

ou certificats verts disponibles

• Lorsque le besoin de chaleur augmente, la rentabilité de la

cogénération augmente

L’investissement (€/kW) diminue fortement avec la puissance

Frais d’entretien (€/kW) diminue fortement avec la puissance

Le rendement électrique d’un cogénérateur de grosse puissance est plus

élevé que le rendement électrique d’un cogénérateur de petite puissance


Source :

ICEDD

43

7. Mutualisation des SER et fossiles alternative à la centralisation

44

production centralisée – production décentralisée

7. Mutualisation des SER et fossiles centralisation ou décentralisation ?

Exemple immeuble de logements de type passif :

• On se focalise sur l’ECS qui représente une part importante des

besoins de chaleur

• Les pertes de distribution de l’ECS risquent d’être importantes

lorsque la boucle est importante

• Le même exercice peut être fait pour le chauffage

production centralisée – production décentralisée

Source :

MATRIciel

45


Pertes de distribution

pert

es e

n ch

auffe

rie +

bou

cle

EC

S 9

0 m

4.200 + 7.200 = 11.400 kWh

3.600 pertes valorisées

7.800 pertes réelles

31 x 440 = 15.500 kWh

7.750 kWh valorisés

7.750 kWh pertes réelles

Conclusion : les pertes sont globalement équivalentes.

Attention : la PEB est très fortement défavorable pour les

installations centralisées

Déperditions ? 31

bal

lons

EC

S d

e 10

0 lit

res

Source :

MATRIciel

46

Production centralisée ECS instantanée ou à semi-accumulation ?


Source :

MATRIciel

Retour à basse température si

l’échangeur est bien dimensionné


47

²

m²

solaire PV

25

31 logements

Soit 0,8 m² par

logement


Source :

MATRIciel


48

Non isolé dans

le calcul


Source :

MATRIciel

Une production d’eau chaude en semi-accumulation limite le

surdimensionnement de la chaudière et améliore le confort. Le débit de

puisage est beaucoup plus confortable.

Production décentralisée ECS instantanée ou à semi-accumulation ?

49

102 % 97 %


Source :

MATRIciel

50

Basse-énergie

Passif

Avantage de la centralisation

● Gain financier

● Gain énergétique

● Gains de place dans les appartements

● Recours facilité au renouvelable

● Entretien facilité

● Attention, c’est du cas par cas !


Source :

MATRIciel

51

Mais désavantage

● Difficulté au niveau comptabilité énergétique et financière

● Demande plus de rigueur au niveau de la maîtrise des risques de prolifération des

légionnelles

● Demande une bonne isolation (PEB chauffage)


Source :

MATRIciel

52


2. Introduction






8. Dimensionnement

9. Conclusion

10. Référence

11. Contacts

53

8. Dimensionnement : Facteur de conversion

• Nécessité de placer les différentes sources d'énergie sur le même

pied d'égalité Prise en compte de toutes les transformations nécessaires avant livraison au

consommateur final

Valeurs identiques entre PEB et PHPP mais différente en Région Bruxelloise

et Région Wallonne

Vecteur énergétique Fp

Carburants fossiles 1,00

Electricité 2,50

Electricité via cogen -2,50

Biomasse 0,32

54

8. Dimensionnement : chauffage puissance et déperdition

• Puissance de chauffe : sur base du calcul de déperditions

normalisé : NBN B62-003 & NBN EN 12831

Attention PEB : calculs à remettre !

Suivant PHPP ? NON !

non normalisé, unizone, sans relance,

prise en compte des apports externes, etc. …

valeur indicative

Suivant simulation thermique dynamique (TRNSYS)

Valeur assez précise

• Ordre de grandeur : Bâtiment existant : de 100 à 120 W/m²

Bâtiment PEB : de 60 à 80 W/m²

Bâtiment TBE : de 20 à 40 W/m²

Bâtiment Passif : de 10 à 30 W/m²

55

8. Dimensionnement : chauffage besoin de chaleur

• Besoins de chaleur : Calcul suivant PHPP

Simulation thermique dynamique (TRNSYS)

• Ordres de grandeurs : Bâtiment existant 150 … 200

kWh/an.m²

Bâtiment PEB standard : ± 75 … 60 kWh/an.m²

Bâtiment TBE : max 30 kWh/an.m²

Bâtiment Passif : max 15 kWh/an.m²

Source : Pmp

56

8. Dimensionnement : chauffage puissance des SER

• Objectif : reconstruction de

la monotone de chaleur et

détermination de l’optimum

énergétique pour les

énergies renouvelables

• Outil : Sur base de la monotone

CogenSim pour les

cogénération

…

• Surdimensionnement

court-cycles

• Sous dimensionnement

rentabilité diminuée

Dimensionnement

SER

Source : Icedd

57

8. Dimensionnement : ECS Méthode

• Normes : Pr NBN D20-001 calcul en

équivalent habitant

Similaire à DIN allemande

Donne accès au dimensionnement sur

catalogue des fabricants.

• Méthodes & outils usuels Fonction d’un usage à l’autre !

Si bâtiment existant : procéder à des

relevés !

Feuilles de calculs proposées par

divers constructeurs

Feuilles de calculs « Energie+ le site »

pour évaluation des consommations

Abaques de profils de consommation

58

8. Dimensionnement : ECS point d’attention

• Pour un rendement optimum de la chaudière à condensation, il

faut garantir un retour froid à la chaufferie

surdimensionnement de l’échangeur à plaques (Δ T de 20 K par

exemple

Source : E+

59

8. Dimensionnement : ECS Légionella

• Définition bactérie Legionella pneumophila naturellement présente dans l’eau potable

mais en faible concentration

• Situation de développement Eau stagnante

Température proche de 37°C

• Danger et contamination Contamination par inhalation de gouttelettes d’eau infestées

Personnes âgées et sensibles (pulmonaire)

• Moyens de luttes Limiter les eaux stagnantes

Boucles d’ECS (circulation forcée bouclée dans le bâtiment à une température

élevée)

Bras mort depuis la boucle < 5m ou 3 litres

T° de distribution > 60°

Décontamination (thermique, chimique …)

60


2. Introduction






8. Dimensionnement

9. Conclusion

10. Référence

11. Contacts

61

9. Conclusion:

Comment faire le meilleur choix des systèmes de production et réussir

un projet en énergie renouvelable ou mixé avec des énergies fossiles?

• Viser la meilleure performance pour le bâtiment

• En parallèle, identifier les ressources renouvelables locales

• Ne pas hésiter à remettre en question la performance du bâtiment

pour assurer la pérennité des ressources renouvelables (surtout

vrai pour la géothermie)

• Si les ressources renouvelables locales ne sont pas suffisantes,

importer «intelligemment » d’autres ressources renouvelables

• Compléter par des énergies fossiles si nécessaire

• Attention à la compatibilité des ressources, d’une part, entre elles

et d’autre part entre elles et les besoins

• Intégration réfléchie dans les systèmes de production

• Dimensionner les systèmes renouvelables en maximisant la

couverture des besoins : surdimensionnement = problème de

court-cycle >< sous dimensionnement = rentabilité diminuée

Règle générale : c’est au cas par cas !

62


2. Introduction






8. Dimensionnement

9. Conclusion

10. Référence

11. Contacts

63

• Guide du bâtiment durable : guidebatimentdurable.bruxellesenvironnement.be/ ENE08 –

choisir les meilleurs modes de production et de stockage pour

le chauffage et l’eau chaude sanitaire

• Guide de la rénovation des logements sociaux : RELOSO : rénovation des logements sociaux

10. Référence :

guidebatimentdurable.bruxellesenvironnement.be/

64


2. Introduction






8. Dimensionnement

9. Conclusion

10. Référence

11. Contacts

65

65

Didier Darimont

ICEDD : responsable de projet

: 081/250 480

E-mail : [email protected]

11. Contacts

mailto:[email protected]

66

66

11. Contacts • Helpdesk technique d’experts pour toutes les thématiques (gratuit)

• Au service de tout professionnel actif dans le bâtiment en RBC

• Accessible

par téléphone : 0800/85.775

par mail :

[email protected] (FR)

[email protected] (NL)



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