module 2.3

Module 2.3

Systèmes thermiquesFranck Lucas

LP ERME

SUPPORTS de COURS

Objectifs pédagogiques Niveau d’acquisition des compétencesL'étudiant doit être capable de : 1 2 3 DECRIRE : les éléments constitutifs des différents systèmes énergétiques pour la production d’ECS (notamment solaire), la climatisation des bâtiments la production et l’utilisation de la biomasse.

x

DECRIRE les différents moyens et sources de production d’énergie thermique dans les bâtiments

x

DIMENSIONNER et CONCEVOIR des installations de production d’ECS solaire individuelles et collectives

x

DIMENSIONNER et EVALUER des systèmes de climatisation des bâtiments x

EVALUER les grandeurs quantitatives et qualitatives liées à l’utilisation de la biomasse. x

Chapitre 1 : Rappel théorique de thermique/Thermodynamique de base :

• Systèmes d’unités pour l’énergétique

• Thermodynamique

• Transferts de chaleurChapitre 2: Production d’ECS dans les bâtiments

• Généralités sur les systèmes de production individuels / collectifs

• Systèmes ECS solaires Chapitre 3 : Systèmes de climatisation

• Généralité sur les systèmes

• Conception des installations

• Evaluation des performancesChapitre 4 : Biomasse / combustion

• Production de la biomasse

• Utilisation de la biomasse / notions de combustion

Sommaire

• Systèmes d’unités pour l’énergétique

• Thermodynamique o chaleur latente /sensibleo 1er principe Thermodynamiqueo 2ieme principe Thermodynamique

• Transferts de chaleuro Conductiono Rayonnemento convection

Chapitre 1 : Rappel théorique de thermique/Thermodynamique de base :

• « Système International d’Unités » ( SI)

• adoptés en 1960.

• 7 unités de base et des unités dérivées

Systèmes d’unités

Grandeur Unités de Base SI Nom : Symbole :

Longueur mètre m Masse kilogramme kg Temps seconde s Intensité électrique ampère A Température absolue et différence de température

kelvin K

Quantité de matière mole mol Intensité lumineuse candela cd

• Energie :• Symbole en thermique : Q

• Définitions :o Equivalence chaleur/travail = énergie (Démontré par

Joule)o Énergie/travail= force [N] x distance [m]o Force =masse [kg] x accélération [m/s2]

• Unité SI : Le Joule [J]

• Autres unités o Wh : 1 W délivré pendant 1h o kWh : 1 kW délivré pendant 1 ho Btu : British Thermal Unito Conversion : 1 Btu = 1055 J


1 𝐽=𝑘𝑔 .𝑚 ². 𝑠− 2

1 h𝑘𝑊 =3600𝑘𝐽1 h𝑊 =3600 𝐽

Puissance : • Symbole en thermique : P,

• Expression :

Avec : t le temps en secondes [s]

• Unité SI : Watt [W]

• Autres Unités : Btu/h Rmq : Attention aux petites puissances sur des durées longues


𝑃=𝑄𝑡

�̇�

1𝑊=1 𝐽 .𝑠− 1

Btu/h

• Chaleur sensible : elle se manifeste par une élévation de température du corps

o m : masse du corps [kg]o c : chaleur massique du corps [J/kg/K]o T : Température initiale ou finale du corps [K] ou [°C]

Chaleur latente : elle se manifeste par un changement d’état du corps :

o L : Chaleur latente de changement d’état [J/kg]

Q

Q

Thermodynamique

• Puissance sensible : Chaleur sensible rapportée à l’unité de temps:

o :débit massique [kg/s]

• Puissance latente : Chaleur latente rapportée à l’unité de temps

o L : Chaleur latente de changement d’état [J/kg]

�̇�=�̇� ∙𝑐 ∙(𝑇 𝑓 −𝑇 𝑖)

�̇�=�̇� ∙𝐿

Thermodynamique

• Chaleur sensible /latente : exemple de l’eau :

o Condensation /Vaporisation

o Fusion/solidification

o Evolution à Patm

Thermodynamique :

𝑐𝑒𝑎𝑢 ,𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑒=4,185𝑘𝐽 .𝑘𝑔− 1𝐾 −1

𝐿𝑐/𝑣=2258𝑘𝐽 .𝑘𝑔− 1

𝐿 𝑓 /𝑠=335𝑘𝐽 .𝑘𝑔− 1

115

100

-335 2257419

28,3

0 419 2676 2704,3h (kJ / kg)

°C

010 A

B CD

Fig. 15

• Les changements d’état :

• Point de changement d’état : exemple de l’eau

100°C

0,7 bar1 bar

1,5 bar

110°C

3 000 m ü. M.

0 m ü. M.

Fig. 13

90°C

Thermodynamique

Point de changement d’état : exemple de l’eauDiagramme température-pression pour la vapeur saturée

100°C

0,7 bar1 bar

1,5 bar

110°C

3 000 m ü. M.

0 m ü. M.

Fig. 13

90°C

210

200

190

180

170

160

150

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

400 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

(kPa)

(bar)

(°C)

Température

Pression de la VapeurFig. 14

Thermodynamique

Equilibre thermique de deux corps : Principe zéro de la thermodynamique

Principe : lorsque deux corps à des températures différentes sont mis en contacts, ces corps échangent de la chaleur et se mettent en équilibre thermique a une température appelée température d’équilibre définie par….

Autres formes : Deux corps, mis en contact prolongé, se mettent en équilibre thermique.Deux corps en équilibre thermique avec un troisième, se trouvent en équilibre thermique entre eux.

Thermodynamique

Thermodynamique

Définition 2 : un système est généralement un ensemble matériel (donc constitué de molécules) bien défini. La définition d’un système amène à définir une frontière délimitant le système du milieu extérieur

Définition 1: La thermodynamique permet de décrire l’état d’équilibre d’un système.

Définition 3 : On définira l’état d’un système par les valeurs numériques que prendront certaines grandeurs physiques caractéristiques de ce système (T, P, V, n …)L’état d’un système est susceptible de changer si on modifie une ou plusieurs grandeurs caractéristiques. Cette modification est obtenue par échange avec le milieu extérieur à travers la frontière.• Echange de travail (compression, dilatation) noté W.• Echange de chaleur (conduction, rayonnement, convection) noté Q.• Echange de masse.

SystèmeFrontière

Flux entrant

Flux sortant

ThermodynamiqueTransformation de systèmes et fonctions d’état

La variation DX d'une grandeur X dépend généralement du chemin suivi pour aller de l'état 1 à l'état 2.Mais, pour certaines fonctions F, les variations DF lors d'une transformation sont indépendantes du chemin suivi. Elles sont dites fonctions d'état.Conséquence :

• la différentielle dF est une différentielle exacte. 1212 F - F F D

Définition et comportement des gaz parfaits (GP).

Equation d’état des gaz parfaits

Forme générale différentielle :

Forme courante:

P : pression en Pa V : volume en m3

T : température en K n : nombre de moles en mol R : constante des gaz parfaits : R = 8,314 J.K-1 .mol-1

Thermodynamique

Définition : • Les chocs entre les particules sont dits

élastiques.• L’énergie des particules est purement

cinétique : pas de force d’interaction (attraction / répulsion).

Le gaz est un gaz parfait

Exemples : gaz monoatomiques, gaz diatomiques.

Energie Interne d’un système

Conservation de l’énergie du système : Prise en compte des frottements : le palet fini par s’immobiliser sur la rampe horizontale

U : Énergie interne du système (J)

Thermodynamique

Energie Interne d’un systèmeModélisation de l’énergie interne

Définition :L’énergie interne notée U d’un système représente à l’échelle macroscopique l’énergie cinétique et potentielle des particules. L’énergie interne est une fonction d’état:

Application au GP Pour un gaz parfait on montre que l’énergie interne est directement liée à la température absolue et on calcule la variation d’énergie interne dU de la manière suivante:

Avec : m : Masse de gaz (kg): cv : Chaleur massique à volume constant (J.kg-1.K-1)T : Température absolue du système.

Thermodynamique

Premier principe de la thermodynamique:

Thermodynamique

• Mise en évidence

• Enoncé : La variation d’énergie interne du système entre deux états d’équilibre est égale à la somme algébrique des quantités d’énergie mécanique W (travaux des forces extérieures) et calorifiques Q échangées avec le milieu extérieur.

• Mise en équation :

o Pour une transformation fini

o Pour une transformation infinitésimale

o Pour un cycle

Premier principe de la thermodynamique:

Thermodynamique

• Travail des forces de pression : avec

o Soit :

• Pour une transformation finie isobare de l’état i à l’état f :

MM’

S

dS

extfd

n

ld

ldfdW ext

ldndSdV

ndSpfd eext

dVpW e

Premier principe de la thermodynamique:Enthalpie : Evolution à pression constante• Pour une transformation à P=cte le 1er principe s’écrit :

• Comme : alors :

• Soit : et finalement

• Définition : l’enthalpie est la quantité de chaleur (sensible ou latente) échangée par un système évoluant à pression constante

• Symbole et unité :H en J, ou h en J/kg

Thermodynamique

Premier principe de la thermodynamique:• Application à la transformation de GP : Q et W échangés• Evolution à P=cte :

o Variation d’enthalpie pour un GP : avec : cp chaleur massique à pression constante (J.kg-1.K-1)

• Evolution a V=cte :

• Evolution à T=cte

Thermodynamique

vdU Q mc dT

Premier principe de la thermodynamique:• Application à la transformation de GP : Evolution adiabatique (Q=0) :

• Relation caractéristique des transformations adiabatiques

Thermodynamique

Premier principe de la thermodynamique: Synthèse

Thermodynamique

Pour les transformations adiabatiques

De plus on admettra :

Deuxième principe de la thermodynamiqueObjectif : prévoir le sens d’évolution des systèmes et étude des cyclesExemple 1 : détente d’un gaz

Exemple 2 :

Thermodynamique

Deuxième principe de la thermodynamique• Enoncé de Carnot (moteur)Si une machine fournit du travail au cours d’un cycle, elle échange nécessairement de la chaleur avec 2 sources de températures différentes.

• Enoncé de Clausius (machine thermique)On ne peut construire de machine qui, au bout d’un cycle, ne ferait que transférer une quantité de chaleur d’une source froide à une source chaude.

Conclusion « simpliste » : • Pour produire du travail il faut une source chaude et une source froide• Pour produire du froid il faut du travail

Thermodynamique

Source, T2

Système

Q2

W

Source, T1

Q1Premier principe : ΔU=W+Q2+Q1=0

W< 0, Q2 >0, Q1<0

Rendement du cycle :

η = ȁ�𝑊ȁ�𝑄2

Deuxième principe de la thermodynamique

Thermodynamique

Cycles moteur dithermes

Premier principe ΔU=W+Q2+Q1=0

W > 0, Q2 <0, Q1>0 Performance du cycle :

Cycles dithermes de machine thermique Source, T2

Système

Q2

W

Source, T1

Q1

Machine frigorifique Pompe à chaleur (PAC)

Thermodynamique

• Principe zéro de la ThermoLorsque deux corps à des températures différentes sont mis « en contacts », ces corps échangent de la chaleur et se mettent en équilibre thermique a une température appelée température d’équilibre….

• Définition des moyens d’échange Conduction : avec support matériel, sans transfert de masse Convection : avec support matériel, avec transfert de masse Rayonnement: sans support matériel.

Transferts de chaleur

Transfert par excitation de proche en proche des molécules.

• Paroi monocouche homogèneo Densité de flux traversant la paroi

o Flux total traversant la paroi

1T 2T

e


Conduction

2m en paroila de Surface :S avec

en WS

S

2 en mW


• Paroi monocouche homogèneo Densité de flux conductif traversant la paroi

1-

11-

21

2-21

WKm² en paroila de thermique Resitance;

KmW en téconductivi:

m en épaisseur : e

1

Wm

th

thth

R

eRavecTTR

TTe

1T 2T

e


Conduction


• Analogie électrique

• Paroi multicouche homogène

1T 2T

R TTRIU th 21

e e eR

eRavecTTR

th

i

ith

th

3

3

2

2

1

1

21 1

1T 2T

e e e

3

3

2

2

1

1


Conduction

Propriétés des matériaux: valeur de conductivité


Conduction

Transferts par ondes électromagnétiques.

• Emittance totale d’un corps gris o M : densité de flux énergétique émise par une surface dans toutes les

directions du ½ espace et dans toutes les longueurs d’ondes

avec K

KmW en BoltzmanS. de constante: 10.67,5

gris corps du emissivité : ε4-2-8

enT

m²W en 4 TM TT


Rayonnement

Réception de rayonnement:

Emission de rayonnement

éreflexivit : vité transmiti:

téabsorptivi :

:souvent suppose onEt

1a On


Rayonnement

• Flux net émis entre deux surfaces infinies:Formule brute

Formule linéarisée pour une surface S1 dans des conditions ambiantes

Valable pour DT<100K 2111 TTShrnet

12Wm 6,5

radiatif échanged't coefficien : Krh

rh


Rayonnement

Transfert avec support matériel et avec transfert de masse : entre un solide et un fluide

Densité du flux échangé :

h : coefficient d’échange convectif

h : évalué par valeurs forfaitaires, corrélations de nombres adimensionnels, ou abaques.

h : dépend du fluide

h : dépend du type de convection établie : naturelle ou forcée

)( 21 TTh


Convection

Types de convection

Convection naturelle : mise en

mouvement des particules sous l’action de la poussée d’Archimède.

Convection forcée : mouvement des particules du à « moteur » extérieur.

v


Convection

Convection naturelle : mise en mouvement des particules sous l’action de la poussée

d’Archimède.

Nombres adimensionnels : Corrélations :

K fluide - surface re températudeécart : ΔTsmpesanteur onaccélérati : g

K en volumiquedilatation det coefficien: 1/Tβ

mkg en volumiquemasse :ρ

KkgJ en massiquechaleur : c

KmW en itéconductivi : λ

m en écoulementl' de tiquecaractéris dimension Dsmkg en fluide du éμ viscosit

KmW en convectionpar échanged't coefficien : h

2

1

3-

11-

11-

11-

1-2


Convection

Convection naturelle : mise en mouvement des particules sous l’action de la poussée

d’Archimède.

Méthode de calcul• Calculer Pr, Gr• Choisir la corrélation

• Calculer Nu• Déduire h de Nu

3/1137

4/172

8/123

Pr13,0 10.Pr10.2

Pr54,0 10.2.Pr10.5

Pr18,1 10.5.Pr10

GrNuGr

GrNuGr

GrNuGr


Convection

Convection naturelle : mise en mouvement des particules sous l’action de la poussée d’Archimède.

Tableaux de valeurs de h (W/m²/K):

DT (°C) 1 2 3 5 10 15 20 30Mur vertical 2 2,3 2,6 2,9 3,5 3,8 4,2 4,6Mur horizontalFlux vers le haut

X 1.33

Mur horizontal Flux vers le bas

X 0.67


Convection

Convection forcéeCorrélation nombres adimensionnels

• Écoulement laminaire sur une plaque (Re< 2000)

• Ecoulement turbulent sur une plaque (Re >3000)

• Corrélation simplifiée

V: vitesse du vent [m/s]

33,05,0 PrRe32

Nu

Vh 8,35

1Pr83,01PrRe036,0

6,0

8,0

Nu


Convection

• Généralités sur les systèmes de production individuels / collectifs

• Systèmes ECS solaireso Principes générauxo Dimensionnement des installations

Chapitre 2: Production d’ECS dans les bâtiments

Généralités sur les systèmes

• Fonctions essentielles d'une installation de production d'ECS :o la production proprement dite,o la distribution,o la fourniture

• Evaluation des besoinso Les besoins augmentent : l’hygiène corporelle, les exigences des clients, les

offres des constructeurs, le niveau d’équipement des logements …. o Les besoins diminuent : le coût du m3 d’eau froide, le lave-vaisselle, le

nombre de personnes dans un logement, plus de douche, moins de bains.

• Les grandeurs à déterminer pour le calcul de dimensionnement:o La puissance thermique à installer : elle tient compte de la puissance

nécessaire pour chauffer l'eau et pour maintenir en température la boucle de recyclage ou du réseau de distribution.

o le volume de stockageo les débits maximaux dans chaque tronçon de tuyauterie, pour le calcul du

réseau de distribution


Règles de l’art :Les documents techniques ci-dessous précisent les règles à observer pour l’obtention d’une installation d’ECS de qualité.

• DT 60.1 : Travaux de plomberie sanitaire pour bâtiment à usage d’habitation

• DTU 60.5 : Canalisations en cuivre. Distribution d’ECS et d’EFS.

• DTU 65.3 : Installations de sous station d’échange à eau chaude sous pression

• DTU 65.9 : Installation de transport de chaleur ou de froid et d’ECS entre production et bâtiments.

• DTU 65-10 : Règles générales de mise en œuvre : Canalisations d’ECS et d’EFS sous pression.


Classification des systèmes:Production individuelle :• Électrique, semi-instantanée,• Électrique à accumulation,• Chauffe-eau thermodynamique,• Au gaz, instantanée,• Au gaz à accumulation,• Solaire• Par chaudière individuelle à gaz double usage, instantanée,• Par chaudière individuelle à gaz double usage, semi-instantanée,• A combustible solide ou liquide avec chaudière et production d’ECS intégrée

ou séparée (pavillonnaire)Production collective :• Instantanée électrique,• Instantanée à combustible• A semi-instantanée électrique• Semi-instantanée à combustible• A accumulation à combustible• A accumulation électrique• Solaire• Par PAC avec récupération de chaleur


Exemples de systèmesProduction instannée par fluide primaire et à gaz

Système à accumulation par fluide primaire et éléctrique

Principes généraux

Données climatiques

Données climatiques générales

ECS solaire

Principes générauxDonnées climatiquesDonnées climatiques générales

ECS solaire

h : hauteur a : azimut(h)

Principes générauxDonnées climatiques nationales : carte d’ensoleillement en kWh/m².j

ECS solaire

Principes générauxDonnées climatiques régionales : ensoleillement moyen mensuel en Wh/m².j sur un plan horizontal et pour un capteur orienté nord et incliné de 16°

Moyenne annuelle de l’énergie reçue par m² : 5350 kWh/m².j

Variant mensuellement entre 4000 et 6000 kWh/m².j

ECS solaire

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Cumul journalier du rayonnment global horizontal (Wh/m²)

Principes générauxDonnées climatiques régionales : nombres d’heure d’ensoleillement annuel (h/an)

ECS solaire

Rayonnement solaire:

• Rayonnement global (pyranomètre)

• diffus (pyranomètre avec anneau)

• Direct (pyrhéliomètre)

Principes générauxDonnées climatiques régionales

ECS solaire

Températures d’eau : • Métropole variable entre 5 et 18°C suivant la région et le

mois: cf données Tecsol.• Polynésie : Moyenne 25,7°C (estimation )Température ambiante :• Elle intervient sur le rendement des capteurs.

Identification avec relevés météo en fonction du site.Vents : • Influence sur les pertes thermiques du capteur• Tenue des installations aux vents

– en métropole respect des règles NV65 -> Eurocodes.

Principes générauxAutres données climatiques

ECS solaire

Mois Janv Fev Mars Avr Mai Juin Juil Aout Sept Oct Nov DecT° exterieure

26,1 27,1 27,3 27,3 25,7 25,3 24,3 24,2 24,5 25,1 26 26

T° eau froide 25,9 26,4 26,5 26,5 25,7 25,5 25 25 25,1 25,4 25,9 25,9

Identiques aux installations de production d’ECS classiques :

Principes généraux1.2 Évaluations des besoinsPlus l’évaluation est précise : meilleur est le dimensionnement

2 méthodesRéhabilitation : mesures ou études des factures d’eau.Neuf : suivi de la réglementation

En collectif : Besoin en ECS :

Besoins énergétiques :Becs : Somme au niveau de l’immeuble des

consommations de chaque logement (kwh)Np : nombre de personnes DT : écart de température eau chaude – eau froide (env

45°C)

1,16. .Δ .Becs Vecs T Np

35 / /Vecs l j pers

ECS solaire

• captage,• transfert,• stockage,• appoint,• distribution.

Principes généraux1.2 Principe de l’installation

§ optimiser le captage et le stockage de l’énergie solaire,§ dissocier l’énergie solaire et l’énergie d’appoint,§ consommer en priorité l’énergie solaire,§ conserver à l’énergie d’appoint un caractère de stricte complémentarité.

ECS solaire

Principes générauxPrincipe de l’installation

ECS solaire

Principes générauxPrincipe de l’installation : captage

Un capteur solaire reçoit un flux solaire et ré-émet un flux thermique

En plus des pertes par rayonnement, les pertes par convection peuvent être importantes. Pour réduire les pertes par la face arrière du capteur, l’absorbeur est placé à l’intérieur d’un coffre dont les parois internes sont recouvertes d’un isolant thermique. L’isolation thermique de la face avant est réalisée en interposant entre l’absorbeur et l’air, un matériau opaque au rayonnement thermique, mais transparent au rayonnement solaire.Les verres et certains matériaux synthétiques sont transparents pour le rayonnement solaire, et opaques pour le rayonnement infrarouge lointain. Ils sont donc utilisés en tant que couvertures transparentes des capteurs solaires.

ECS solaire


Flux radiatifs et convectifs (W/m²) échangés : capteur plan classique.

ECS solaire


pour réduire les pertes du capteur on utilise, sur la surface de l’absorbeur, un revêtement sélectif, présentant un coefficient d’absorption le plus élevé possible pour les longueurs d’onde du spectre solaire (inférieures à 2,5 mm) tout en ayant une émissivité la plus faible possible dans le domaine de l’infrarouge correspondant au rayonnement de l’absorbeur (longueurs d’onde supérieures à 2,5 mm).De tels revêtements sélectifs sont réalisés par dépôt chimique ou par traitement électrochimique de la surface absorbante.

Capteurs à revêtement sélectif :

Capteurs sous vide :

réduire les pertes par convection en plaçant l’absorbeur à l’intérieur d’une enceinte en verre dans laquelle un vide d’air à été fait.

ECS solaire

Principes générauxPrincipe de l’installation : Bilan énergétiques En régime permanent, on obtient l’équation caractéristique d’un capteur solaire plan en écrivant son bilan énergétique global.

Qu = Qa _ QpQu est la puissance cédée au fluide caloporteur,Qa est la puissance solaire absorbée,§Qp est la puissance correspondant aux pertes thermiques.

la puissance absorbée, en Watts, est :Qa = A . s . s . G

- A surface d’entrée du capteur en m² ,- s et s :valeurs moyennes des coefficients de transmission de lacouverture transparente et d’absorption de l’absorbeur sur l’ensemble du spectre solaire,- G est l’éclairement énergétique global en W/m² (de surface d’entrée), mesurédans le plan du capteur. (Généralement G=1000 W/m²)

ECS solaire

Principes générauxPrincipe de l’installation : Bilan énergétiques

Évaluation des pertes

Qp = QAV + QAR

Avec :QAV / A = UAV (Tm-Ta) et QAR / A = UAR (Tm-Ta)

Soit :QP / A = U (Tm-Ta)

U = UAV + UAR

UAV = coefficient de déperditions thermiques par la face avant (W/m2. K)UAR = coefficient de déperditions thermiques par la face arrière (W/m2. K)Tm = température moyenne de l’absorbeurTa = température ambiante moyenne

En négligent les pertes par les parois latérales :

ECS solaire


Principe de l’installation : Évaluation du rendement

Selon la normalisation internationale (ISO) et européenne (CEN), le rendement d’un capteur plan peut être caractérisé par trois coefficients indépendants de la température :

h = h0 – a1T* - a2 T*²§ h0 : coefficient de conversion optique (%)§ a1 : coefficient de déperditions thermiques par conduction (W/m2.K) a2 : coefficient de déperditions thermiques par convection (W/m2.K2) T* = (Tm-Ta) / G : température réduite.

Le rendement du capteur en régime permanent peut être évalué par :

QuηQa

ECS solaire

Principes générauxPrincipe de l’installation : Évaluation du rendement

T* = (Tm-Ta) / G

Climat chaud

fortement ensoleillé

T de production basse

Capteur sans vitrage

Capteur à vitrage et sélectif

Climat froid

peu ensoleillé

T de production élevée

Capteur sous vide

Variation journalière

ECS solaire

Principes générauxPrincipe de l’installation : Évaluation du rendement

T* = (Tm-Ta) / G

ECS solaire


Principe de l’installation : Évaluation du rendement

Pour des valeurs de T* inférieures à 0,07, on peut raisonnablement représenter ces variations par des relations linéaires.Le rendement s’écrit alors :

h = h’ – a’T*Dans la norme française NF P50-501, les coefficients h’ et a’ sont nommés respectivement :§ Facteur optique du capteur (B)§ Conductance thermique totale des pertes (K)

ECS solaire

Principes générauxPrincipe de l’installation : Raccordement des capteurs•Capteur avec Avis Technique et certification.•capteurs de même marque et de même type.•caractéristiques physiques voisines,( pdc)

Problème de l’équilibrage du réseau

Bon dimensionnement et ajustement sur site

Règles de conception hydrauliques :Perte de charge dans les collecteurs =le + faible possible

Perte de charge dans les capteurs

Diamètres internes des collecteurs1,6 <3,3Diamètres internes des capteurs

ECS solaire

Principes générauxPrincipe de l’installation : Transfert et stockage de l’énergie

Stockage : nécessaire car production discontinue de l’énergie solaire. L’accumulation de l’énergie dans le stockage se traduit par une élévation de sa température.

Rendement du capteur fonction de la température entré et de sortie => la température de d’entée de l’eau ds le capteur (= T° sortie stockage) doit être la plus basse possible

Transfert de chaleur : des capteurs vers le ballon ;§ par circulation forcée avec une pompe commandée par un dispositif de régulation,§ par circulation naturelle ou thermosiphon.

aucun dispositif de régulation pas de pompe concernent généralement que certaines fabrications de chauffe-eau

individuels

ECS solaire


Transfert de chaleur entre capteurs et stockage par échangeurs:•Les échangeurs intégrés au stockage : échangeurs noyés.•Les échangeurs extérieurs au stockage.

Dimensionnement : 2 méthodes : méthode du DTLM

méthode du NUT (Nombre d’Unités de Transfert) ou de l’efficacité

Classification: sens de circulation• Contre courant• Co courant• Courant croisé

Classification: Type de construction• Tubulaires• À plaques• Ailetés…

ECS solaire


Principe de l’installation : Transfert et stockage de l’énergie

Puissance échangée

Tce

Tfs Tfe

Tcs

Tce Tcs

TfeTfs

DTa

DTb

( ) ( )c c ce cs f f fs feP m C T T m C T T

Tce

Tfs

Tcs

TfeTce

Tcs

TfsTfeDTa DTb

Echangeur contre courant Echangeur co courant

ECS solaire


Méthode DTLM : On connaît les 4 températures et les débits => on cherche la surface d’échange

( ) ( )Δ ΔΔ ( )ln lnΔ ( )

ce fe cs fsa b

a ce fs

b cs fs

T T T TT TDTLMT T TT T T

( ) ( )Δ ΔΔ ( )ln lnΔ ( )

ce fs cs fea b

a ce fs

b cs fe

T T T TT TDTLMT T TT T T

Contre courant Co courant

. . .gP f K S DTLMPuissance réelle échangée :

f: Facteur de correction pour les configuration autre que co et contre courant (à utiliser avec DTLM à contre courant).Kg: Coefficient d’échange thermique global de la paroi entre les deux fluides (W/m²K)S : surface d’échange (m²)DTLM : Écart de température logarithmique moyen pour les configurations co et contre courant

ECS solaire


e s

e e

t taT t

e s

s e

T Tbt t

Avec :

ECS solaire


Méthode NUT : On connaît les 2 températures d’entrée et la géométrie => on cherche les températures de sortie

minmax ( . ) .( )ce feP m c T T

Efficacité :

La méthode propose de calculer l’efficacité de l’échangeur par des abaques ou des corrélations construites à l’aide du : Rapport des débits

Nombre d’unités de transfert :

Basé sur l’évaluation de la puissance max d’un échangeur parfait infini:

maxPε

P ( ) ( )c c ce cs f f fs feP m C T T m C T T

min

max

.1

.m C

Rm C

min

..

gK SNUT

m C

ECS solaire


Valeur de L’efficacité

ECS solaire

Principes générauxPrincipe de l’installation : RégulationObjectif : déclencher la circulation d’eau dans le circuit primaire dès que les conditions sont favorables : si T° sortie capteur > T° stockageType de régulation : Simple différentielle

ECS solaire

Principes générauxPrincipe de l’installation : Régulation

Double différentielle

ECS solaire

Principes générauxPrincipe de l’installation : Régulation

Par sonde d’ensoleillement

ECS solaire

Le dimensionnement de l’installation

Méthode en 5 étapes : Recueil des données

Définition des principes de l’installation

Pré-dimensionnement

Optimisation du dimensionnement

Finalisation; évaluation

Besoin ECS

Critères & contraintes

Données météos

Définition de certains composants

Données économiques

Sc0; Vs0; I0

Sc; Vs; I

Couts, temps retour…

ECS solaire

Le dimensionnement de l’installationRecueil des données

Besoin ECS: •Température de ECS•consommation journalièreCritères & contraintes : •Rentabilité économique minimum•Investissement max•Surfaces disponibles pour capteurs et ballons•Intégration architecturale des capteursDonnées météos•Température moyenne mensuelle•Moyenne mensuelle rayonnement global horizontal journalier•Température d’eau froide mensuelle :

ef

e(i)

m

T (i):Température d'eau froide du mois iT : Température air extérieur du mois i

T : Température air extérieur annuelle

Définition de certains composants : •Surface unitaires capteurs, coefficients B, K•Volume et constante de refroidissement du stockage

0 c sI I aS bV

•Données économiques : Coût d’investissement

24 0,05 1 11,1 avec 10

isob

b b iso

eCR hSV V h λ

•Coût de l’énergie d’appoint

3

2

: volume du ballon (m )

: surface ext du ballon (m ): épaisseur d'isolant (m): conductivité de l'isolant (W/mK)

b

b

iso

iso

V

Seλ

ECS solaire

Recueil des données : Implantation du champ de capteursÉvaluation des masques lointains ou proches: •Par héliogramme pour des obstacles spécifiques•Évaluation d’un coefficient d’ensoleillement fonction de la hauteur moyenne (en degré) des obstacles faisant face aux capteurs pour les masques éloignés


ECS solaire

Recueil des données : Implantation du champ de capteursÉvaluation des masques lointains ou proches: •Coefficient d’ensoleillement pour des masques proches


ECS solaire

Principe de l’installation

1 : Circuit direct à circulation forcée 2 : Circuit avec échangeur interne à circulation forcée, 1 pompe3 : Circuit avec échangeur externe à circulation forcée, 2 pompes4 : Circuit direct avec circulation en thermosiphon5 : Circuit avec échangeur interne à circulation en thermosiphon


•Le circuit direct est incompatible avec l’utilisation d’antigel•La circulation en thermosiphon n’est possible que pour des petites installations•L’échangeur interne pose des problèmes de tenue des ballons à la corrosion

ECS solaire

Principe de l’installation : choix des composantsType de capteurs (voir courbe de rendement)Plan : pour la production d’ECS « classique »Sous vide : pour ECS à haute température, surface disponible faible, taux de couverture élevé.

Modèle de capteur : suivant données constructeurs Bon rendement => B fort , K faible

Échange : Direct : si pas présence d’antigelIndirect : obligatoire si antigelNoyé : coût moindre, pb de corrosion et accessibilité en cas d’encrassementExterne =>à plaques:

Faire des comparatifs de différentes solutions, si nécessaire.


ECS solaire

Pré dimensionnement : calcul de la surface de capteur ScValeur de Sc : Fixer Sc0 par


00

75 75

Vj Vjlitres ScSc

On s’autorise un plage de variation autour de cette valeur :

min max 0 0, 50%, 50%Sc Sc Sc Sc

Application des contraintes :Surface disponible avec N capteurs:

β

dispoSc

Sc

Δc

max max max,

max,

min ,

tan2cos 60

site

disposite

Sc Sc Sc

ScSc ββ

N

Choix de l’inclinaison : fonction de la latitude et des besoins

Généralement : b= latitude

ECS solaire

Pré dimensionnement : calcul du volume de stock VsValeur de Vs : Fixer Vs0 par Vj : consommation journalière en moyenne mensuelle


0 max( )Vs Vj

On s’autorise un plage de variation autour de cette valeur :

min max 0 0, 50%, 50%Vs Vs Vs Vs

Application des contraintes :Prise en compte de la surface disponible pour le stock en local technique

Contraintes liées à la méthode

20 300VsSc

ECS solaire

Dimensionnement Objectifs : finaliser le choix de Sc et VS


Méthode : Tester différentes configurations par le calcul :

Configurations :

0 0

min min

max max

,

,

,

Sc Vs

Sc Vs

Sc Vs ,Sc Vs

Itérations afin de trouver une installation optimisée techno économiquement

ECS solaire

2.5. Evaluation économique de l’installation Investissement:


Cout d’exploitation : Difficile à évaluer car fonction de la performance de l’installation et du coût de l’énergie d’appoint

0 c sI I aS bV

ECS solaire

• Généralité sur les systèmes : Cycle thermodynamique à compression de vapeur

• Evaluation des performances

• Optimisation des performances

• Conception des installations : Les différents systèmes

Chapitre 3 : Systèmes de climatisation

Moteur thermique: Principe

Tentrée condTsortie cond

Tentrée evapTsortie evap

Turbine Travail mécanique

Systèmes de climatisation Généralité sur les systèmes

Cycle thermodynamique à compression de vapeur

Machine thermique Principe :

Tentrée condTsortie cond

Tentrée evapTsortie evap

Travail mécanique



• Composants principaux (Split Systems) :o Compresseur o Condenseur o Détendeur o Evaporateurs



Liquide

VapeurLiquide + Vapeur

T=cte

P

h

Diagramme enthalpique

Généralité sur les systèmes Cycle thermodynamique à compression de vapeur

Systèmes de climatisation

1

2

34

5

67

Principe :



• 1 et 2 : compression isentropique. Fluide = vapeur surchauffée.

• 2 et 3 : désurchauffe• 3 et 4 : condensation et

transfert de chaleur vers source chaude. Pression et température constantes.

• 4 et 5 : sous refroidissement

• 5 et 6 : détente isenthalpique et vaporisation partielle.

• 6 et 7 : vaporisation à pression et température constante.

• 7 et 1 : surchauffe avant son admission dans le compresseur.

Evolution simplifiée du fluide :



• Evaluation des puissances instantanées: Production de froid

Bilan sur le fluide frigo

)( 34 hhmQ ffcond

)( 12 hhmw ffcomp

)( 67 hhmQ ffevap

)(kg.s massiquedébit :

)kg (J. massique enthalpie :

(W) mécanique puissance : (W) thermiquepuissance :

1-

1-

m

h

wQ

rcompresseu : condenseur :

revaporateu : efrogorigèn fluide :

compcondevapff

h6 h7h1 h2h4



Evaluation des puissances instantanées: Production de froid

Bilan sur l’air

)(evapevap entréesortieairairevap hhmQ

condentréecondsortieaircond

condcondcond

TTcmQ

hhmQ

pairaircond

entréesortieairaircond

)(

)(kg.s massiquedébit :

)kg (J. massique enthalpie :

(W) mécanique puissance : (W) thermiquepuissance :

1-

1-

m

h

wQ

rcompresseu : condenseur :

revaporateu : efrogorigèn fluide :

compcondevapff



Évaluation générale de la performance en production de froid

Quelques soient les conditions d’opérationValeur de référence : Efficacité de Carnot

Valeur de l’installation : Efficacité12

67

hhhh

wQ

comp

evapth

evapcond

evapcarnot TT

T

elec

evapréel w

Qair

airevapQ

elecw



L’efficacité des systèmes de climatisation : EER / COP• Attention aux :

o évaluation : en production de chaud (COP) VS production de froid (EER)o approches diverses : européennes VS américaineso évaluations : instantanées (EER) VS évaluations saisonnières (SEER,

ESEER,…)

• Méthode européenne : Norme EN 14511:2004:

o L’EER (Energy Efficiency Ratio)

Mesures faites à charge pleine et Conditions de fonctionnement stabilisées (T int = 26°C et Text=35°C)

o Le COP (Coefficient of performance)

[W] einstantané électrique Puissance[W] einstantané froid Puissance

EER

[W] entrée en electrique électrique Puissance [W] chaud en émise Puissance

COP

Evaluation des performances Systèmes de climatisation

L’efficacité des systèmes de climatisation : EER, COPo Définition suivant méthodes américaines : « Air-Conditioning,

Heating, and Refrigeration Institute » (AHRI)• L’EER (Energy Efficiency Ratio)

Mesures faites à charge pleine et Conditions de fonctionnement stabilisées (Table 1)

• Le COP (Coefficient of performance)– .

– D ’ou :

[W] einstantané électrique Puissance[Btu/h] einstantané froid Puissance

EER

[W] entrée en electrique électrique Puissance [W] /froidchaud en émise Puissance

COP

EER = 3.413 COP


L’efficacité des systèmes de climatisation : EER / COP

• Attention aux approches diverses !!o Définition suivant méthodes américaines : « Air-Conditioning, Heating,

and Refrigeration Institute » (AHRI)• Le SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) de l’AHRI

o Evaluation par o Conditions d’opération (Tint et Text) variables

o Fonctionnement à charge partielle : Part Load Ratio (PLR) variant de 0 à 100%.

o Avec

o Et :

[Wh] saisonla sur consommée électrique Energie[Btu] saison unesur produite frigo Energie

SEER

SEER = A.EER100% + B.EER75% + C.EER50% + D.EER25% SEER (AHRI)

PLR Text (°C) Coefficients100% 35 A 1%75% 26,7 B 42%50% 18,3 C 45%25% 12,8 D 12%


L’efficacité des systèmes de climatisation : EER / COP• Attention aux approches diverses !!• Méthode européenne : Norme EN 14511:2004:

L’ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) Idem SEER mais avec des conditions et des unités Européennes

ESEER (Eurovent) SEER (AHRI)

PLR Text (°C)

Coefficients Text (°C)

Coefficients

100%

35 A 3% 35 A 1%

75% 30 B 33% 26,7 B 42%50% 25 C 41% 18,3 C 45%25% 19 D 23% 12,8 D 12%

SEER = A.EER100% + B.EER75% + C.EER50% + D.EER25%


Méthodes d’évaluation EUROVENT• Eurovent Certification certifie les performances de produits de

climatisation et de réfrigération, en accord avec les normes européennes et internationales.

• Suivant norme EN 14511o Extrait de certification : modèle réversible

o Extrait de certification : modèle climatiseur

•


http://www.eurovent-certification.com/fr/Produits_certifies/?lg=fr&rub=04&srub=03&select_prog=AC&select_partic=20&select_marque=DAIKIN&select_class=AC1+/+A+/+S+/+R&tri_chp=champ_22&debut_affiche=0&indice_affiche=0&tri_sens=ASC


















L’efficacité des systèmes de climatisation et étiquette énergie


L’efficacité des systèmes de climatisation fct des conditions d’opération


• Limiter l’écart entre Tf et Tc:o Conditions climatiques d’opérationo Coefficient d’échange sur les batteries

• Encrassement, corrosion• Vitesse d’air (?)

• Pertes de charge (pression) dans les conduites

Optimisation des performances


Aspect pratique : Trois problématiques essentielles : • La sélection • La mise en œuvre • La maintenance

Maintenance des installations : • Encrassement des unités intérieure et extérieure : visualisation

de la dégradation par le givrage• Corrosion des parties extérieures : jusqu’à 20% de chute

d’efficacité.

Optimisation des performances Systèmes de climatisation

Sélection du matériel: Performances acoustiques Sélectionner des équipements < 55dB pour les unités intérieures

Attention aux « vrais » mesures

Sources : Philippe RIVIERE, ARMINES, “TECHNICAL ANALYSIS OF EXISTING PRODUCT”S”:


Sélection du matérielMéthodes d’évaluation EUROVENTEurovent Certification certifie les performances de produits de climatisation et de réfrigération,

en accord avec les normes européennes et internationales.

• Extrait de certification : modèle réversible

• Extrait de certification : modèle climatiseur




















Sélection du matériel: Efficacité énergétiques : organismes certificateurs indépendants…• Eurovent• ARI• ISO…

Attention aux données constructeurs

Source : MERCHAT Michèle et al. « Performances énergétiques globales des systèmes de réfrigération »


Optimisation des performances : Dimensionnement

• La question du taux de charge : 2 théories

Ancienne étude (19xx)

Etude de 2003 (EECCAC J. Adnot, Armines)Etude pour 5 splits différents


Optimisation des performances: Technologie Inverter:

• Ajustement électronique de la fréquence d’alimentation du compresseur pour moduler sa vitesse

• Moins de démarrage du compresseur : durée de vie allongée

• Régulation plus fine de la température du local



Etude de 2009 ECODESIGN

Si surdimensionnement incontournable => Modèle inverter à privilégier


Mise en œuvre et implantation des unités

Intégration architecturale et fonctionnelle : exemple…


Aspect pratique : mise en oeuvre


Aspect pratique


Optimisation des performances : Aspect pratique

Attention : voir éléments de la maintenance Opticlim


Maintenance• Influence de la maintenance : suivi des performances de 3 split avec des

maintenances différenteso Climatiseur 1 : sans nettoyage sur la période de mesure o Climatiseur 2 : avec nettoyage classique en début et fin de périodeo Climatiseur 3 : avec nettoyage à eau sous pression en début et fin de période


• Influence de la maintenance : suivi des performances de 3 split avec des maintenances différentes

Type de nettoyage % de réduction E.E.R. sur 1 an

Classique 34 %Pas de nettoyage 38 % à eau pulsée 7 %


• Puissance totale, sensible et latente

Température sèche (°C)

hE

hs

hadp

S

Tadp TS T27°C

’

humidité spécifique (kg/kgas)

E

B

Ptoto

Psens

PLat

rE

rS radp


• Influence de l’humidité intérieure (Charges latentes).

Température sèche (°C)

Teneur en humidité(kg/kg air sec)

hE1

hE2

Tadp1

TS2 T27°C

1820

22hE3

TS3 TS1

Tadp2

Tadp3

E1

E2

E3


Les Différents systèmes de climatisation

Climatisation VS rafraichissementClimatisation : obtenir une consigne de température stricte Attention : Décret du 19 mars 2007 .« Dans les locaux dans lesquels est installé un système de

refroidissement, celui-ci ne doit être mis ou maintenu en fonctionnement que lorsque la température intérieure des locaux dépasse 26° C »

Applicable depuis le 1er juillet 2007.

• Rafraichissement : écart de température par rapport a l’extérieur (confort adaptatif…)


Classification

Unité de climatisation

Unité simple Par pièce (RAC)

MONOBLOC

Split

Unité centralisée

Bâtiment complet ou groupe de

pièces

À air Centrale de traitement d’air (CTA)

À eauGroupe a eau

glacée +Ventilo-

convecteurs

À réfrigérant Volume de réfrigérant

variable (VRV)

Multisplits



Monobloc (Window):

• Ancienne génération (packaged)o Intérêt : possibilité d’assurer

le renouvellement d’air….

• Nouvelle génération (single duct)• inconvénient : possibilité d’assurer

le renouvellement d’air….



Split system • Refroidissement

• Chauffage si réversible

• Déshumidification non contrôlée



Centrale de Traitement d’Air (ex : multizone): • Air hygiénique

• Free cooling

• Chauffage

• Refroidissement

• Humidification

• Déshumidification



Groupe d’eau glacée et ventilo-convecteur (ex : 2 tubes):

• Chauffage ou refroidissement (commutation centrale)




Groupe d’eau glacée et ventilo-convecteur (ex : 4 tubes): • Chauffage et/ou Refroidissement (commutation locale)




Système multi-splitSystème à détente directe



Système Volume de réfrigérant variable

• Possibilité de fonctionnement réversible (chaud ou froid)

• Possibilité de récupération d’énergie (chaud et froid): inversion du rôle des échangeurs évaporateur/condenseur

Technologie multsplit avec variation du débit de réfrigérant en fonction de la charge généralement par Inverter

Récupération d’énergie => équilibre : Demande de chaud = demande de froid



Comparaison des performances

Source : Centre d’Energétique, Ecole des Mines de Paris

Mon

oblo

c

Attention : la fenêtre est ouverte!!!



Comparaison des performances

Comparaison mesures/données constructeurs

Source : Climespace



Grille de choix et limites d’utilisation

Groupe eau glacée

CTA VRV split

Game de puissance

> 15 kW >15kW 5kWa 100 kWJusqu’à près de 64 unités

1,5 à 15kW

Application Grosses installation Sans traitement spécifique

• Fort besoin d’air neuf

• Traitements d’air spécifiques

Tertiaire, commercialBesoins combinés (chaud/froid)

RésidentielPetit tertiairePetit commercial

Traitement d’air

Froid et/ou chaud Froid, chaud, humidification, déshumidification

Froid et/ou chaud

Froid ou chaud (réversible)

Durée de vie

Jusqu’à 20 ans Jusqu’à 20 ans 12 ans 7 à 8 ans

Limites d’utilisation

Surface locaux > 300m²

Surface locaux > 300m²

Distance < 120mDéniveler entre unité < 15m

cf plus loin

Les Différents systèmes de climatisationSystèmes de climatisation

module 2.3

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