1 ieps colfontaine section Énergies et environnement année scolaire 2006 - 2007 construction basse...
TRANSCRIPT
1
IEPS Colfontaine
Section Énergies et Environnement
Année scolaire 2006 - 2007
Construction basse énergie
Suivi d’un projet de bâtiment administratif
Travail de fin d’étude
La Rocca Francesco
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
2
Observer dans la pratique l’évolution d’un tel projet
Aborder le point de vue techniques/matériaux de construction Aborder le point de vue technologies/matériels de chauffage & refroidissement
Transposer dans la pratique la théorie vue en cours
bâtiment administratif
Inspiré des critères basse énergie
Étude intégrée : bâtiment - systèmes de chauffage/refroidissement
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Origine du projet
Buts du stage
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
3IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Vues du bâtiment
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
4
Élévation avant
Élévation arrière
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
50 m
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
5
ÉLÉVATION LATÉRALE GAUCHE
ÉLÉVATION LATÉRALE droite
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
30 m
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
6IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
7
Pôle énergie
PROVINCE du HAINAUT
Architectes
Techniques spéciales
Faculté PolytechniqueMons
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
Acteurs du projet
8
Définir les principales caractéristiques de construction
Définir les principales caractéristiques de Système de chauffage et refroidissement
Minimisation Be via une conception adaptée du bâtiment
Minimisation Be énergie primaire non renouvelable
Prises en comptes des fonctions du bâtiment (horaires, apport internes)
Assurer le confort
Techniques de conception éprouvées
Matériaux éprouvées et aisément disponible
Techniques de chauffages et refroidissement éprouvées
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Les Objectifs
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
Contraintes
9
Visite de bâtiments - VIESSMAN à Roulers
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
10
Évaluation des Be annuels en énergie de chauffage et refroidissement.
Echanges réguliers d’informations entre la FPMs et les techniques spéciales
Évaluations successives des Be
Réorientation des choix de conception, matériaux et technologiques
conditionnant au final les systèmes de chauffage et de refroidissement
la consommation d’énergie annuelleles puissances nécessaires
Mode opératoire
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
Be
11
PAC géothermique utilisant le sol avec échangeurs verticaux intégrés aux fondations utilisant l’eau à partir de la nappe phréatique (Puisage ≈ 80 m, réinjection, ≈ 50 m)
Système de distribution par plancher
L’ECS produite à partir de panneaux solaires
Choix de départ pour le chauffage
Choix de départ pour le refroidissement
Utilisation d’un système passifs
Deux sources possibles (la nappe phréatique, échangeurs verticaux)
Complément dynamique nocturne via la VMC
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
12
Détermination de la compacitéPrise de conscience de la nécessité de maîtriser les apports internes Influence du K sur la demande de chauffage et sur les surchauffes
Les étapes - Étude de l’enveloppe
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
C
-30,00
-20,00
-10,00
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
K20 K25 K30 K30 K30 K30 K30 K30 K30 K30 K30 K30 K30 K30 K35 K40 K45
Pour le niveau d’isolation K30, Variation simultanée de plusieurs paramètres: répartitions surfaces vitrées facteur d’ombrage Fixefacteur d’ombrage variable
BekWh/(m².an)
Indice surchauffe °C
13
Les étapes - Étude de l’enveloppe
Les enseignements au niveau Be de chauffage et allures des surchauffes
Les niveaux d’isolation K30-K40 raisonnables
Permettent le respect du budget et donnent lieu à une demande en énergie de chauffagegérable par un système de distribution par le sol associé à une PAC
Nouveaux bâtiments Rénovation lourde
Logements K55 K65
Bureaux et écoles K65 K70
législation existante
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
14
Après la méthode normalisée, étude réalisé par TRNSYS
TRNSYS: Outils informatique utilisé par la FPMs permettant d’obtenir un profile des Be en fonction du temps
Nombreuses simulations
action bénéfique d’un récupérateur de chaleur sur les Be
Obligation pour assurer le confort thermique de procéder à un chevauchement Ponctuels pour des périodes chauffe & refroidissement
Les étapes -- Be en fonction du type de parois et de l’épaisseurs de l’isolant
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
S
15
Les étapes – Récupérateur de chaleur
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
S
Installation sans récupération
Installation avec récupération.
16
Les étapes – Simulation dynamique
Période de chauffe
Période de rafraîchissement
Renouvellement d’air [h-1]
Quantité de chaleur
[kWh/an] ; [kWh/m².an]
Puissance de
chauffe max [kW]
Quantité de froid
[kWh/an] ; [kWh/m².an]
Puissance de refroidissement
max [kW]
Cas 4 Toute l’année 228 369 ;
10,081,5
Cas 5 1/10 15/05 16/05 30/09 2 19 470 ; 6,9 50,0 1599 ; 0,56 84,7
Cas 6 1/10 31/05 1/06 30/09 1 7 917 ; 2,8 37,8 6125 ; 2,16 77,2
Cas 7 1/10 31/05 1/06 30/09 1,513 286 ;
4,744,3 2902 ; 1,02 79,1
Figure 9 : modèle mono zoneDemande en chaleur et en rafraichissement (simulation dynamique) avec récupération de chaleur sur l’air extrait :
Période de chauffe
Période de
rafraîchissement
Renouvellement
d’air [h-1]
Quantité de chaleur [kWh/an] ;
[kWh/m².an]
Puissancede
chauffe max [kW]
Quantité de froid
[kWh/an] ; [kWh/m².an]
Puissance de
refroidissement max [kW]
Cas 1 Toute l’année 0,75 116 985 ; 41,3 106,0
Cas 2 1/10 30/04 1/05 30/09 0,75 116 492 ; 41,1 106,0 8756 ; 3,0 75,2
Cas 2 bis 1/10 15/04 16/04 30/09 0,75 115 013 ; 40,6 106,0 8798 ; 3,1 75,2
Cas 3 1/10 15/05 16/05 30/09 0,75 116 848 ; 41,2 106,0 8756 ; 3,0 75,2
Figure 8: modèle mono zoneDemande en chaleur et en rafraichissement (simulation dynamique) sans récupération de chaleur sur l’air extrait :
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
17
Cas 9 Cas 10 Cas 11 Cas 12
β [h-1] 1,5 0,75 0,75 1
Quantité de chaleur NORD [kWh/an] ; [kWh/m².an]
28 935 ; 10,2 18 210 ; 6,4 18 269 ; 6,4 21 733 ; 7,7
Quantité de chaleur SUD [kWh/an] ; [kWh/m².an]
12 922 ; 4,6 7593 ; 2,7 7593 ; 2,7 9305 ; 3,3
Quantité de chaleur TOTALE 41 857 ; 14,8 25 803 ; 9,1 25 862 ; 9,1 31 308 ; 11,0
Quantité de froid NORD [kWh/an] ; [kWh/m².an]
201 ; 0,07 558 ; 0,19 337 ; 0,12 618 ; 0,22
Quantité de froid SUD [kWh/an] ; [kWh/m².an]
385 ; 0,13 1394 ; 0,49 1194 ; 0,42 1573 ; 0,56
Quantité de froid TOTALE 586 ; 0,20 1952 ; 0,68 1532 ; 0,54 2191 ; 0,77
Puissance de chauffe MAX [kW]
43,9 36,6 36,5 39,0
Puissance de froid MAX [kW] 55,5 53,5 53,5 48,4
Figure 10 : modèle multizones Demande en chaleur et en rafraichissement (simulation dynamique) avec récupération de chaleur sur l’air extrait
Cas 9 et 10: période chauffe 1er oct. 31 maiCas 11 : période chauffe 1er oct. 30 avril (zone sud)
1er oct. 31 mai (zone nord) Cas 12 : période chauffe 1er oct. 1er juin
: Période refroidissement 1er mai 1er oct. En mai chauffe&refroidissement possibles
simultanément.
Les étapes – Simulation dynamique
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
Quantité de chaleur selon bâtiment
Type bâtiment kWh/m².an
Existants 150-450
Réhabilitation 45-75
Neuf standards 115-300
Basse Energie 35
Passifs 15
18
x ECS
Reprise
Pulsion
Rejetd’air
Air neuf 3
4
1
2
Schéma hydraulique
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
19
Choix de production et distribution chauffage
La puissance de la PAC fixée finalement à 50 kW (39kW + 28%)
La puissance dissipée par le plancher chauffant est de 18 W/m² (alors que 58 W/m² est un maximum)
Nappe phréatique car mise en œuvre aisée, stabilité t °, pas recharge thermique
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
20
Hypothèse dimensionnement PAC
t° entrée à partir de la nappe 10°Ct° sortie vers la nappe 5°Ct°entrée du fluide frigorifique 7°Ct°sortie du fluide frigorifique 2°Cε échangeur 62,5%t° évaporateur -1°Csurchauffe à l’aspiration +5Kt° fluide caloporteur à l’entrée plancher 35°Ct° fluide caloporteur à la sortie plancher 30°Ct° fluide frigorigène au condenseur 38°Cη isentropique 0,7η électrique 0,9Puissance 50kWPuissance électrique compresseur 15,21 kWhPuissance électrique pompe de puisage 1 kWhTemps fonctionnement 620hConsommation électrique 10050 kWh/an (16,21 kWh * 620h)
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
21
50kW
10°C 5°C
2°C
7°C4°C
38°C35°C
30°C
HIVER SF
33°C
HIVER SC
-1°C
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
Hypothèse dimensionnement – Schéma de principe
22
Hypothèse dimensionnement via COOLPACK
Refrigerant: R404AValues at points 1-6,15 for the selected one stage cycle
|| x x 2| x x '|| 4 ___x______________x______ _'_|| | x x ' 3| 15|x x '| x x '| x| x '| x |_________________x__6 '| x 5 x |'| x x 1| x x|_______________________________________
Point T P v h s [°C] [bar] [m^3/kg] [kJ/kg] [kJ/(kg K)] 1 4,084 5,839 0,035327 372,250 1,6334 2 55,133 17,297 0,012264 404,021 1,6628 3 55,133 17,297 0,012264 404,021 1,6628 4 37,687 17,297 N/A 259,553 N/A 5 N/A 5,839 N/A 259,553 N/A 6 4,084 5,839 0,035327 372,250 1,6334 15 N/A 17,297 N/A 259,553 N/A
Te [°C] = -1,00Tc [°C] = 38,00DT subcooling [K] = 0,00DT superheat [K] = 5,00Dp condenser [Bar] = 0,00Dp liquid line [Bar] = 0,00Dp evaporator [Bar] = 0,00Dp suction line [Bar] = 0,00Dp discharge line [Bar] = 0,00Isentropic efficiency = 0,70---------------------------------------------Calculated:Qe [kJ/kg] = 112,697Qc [kJ/kg] = 144,469W [kJ/kg] = 31,771COP [-] = 3,55Pressure ratio [-] = 2,962---------------------------------------------Dimensioning:Qe [kW] = 0,000Qc [kW] = 0,000m [kg/s] = 0,00000000V [m^3/h] = 0,0000Volumetric efficiency = 0,00Displacement [m^3/h] = 0W [kW] = 0,000Q loss [kW] = 0,000
1812
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
23
Hypothèse dimensionnement via COOLPACK
1812
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
24
COPPu / P dépensée 50 kW / 16,21 kW = 3,08Puissance calorifique = 404,021 – 259,553 = 144,468 kJ/kgPuissance frigorifique = 372,250 – 259,553 = 112,697 kJ/kgPuissance compresseur = 404,021 – 372,250 = 31,771 kJ/kg
COP Chaud = 144,468 / 31,771 = 4,55COP Froid =112,697 / 31,771 = 3,55
COP ne tenant pas compte de la désurchauffePuissance calorifique384,560 – 259,553 = 125,007 kJ/kgCOP = 125,007 / 31,771 = 3,93
Cop idéal froid TF / TC-TF10 + 273,15 / (20 + 273,15) – (10 + 273,15)283,15 / 293,15 – 283,15 = 28,3
η = 3,08 / COPidéal = 3,55 / 28,3 =0,108
log p
h
55,133°C
17,29737,687°C
-1°C
5,839
4,084°C
h1259,553
372,250
5
h2 404,021P frigorifique
6
4
3
2
1
15
P calorifiqueP compression
384,56
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
Hypothèse dimensionnement via COOLPACK
25IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
Hypothèse dimensionnement - Calcul
Qv échangeur évaporateur - eau 7°CEau 7°C þ:999,96 kg/m³ , C: 4,198 kJ/kg
P= Qm.C.ΔtQm= P/ C.Δt Qm= 39 / 4,198 . 5Qm= 6688,89 kg/hQv= Qm/þQv= 6688,89 / 999,96Qv= 6,689,15 m³/hQv= 6689,15 l/h
50kW
10°C 5°C
2°C
7°C 4°C 38°C35°C
30°C
HIVER SF
33°C
=ε 7 -2 7-(-1)=
=62,5% =ε 38 – 33 38 -30=62,5%
=ε 10 – 5 10 - 2 =62,5%
HIVER SC
Qv nappe - eau 10°C Eau 10°C þ:999,77 kg/m³ , C: 4,192 kJ/kg
P= Qm.C.ΔtQm= P/ C.Δt Qm= 39 / 4,192 . 5Qm= 6698,47 kg/hQv= Qm/þQv= 6698,47 / 999,77Qv= 6,70001 m³/hQv= 6,700,01 l/h
-1°C
Qm Condenseur
P= Qm.Δh Qm= P/ΔhQm= 50 kW / 144,468Qm= 1245,9 kg/h
Qm Evaporateur P=Qm. Δh P= 1245,9. 112,697P= 39 kW
Puissance compresseurP=Qm. Δh P= 1245,9. 31,771P= 10,99kW
Qv plancher - eau 35°C Eau 35°C þ:994,08 kg/m³ , C: 4,178 kJ/kg
P= Qm.C.ΔtQm= P/ C.Δt Qm= 50 / 4,198 . 5Qm= 8616,5 kg/hQv= Qm/þQv = 8616,5 / 994,08Qv = 8,667,8 m³/hQv= 8667,8 l/h
26
La puissance pour refroidissement fixé finalement à 60 kW (48,4 kW calculé)
Nappe phréatique car mise en œuvre aisée, stabilité t°, pas recharge thermique
Choix de production et distribution refroidissement
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
27
Hypothèse dimensionnement FREE COOLING – Calcul
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
14°C
17°C 22°C
19°C
Qv plancher - Eau 17°C Eau 17°C þ:998,86 kg/m³ , C: 4,184 kJ/kg
P= Qm.C.ΔtQm= P / C . Δt Qm= 60/ 4,184.5 = 10325,04 kg/h Qv= Qm/þ Qv= 10325,04 / 998,86 Qv= 10,33682 m³/hQv = 10336,82 l/h
Qv nappe - eau 14°C Eau 14°C þ:999,33 kg/m³ , C: 4,187 kJ/kg
P= Qm.C.ΔtQm= P / C . Δt Qm= 60/ 4,187.5 = 10317,64 kg/h Qv= Qm/þ Qv= 10317,64 / 999,33 Qv= 10,32456 m³/hQv = 10324,56 l/h
60 kWETE
28
Apport internes 35 W/m²Surface vitrage 620 m²Surface sols 2805 m²Épaisseur d’isolant Eurothane 10 cm λ Eurothane 0,023W/m.K Chassis Alu double vitrage thermobel starlite λ 1,56W/m².K Puissance chauffage 50 kWPuissance refroidissement 60 kWPuissance chauffage calculée 48,4 kWPuissance refroidissement calculée 39 kWPuissance pompe 1 kWDébit volumique – évaporateur 6962 l/hDébit volumique – condenseur 10337 l/hConsommation électrique 10050 kWh/an Be selon la norme 186206 kWh/anBe chauffage avec récupérateur 90% selon norme 23891 kWh/an Be chauffage 11 kWh/m².an Be refroidissement 0,77 kWh/m².an Énergie primaire non renouvelable 25125 kWh/anÉnergie primaire non renouvelable si chaudière gaz HR 33811 kWh/anÉnergie primaire non renouvelable - classique 30 kWh/m².an 93330 kWh/anBe selon simulation dynamique 178086 kWh/anBe chauffage avec récupérateur 90% selon simulation dynamique 21972 kWh/an Puissance surfacique pompe 50 kW & surface 2800m² 18 W/m²Puissance frigorifique plancher max pour 60 kW (60k/2805) 21,4 W/m² Temps occupation du bâtiment * 620 h η électrique 0,9η isentropique 0,7Sous-refroidissement sortie condenseur 0 KPuissance max plancher froid Δt 5°K surface/pièce 35W/m²
* [ (365j – 150j) . 10h ] . 29%
2519
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
Caractéristiques - récapitulatif
29
Suivi d’un projet et coordination de tous les acteurs
Transposition dans la pratique de points abordés en cours NormesMéthode de Calcul de déperditions
Puissance des systèmes de distribution de chaleur & refroidissement Dimensionnement PACNappe phréatique comme sourceChauffage/refroidissement par le sol Récupérateur de chaleur
Mise en évidence de l’importance des critères Type et épaisseur de l’isolant Prise en compte des surchauffes Orientation du bâtiment OmbrageVitrage
Caractéristiques thermiques de l’enveloppeÉtanchéité à l’air du bâtimentVentilationÉclairage et autres équipements
Mise au point de feuilles de calcul: K, déperditions thermique parois et locaux
2519
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif
Conclusion - Expérience
30
Merci pour votre attention
IEPS ColfontaineEnergie et Environnement Travail de fin d’étude Année scolaire 2006-2007 La Rocca Francesco
Construction basse énergie – Suivi d’un projet de bâtiment administratif