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FORMATION BATIMENT DURABLE :
PASSIF ET (TRES)
BASSE ENERGIE
PRINTEMPS 2015
Journée 3.4
Systèmes - Notions théoriques
Refroidissement
Piotr Wierusz-Kowalski
[email protected] – www.mkengineering.be
FORMATION « bâtiment durable : PASSIF ET (TRES) BASSE ENERGIE » - IBGE - printemps 2015
OBJECTIF(S) DE LA PRESENTATION 2
● Identifier les besoins en froid et penser préalablement à les
minimiser
● Comprendre les paramètres du système de production de froid
● Estimer l’impact sur les critères de certification (c-à-d l’Energie
Primaire) du choix du système de production et d’émission du froid
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TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION
Critères de certification
Des Besoins Nets à l’Energie primaire
Stratégie de conception
Confort estival
Occurrence des besoins
Répartition des Besoins et Energie Primaire
Puissance relative
Répartition des Besoins et Energie Primaire
Dimensionnement
Synthèse
SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT
3
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INTRODUCTION – CRITÈRE DE CERTIFICATION 4
● Dans le résidentiel, le refroidissement n’est pas considéré!
● Objectif : se passer de refroidissement actif!
Source : Vademecum PMP
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INTRODUCTION – CRITÈRES DE CERTIFICATION 5
● Certification Passive (non-résidentiel – permis déposé après le
06/03/2012)
N Le refroidissement actif intervient dans la lutte contre la surchauffe après les
moyens passifs.
N But : être sous le seuil des 5 % des risques de surchauffe, pour des besoins
en refroidissement inférieurs à 15 kWh/m².an en minimisant les
consommations en Ep.
● Ensemble des données et résultats présentés sont spécifiques au
tertiaire
● La simulation dynamique est requise pour le tertiaire passif > 1000 m²
Critères à respecter: Certification - Bâtiment TERTIAIRE - Standard Passif
Besoins net en énergie de chauffage ≤ 15 kWh/m².an (1)
Besoins net en énergie de refroidissement ≤ 15 kWh/m².an (1)
Test d'étanchéité à l'air n50 ≤ 0,6 h-1 selon la méthode A de la NBN EN 13829 (5)
Probabilité du risque de surchauffe 0,05 ou 5% Simulation dynamique requise (3)
Critère en énergie primaire - Ep ≤ 90 - 2,5 x compacité (2) (4)
Source : Vademecum PMP 2012
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3. Apports internes par l’éclairage +
6. Déperditions par transmission
7. Déperditions par ventilation
8. Déperditions par in/exfiltration
4. Apports internes par les ventilateurs
5. Apports internes par les appareils
10. Besoins nets en énergie pour le refroidissement
11. Pertes du système de refroidissement
12. Besoins bruts en énergie
2. Apports internes par les personnes
15. Pertes de transformation
16. Consommation d’énergie primaire du bâtiment
-
6 7 8
1
2 3 4 5
10 11
12 13
9
-
+
+
+
+
=
+
= 9. Chaleur à évacuer par le système de refroidissement =
-
1. Apports solaires
14
15
16
13. Pertes à la production
14. Consommation d’énergie pour le refroidissement
+
=
INTRODUCTION – BESOINS NETS À L’ÉNERGIE PRIMAIRE 6
Formation Systèmes :
Refroidissement
Formation Systèmes :
Eclairage
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INTRODUCTION – STRATEGIE DE CONCEPTION
● Stratégies passives :
N Limiter les gains internes
N Limiter les gains externes (protections solaires)
N Evacuer la surchauffe par l’air
N Utiliser l’inertie pour absorber la chaleur pendant la journée et
l’évacuer la nuit.
● Ces mesures sont validées par simulation dynamique
● Le solde de la surchauffe peut être traité par des moyens actifs en
vue de ramener les risques de surchauffe à < 5%
7
Source : MK Engineering
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INTRODUCTION – CONFORT ESTIVAL
● Notion de confort développé lors de la 1ère journée de formation
● La certification impose un maximum de 5% de surchauffe
N 5 % correspond à un nombre d’heures au-dessus de 25°C
pendant l’occupation du bâtiment.
● Le confort est subjectif, il est fonction :
N De l’habillement
N Du métabolisme
N Des paramètres physiques suivants
● Paramètres : température (air/parois/opérative), humidité, vitesse
de l’air
8
Source : Energie +
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INTRODUCTION – OCCURRENCE DES BESOINS
● Exemple de besoins de chaud et de froid pour un bâtiment tertiaire
N Occurrence des besoins de froid réduits
N Besoins de chaud et de froid peuvent être simultanés
9
[kWh]
[mois]
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Besoin de chauffage
Besoin de refroidissement
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
[kWh]
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INTRODUCTION – PUISSANCES RELATIVES
● Fonction de l’affectation, de la conception et des moyens passifs
● 2 exemples avec des comportements et stratégies différentes :
N Bâtiment de bureaux
• Puissance frigorifique nécessaire de 5 W/m²
pour des besoins frigorifiques de 1,6 kWh/m².an
N Maison de repos et de soins
• Puissance frigorifique nécessaire de 25 W/m²
pour des besoins frigorifiques de 4,7 kWh/m².an
10
Source : MK Engineering
Source : 3E
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INTRODUCTION – REPARTITION DES BESOINS ET ENERGIES
● Projets Non-Résidentiels
11
PEB TBE PASSIF
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
kWh
/m².
an
Besoins énergétiques nets
Electricité auxilaires
Eclairage
Refroidissement
Chauffage
PEB TBE PASSIF
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
kWh
p/m
².an
Energie primaire
Electricité auxilaires
Eclairage
Refroidissement
Chauffage
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INTRODUCTION – DIMENSIONNEMENT
● Puissance de froid
N Sur base d’un bilan des apports (méthode Carrier)
• Apports externes
• Apports internes
∙ Eclairage
∙ Occupants
∙ Postes de travail
∙ Cuisines
∙ …
N Sur base d’une simulation dynamique
• Permet de tenir compte des moyens passifs de refroidissement
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INTRODUCTION – SYNTHESE 13
● Favoriser préalablement les stratégies passives
● Le traitement en froid actif a pour objectif de contrôler les
confort
N en période estivale
N mais aussi sur de plus longues périodes dans les zones à fortes
charges internes
● Il peut exister des périodes de simultanéité avec les besoins en
chaud
● Le traitement actif en froid impact les besoins en Energie
primaire
● Les besoins en froid (actifs) sont très variables en fonction de
l’affectation et de la physique du bâtiment
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TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION
SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT
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SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT
TERMINOLOGIE
PRODUCTION
DISTRIBUTION
EMISSION
REGULATION
OPTIMISATION
ENERGIE PRIMAIRE
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SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – TERMINOLOGIE
● Free-cooling
N Valorisation de l’air frais extérieur
N By-pass récupérateur de chaleur sur la ventilation
N pulsion de l’air frais extérieur
● Top-cooling
N Rafraichissement contrôlé de l’air pulsé
N Moyen actif nécessaire
N Ex : pulsion à 18°C par 30°C extérieur
● Night-cooling
N Valorisation de la fraîcheur nocturne
N Ventilation intensive du bâtiment pour décharge de l’inertie
N Ventilation :
• Mécanique
• Naturelle
• Hybride
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SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT
TERMINOLOGIE
PRODUCTION
DISTRIBUTION
EMISSION
REGULATION
OPTIMISATION
ENERGIE PRIMAIRE
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● Le but est de transférer l’énergie d’un milieu froid vers un milieu chaud.
Peut être réversible PAC
SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – PRODUCTION - Principe 18
Compresseur = consommation de
force motrice
Vanne de détente
Condenseur
= rejet de la
chaleur
Evaporateur
= Absorption
de la chaleur
Source : MK Engineering
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SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – PRODUCTION - Principe
● Les machines frigorifiques fonctionnent par transfert d’énergie, et non par
combustion.
le rendement est toujours supérieur à 100%
● Fluide frigorigène de production :
N CFC interdits
N HFC R-134a, R-407, R-410,… (mais restent soumis à des normes
environnementales)
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Source : Eurovent
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SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – PRODUCTION – Rendement
● Rendements
N EER : rendement de l’appareil à pleine charge :
N ESEER : rendement saisonnier
N Certification Eurovent = garantie
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Source : Energie +
Source : Eurovent
NBN EN 14511
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SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – PRODUCTION – Rendement 21
Source : DAIKIN
Source : UNICO
● Ordre de grandeur (condenseur à air)
N Machine traditionnelle
N Machine optimisée
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SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT
TERMINOLOGIE
PRODUCTION
DISTRIBUTION
EMISSION
REGULATION
OPTIMISATION
ENERGIE PRIMAIRE
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SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – DISTRIBUTION - Généralité
● Fluide de distribution :
N Distribution directe avec le fluide frigorigène
N Distribution par eau (eau glacée)
N Distribution par air (par la ventilation)
● Mêmes critères que pour la distribution de chauffage :
N Pertes thermiques calorifuge
N Consommation électrique des auxiliaires dimensionnement
des réseaux et sélection des auxiliaires
N Zonage : voir remarque chauffage et chapitre régulation
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Source : MK Engineering
Source : Grundfoss
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SYST. DE REFROID. – DISTRIBUTION – Détente directe
● Pas de fluide intermédiaire, la machine travaille en direct avec
évaporateur dans la zone à traiter
N Avantages :
• Prix réduit, régulation simplifiée
N Inconvénients :
• Distribution du fluide froid dans le bâtiment (normes environnementale)
• Fonctionne pour un nombre limité de locaux (multi-split)
• Esthétique ?
N Application :
• Locaux à charges de climatisation spécifiques et localisée (type salles
informatiques,…)
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Source : Energie + Source : Aermec
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SYST. DE REFROID. – DISTRIBUTION – Eau glacée
● L’énergie frigorifique est distribuée par de l’eau glacée
N Avantages :
• Le traitement froid est indépendant de la ventilation
• Régulation plus facile pièce par pièce
• Charge de fluide frigorigène faible et limité à la machine frigorifique
N Inconvénients :
• Distribution du fluide froid dans le bâtiment
N Application :
• Zones où les besoins de climatisation sont élevés et diversifiés
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Source : Energie +
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SYST. DE REFROID. – DISTRIBUTION – Par l’air
● L’énergie frigorifique est distribuée par l’air
N Avantages :
• Permet de jouer sur l’humidité de l’air (préchauffage, humidification,…)
• Pas d’équipement nécessaire dans les pièces
N Inconvénients :
• Nécessite de gros débits d’air
∙ Du coup, les ventilateurs consomment et dégagent de la chaleur
∙ Encombrement des réseaux aérauliques non négligeable
• Dépendance de la ventilation hygiénique avec le traitement climatique
N Application :
• Zones où les débits sont élevés et les besoins de climatisation sont faibles
26
Source : Energie +
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SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT
TERMINOLOGIE
PRODUCTION
DISTRIBUTION
EMISSION
REGULATION
OPTIMISATION
ENERGIE PRIMAIRE
27
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SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – EMISSION
● Batterie froide (ou réversible)
N Avec effet de déshumidification
● Ventilo-convecteur
N 2 ou 4 tubes
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Source : Daikin
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SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – EMISSION
● Plafonds froids
N Puissance limitée (40…100 W/m²)
N Régime de T° élevé (15°C) pas de condensation
● Poutres rafraichissantes
N Statiques ou dynamiques (réseau d’air haute pression)
N Régime de T° élevé
● Slab cooling
N Inertie élevée
N Pour rafraichissement nocturne
N Puissance limitée
N Régime de T° élevé
29
Sources : Energie +
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SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT
TERMINOLOGIE
PRODUCTION
DISTRIBUTION
EMISSION
REGULATION
OPTIMISATION
ENERGIE PRIMAIRE
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SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – REGULATION
● Objectif :
N Assurer le contrôle du confort
N Optimiser les consommations du système
● Moyens :
N Par ajustement de la T° ambiante (aux horaire, besoins,…)
N Via ajustement des conditions de fonctionnement du système
● Techniques :
N Grande diversité de techniques, fonction des systèmes
(production, distribution, émission)
N Créativité et originalité
N MAIS attention à l’exploitation et la compréhension de
l’utilisateur final
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● Points d’attention :
N Plage neutre
• Attention, dans certains cas, besoins simultanés de chaud et froid
N Chaque façade, chaque affectation a des besoins différents
• Zonage
• Commande localisée
N Identification claire des commandes, écolage, manuel
d’explication, …
SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – REGULATION 32
0%
20%
40%
60%
80%
100%
-10 0 10 20 30 T° ext (°C)
Puissances chaud/froid
T° chaud T° froid
Plage neutre
Source : MK ENgineering
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SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT
TERMINOLOGIE
PRODUCTION
DISTRIBUTION
EMISSION
REGULATION
OPTIMISATION
Condenseur
Evaporateur
Exercice pratique
Free chilling
Récupération de chaleur
Refroidissement alternatif
ENERGIE PRIMAIRE
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SYSTÈMES DE REFROID. – OPTIMISATION - Condenseur
● Comme spécifié dans la formation « chauffage » il existe des
groupes : air/air, air/eau, eau/eau, …
● Système monobloc à condenseur air
N Faible investissement
N Rendement faible
N Maintenance aisée
● Condenseur à eau
N Source d’eau:
• Dry-cooler (refroidis par air)
• Tour de refroidissement (maintenance !)
• Sol (géothermie)
• Captage d’eau…
N Investissements plus élevés
N Rendement potentiellement plus élevé
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Source : Energie +
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SYSTÈMES DE REFROID. – OPTIMISATION - Evaporateur
● Température de fonctionnement
N Intérêt à travailler à haute température, favorise :
• La diminution des pertes de distribution vers l’ambiance
• La non-condensation de l’air (12°C)
• L’augmentation du rendement
N Travailler à un régime supérieur : 12 – 17°C et non (6 -11°C)
• Nécessite un échangeur à haute température
∙ Plafond froid
∙ Ventilo-convecteur sur-dimensionné
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SYSTÈMES DE REFROID. – OPTIMISATION – Exercice pratique 36
● Présélection d’un appareil de production de froid sur base d’une fiche
technique de fabricant.
Sélection d’une machine à analyser suivant :
N Valeurs nominales
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SYSTÈMES DE REFROID. – OPTIMISATION – Exercice pratique 37
● Présélection d’un appareil de production de froid sur base d’une fiche
technique de fabricant.
Sélection d’une machine à analyser suivant :
N Régime de température (évaporateur)
• Choix des unités intérieures impact sur évaporateur
• Conditions extérieures T°ext ou choix du condenseur
N Analyse de l’impact sur le rendement (EER)
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SYSTÈMES DE REFROID. – OPTIMISATION – Free chilling
● Free-chilling
N Quand T° « source » basses, arrêt du compresseur et
refroidissement gratuit par échange avec air extérieur
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Source : Energie +
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SYSTÈMES DE REFROID. – OPTIMISATION – Stockage d’énergie
● Stockage
N Diminution de la puissance installée
N Optimisation de la facture (tarif de nuit)
N Meilleur rendement de nuit (T°extérieure inférieure)
N Problématique de l’encombrement
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Source : Energie +
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SYST. DE REFROID. – OPTIMISATION – Récupération de chaleur
● Récupération de chaleur sur condenseur
N Pour préchauffage d’ECS
N Pour circuit chauffage
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Source : Energie +
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SYST. DE REFROID. – OPTIMISATION – Refroid. adiabatique
● Refroidissement adiabatique :
N L’évaporation de l’eau refroidit « gratuitement » l’air repris
N L’air frais peut alors refroidir l’air neuf
N Peu de contrôle et efficacité fonction des conditions extérieures
N Ambiance humide et chaude, donc :
• résistance des matériaux à la corrosion à prévoir
• risque de développement de bactérie
• maintenance accrue
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SYST. DE REFROID. – OPTIMISATION – Machine ad/ab -sorption
● Machines à ad/bsorption
N Le compresseur est remplacé par un procédé thermochimique
N Cout d’investissement plus élevés
N Pertinent si on dispose d’un déchet thermique à revaloriser
N Principe de la « trigénération » :
• Cogénération pour électricité et chaleur en hivers
• En été, la chaleur est envoyée vers la machine frigo
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Sources : Energie +
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SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT
TERMINOLOGIE
PRODUCTION
DISTRIBUTION
EMISSION
REGULATION
OPTIMISATION
ENERGIE PRIMAIRE
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Refroidissement avec PAC électrique Valeur en énergie primaireFacteur d'émission CO2
(équivalent CO2)
kWh/kWh g/kWh
Taux de couverture du besoin de refroidissement (Projet) 100% 2.5 680
Source de chaleur Electricité
Coefficient de performance (COP) de refroidissement annuel 3.3
Besoin en énergie de refroidissement 3.0 7.6 2.1
SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – ENERGIE PRIMAIRE
● A partir des BNEF, avec les apports internes défavorables
N Besoins nets en refroidissement introduits (ex : 10 kWh/m².an)
N COP (ESEER) à introduire
N BNEF / ESEER Energie Finale (besoins …)
N EF * Coef. EP Consommation en énergie primaire
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Paramètre principal : ESEER
Attention! Energie finale
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SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – ENERGIE PRIMAIRE 45
● Tableau de conversion en énergie
primaire :
● Comparaison d’une optimisation des performances
Besoins Net : 15 kWh/an.m² et 5 kWh/an.m²
Pertes de distribution du réseau de chauffage : 1,0 kWh
Vecteur énergétique Fp
Electricité 2,50
Besoins
nets
[kWh]
Besoins bruts
[kWh]
ESSER Energie finale
[kWh]
Coût
[€/m²]
Energie primaire
[kWhp]
15 15+ pertes = 16,0 3 16 / 3 = 5,33 5,33 x 0,17 = 0,91 5,33 x 2,5 = 13,3
15 15+ pertes = 16,0 5 16/ 5 = 3,20 3,20 x 017 = 0,54 3,20 x 2,5 = 8,0
5 5+ pertes = 6,0 3 6 / 3 = 2,00 2,00 x 0,17 = 0,34 2,00 x 2,5 = 5,0
5 5+ pertes = 6,0 5 6 / 5 = 1,20 1,20 x 0,17 = 0,20 1,20 x 2,5 = 3,0
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SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – SYNTHESE 46
● Free-cooling, Top-cooling, Night-cooling … une terminologie
adaptée…
● Une machine frigo n’est qu’une pompe à chaleur inversée… ou
l’inverse !
● Distribuer le froid par le fréon, l’air ou l’eau glacée, il existe une
panoplie de solutions.
● Des rendements de fonctionnement variables et optimisables
FORMATION « bâtiment durable : PASSIF ET (TRES) BASSE ENERGIE » - IBGE - printemps 2015
CE QU’IL FAUT RETENIR DE L’EXPOSE
● Mettre en œuvre un maximum de stratégies de conception
passive pour éviter et minimiser les besoins en froid
● Un appoint en refroidissement actif peut être envisagé, celui-ci
doit être adapté à la fonction du bâtiment
● Il existe des certificats renseignant les performances de
l’appareil. L’ensemble du système doit être conçu dans l’idée
d’une rationalisation de l’énergie
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OUTILS ET REFERENCES
● Outils, sites internet, etc… intéressants :
N Vademecum PMP
N http://www.energieplus-lesite.be/
N alter-clim (IBGE)
● Références Guide bâtiment durable et autres sources :
N Guide bâtiment durable :
• http://app.bruxellesenvironnement.be/guide_batiment_durable
Fiche :
stratégie passive : ENE05, ENE06, ENE07
stratégie active : ?
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CONTACT
Piotr Wierusz-Kowalski
Ingénieur Gestionnaire de Projets
Coordonnées :
: 02/340.65.00
49
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SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT – QUESTIONS / RÉPONSES 50
?
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51
MERCI POUR VOTRE ATTENTION