Comment optimiser les systèmes CVC pour répondre à une utilisation réelle, économiser de l’énergie et offrir un environnement sain et confortable aux occupants du bâtiment ?
L'énergie dans les bâtiments
Les économies d'énergie sont un enjeu majeur pour de nombreuses entreprises du secteur du bâtiment. Le CVC représentant une part considérable de la consommation énergétique des bâtiments tout au long de leur cycle de vie, les technologies spécifiées et utilisées dans les bâtiments doivent être à la pointe des économies d'énergie. Les produits de ventilation, de chauffage et de climatisation gagnent progressivement en efficacité, grâce à la législation et au développement de nouvelles technologies pour leurs composants. Cependant, tout en évoluant vers de nouvelles technologies efficaces, il est essentiel de veiller à ce que les technologies existantes soient utilisées de la manière la plus intelligente et la plus efficace possible.
Les systèmes CVC sont généralement conçus pour une utilisation optimale du bâtiment. Les systèmes de climatisation sont conçus pour les températures estivales maximales et un ensoleillement intense, les systèmes de chauffage pour les jours les plus froids de l'année et les systèmes de ventilation pour une occupation maximale. C'est un excellent moyen de concevoir des bâtiments résilients, prêts à affronter toutes les conditions. Mais est-ce ainsi qu'ils sont utilisés ?
Les systèmes conçus pour des charges de pointe seront très rarement utilisés à ces niveaux de conception, voire jamais. Pendant la majeure partie de leur durée de vie, ils fonctionneront à une fraction de la charge de conception. Cet écart entre les charges de pointe de conception et les charges de fonctionnement réelles est considérable et, comme nous le verrons, ne cesse de s'accroître.
L'écart de performance présent et futur
Deux facteurs vont rendre la différence entre les points de conception et de fonctionnement encore plus extrême.
Les bâtiments sont aujourd'hui utilisés de manière plus flexible, notamment pour les bureaux et les commerces, car les entreprises et les employés bénéficient de possibilités de travail flexibles. Un système de ventilation et de climatisation d'immeuble de bureaux conçu pour une occupation maximale en 2020 connaîtra rarement la même occupation en 2023 et au-delà.
Le réchauffement climatique a déjà un impact sur les phénomènes météorologiques extrêmes, et même avec des changements substantiels des facteurs contributifs, des phénomènes météorologiques plus extrêmes sont attendus à l'avenir. L'Europe devrait connaître des étés plus chauds et plus secs. Ce phénomène, combiné à l'effet d'îlot de chaleur urbain, qui aggrave les températures estivales et les fortes chaleurs dans les zones où sont situés de nombreux bureaux et immeubles commerciaux, ainsi qu'à la réflexion sur la conception des mesures d'atténuation de la chaleur à l'échelle des villes et des rues, entraînera probablement un éloignement encore plus marqué des pics de charge pour lesquels les systèmes de construction sont conçus.
Les concepteurs de bâtiments doivent intégrer la nouvelle façon d’utiliser les bâtiments ainsi que les risques futurs liés aux conditions météorologiques extrêmes dans la conception actuelle des bâtiments, que ce soit au stade du développement ou de la rénovation.
Trouver des gains d'efficacité dans l'écart de performance
Lorsqu'un système CVC fonctionne à charge partielle, il est généralement plus efficace. Les centrales de traitement d'air (CTA) fonctionnant à mi-vitesse de ventilation consomment moins d'un quart de la puissance absorbée. Un refroidisseur ou une pompe à chaleur fonctionnant à charge partielle exploite pleinement son échangeur de chaleur pour atteindre un rendement plus élevé. Cependant, est-ce ce que permettent les technologies actuelles ?
Si nous pouvons contrôler nos CTA pour fournir uniquement la quantité d'air dont nous avons besoin pour les occupants à l'intérieur du bâtiment, en utilisant la ventilation à la demande (DCV), les serpentins de refroidissement et de chauffage qui sont dimensionnés pour une pleine capacité peuvent contrôler la température de l'air frais en utilisant beaucoup moins d'énergie.
Les serpentins des ventilo-convecteurs ou des poutres froides qui desservent les espaces intérieurs n'ont pas non plus besoin de fonctionner à pleine charge, car ces unités sont généralement sélectionnées pour une occupation complète et dans des conditions de pointe en été ou en hiver.
Il faut ensuite prendre une décision concernant les batteries qui n'ont pas besoin de leur pleine capacité. La solution traditionnelle consiste à réduire le débit de liquide de refroidissement ou de chauffage à l'aide d'une vanne. C'est un moyen simple de contrôle local, standard sur la plupart des systèmes. Cependant, en intégrant un peu plus d'intelligence dans la connexion entre le refroidisseur/la pompe à chaleur et la batterie, nous pouvons également optimiser la température du liquide qui alimente la batterie. Une batterie de refroidissement conçue pour utiliser de l'eau à 6 °C à 100 % de sa capacité n'a pas besoin de cette température à 50 % de sa capacité.
La modification de la température de l'eau des serpentins vise à accroître l'efficacité du refroidisseur/de la pompe à chaleur. Augmenter d'un degré la température de l'eau sortant d'un refroidisseur augmente son efficacité d'environ 3 %. Faire fonctionner une pompe à chaleur à un degré de moins augmente son efficacité d'autant.
Ainsi, lorsque nous analysons la demande des serpentins qui contrôlent le confort des pièces, qu'il s'agisse de la CTA ou de l'espace, nous constatons qu'ils peuvent fonctionner à une température d'eau optimisée la plupart du temps. De récents calculs de CTA connectées à des pompes à chaleur montrent que la température de l'eau peut être optimisée pendant plus de 95 % du temps de fonctionnement, permettant ainsi d'économiser plus de 20 % d'énergie de refroidissement et plus de 30 % d'énergie de chauffage. Ceci, simplement en contrôlant le système de manière plus intelligente.
Ce type de contrôle de capacité offre toujours un grand confort ambiant ainsi que des avantages énergétiques, réduisant les variations de température et les courants d'air dans la pièce, lorsqu'il est correctement contrôlé.
Refroidissement passif et free-cooling
Si le refroidisseur est équipé d'un système de refroidissement gratuit, l'optimisation de la température de l'eau a un impact encore plus important sur l'efficacité. Le refroidissement gratuit consiste à refroidir le circuit d'eau de refroidissement directement par l'air extérieur plutôt que par le circuit de refroidissement à détente directe du refroidisseur. Généralement, un certain refroidissement gratuit est disponible lorsque la température de l'air ambiant est inférieure d'un degré Celsius à la température de l'eau de retour. Plus l'écart entre la température ambiante et la température de l'eau est important, plus le refroidissement gratuit augmente, jusqu'à ce que le refroidisseur puisse fournir tout le refroidissement nécessaire grâce à sa fonction de refroidissement gratuit. Chaque degré d'augmentation de la température de l'eau de refroidissement augmente considérablement le nombre d'heures de refroidissement gratuit, ce qui permet d'importantes économies d'énergie.
Nous pouvons également exploiter le refroidissement naturel du sol grâce à une pompe à chaleur/un refroidisseur géothermique. Les systèmes géothermiques captent la chaleur de faible intensité du sol grâce à une boucle de fluide et la multiplient grâce à une pompe à chaleur pour produire un chauffage efficace et performant. De nombreuses pompes à chaleur peuvent également fonctionner en mode refroidissement, assurant un refroidissement efficace en rejetant la chaleur dans le sol via la boucle de fluide géothermique. Ce type de système est idéal pour le refroidissement passif en charge partielle. Contourner la pompe à chaleur et refroidir le système directement grâce à la température plus basse du sol est une méthode extrêmement efficace. Tout comme pour le free-cooling, l'optimisation des températures de l'eau en charge partielle permet au système de rester en refroidissement passif le plus longtemps possible, ce qui optimise les économies d'énergie.
Contrôle et intelligence
Pour y parvenir, nous avons besoin d'un système de contrôle capable d'identifier la charge requise au niveau des serpentins et d'exploiter ces informations pour optimiser les températures des refroidisseurs/pompes à chaleur. L'intelligence intégrée aux refroidisseurs, pompes à chaleur, centrales de traitement d'air et unités d'ambiance est essentielle. Il est essentiel de comprendre les limites de chaque produit, ainsi que leurs limites de fonctionnement, et de savoir quand ne pas optimiser. De plus, un système de contrôle de niveau supérieur doit communiquer efficacement entre tous ces composants. Par ailleurs, les économies d'énergie sont réalisées en utilisant les composants habituels du système, sans investir dans des équipements plus performants, mais en contrôlant les équipements de manière plus intelligente.
Que les systèmes avec lesquels nous travaillons soient des systèmes existants installés dans le cadre d'un projet de rénovation ou un nouveau développement utilisant de nouveaux produits efficaces de pointe, les principes d'économie d'énergie supplémentaire en fonctionnement à charge partielle s'appliquent toujours comme un moyen efficace et durable de réduire les coûts d'exploitation.
Date de publication : 26 avril 2023
