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 ?
Énergie dans les bâtiments
L'économie d'énergie est l'un des sujets les plus importants pour de nombreuses entreprises du secteur du bâtiment.Le CVC représentant une part considérable de la consommation d'énergie du bâtiment tout au long de sa durée de vie, la technologie spécifiée et utilisée dans les bâtiments devrait être à la pointe de la manière d'économiser de l'énergie.Les produits de ventilation, de chauffage et de refroidissement deviennent progressivement plus efficaces, poussés par la législation et le développement de nouvelles technologies dans les composants.Mais, tout en évoluant vers une nouvelle technologie efficace, il faut s'assurer que la technologie existante est utilisée de la manière la plus intelligente et la plus efficace.
En règle générale, les systèmes CVC sont conçus pour une utilisation du bâtiment dans le pire des cas.Les systèmes de refroidissement sont conçus pour les températures estivales maximales et la lumière du soleil, les systèmes de chauffage sont conçus pour les jours les plus froids de l'année et les systèmes de ventilation sont basés sur des niveaux d'occupation maximum.C'est idéal pour concevoir des bâtiments résilients, prêts à affronter toutes les conditions.Mais, est-ce ainsi qu'ils sont utilisés ?
Les systèmes conçus pour les charges de pointe seront très rarement utilisés à ces niveaux de conception, voire jamais.La majeure partie de leur durée de vie, ils fonctionneront à une fraction de la charge de conception.Cet écart entre les charges maximales de conception et les charges d'exploitation réelles est très important et, comme nous le verrons, il ne fait que s'accroître.
L'écart de performance présent et futur
Deux facteurs feront que la différence entre la conception de pointe et les points de fonctionnement deviendra encore plus extrême.
Les bâtiments sont aujourd'hui utilisés de manière plus flexible, notamment les bureaux et les applications commerciales, puisque les entreprises et les employés se voient offrir des possibilités de travail flexible.Un système de ventilation et de refroidissement d'un immeuble de bureaux conçu pour une occupation complète en 2020 verra rarement la même occupation en 2023 et au-delà.
Le réchauffement climatique a déjà un impact sur les conditions météorologiques extrêmes, et même avec des changements substantiels dans les facteurs contributifs, des événements météorologiques plus extrêmes sont attendus à l'avenir.L'Europe devrait connaître des étés plus chauds et plus secs.Ceci, combiné à l'effet d'îlot de chaleur urbain aggravant la température estivale avec des conditions de chaleur élevée dans les zones où se trouvent de nombreux bureaux et bâtiments commerciaux, ainsi que la réflexion sur la façon de concevoir l'atténuation de la chaleur au niveau de la ville et de la rue, signifiera probablement que les charges de pointe pour lesquelles les systèmes de construction sont conçus sont encore plus éloignées du fonctionnement quotidien des bâtiments.
Les concepteurs de bâtiments doivent intégrer la nouvelle façon d'utiliser les bâtiments ainsi que les futurs risques de conditions météorologiques extrêmes dans la conception actuelle des bâtiments, que ce soit au stade du développement ou de la rénovation.
Trouver les gains d'efficacité dans l'écart de performance
Lorsqu'un système CVC fonctionne à charge partielle, il fonctionne généralement plus efficacement.Les unités de traitement d'air (AHU) fonctionnant à la moitié de la vitesse du ventilateur utiliseront moins d'un quart de la puissance d'entrée.Un refroidisseur ou une pompe à chaleur fonctionnant à charge partielle tire le meilleur parti de son échangeur de chaleur pour lui permettre de fonctionner à des rendements plus élevés.Cependant, est-ce ce qui est disponible avec la technologie dont nous disposons ?
Si nous pouvons contrôler nos AHU pour ne fournir que la quantité d'air dont nous avons besoin pour les occupants à l'intérieur du bâtiment, en utilisant une ventilation contrôlée à la demande (DCV), les serpentins de refroidissement et de chauffage qui sont dimensionnés pour leur pleine capacité peuvent contrôler la température de l'air frais. consommant 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 puisque ces unités sont généralement sélectionnées pour une occupation complète et dans des conditions de pointe en été ou en hiver.
Nous avons alors une décision à prendre concernant ces bobines qui n'ont pas besoin de pleine capacité.La voie traditionnelle consisterait à réduire le débit de liquide de refroidissement ou de chauffage à l'aide d'une vanne.Il s'agit d'un moyen simple de contrôler localement et est standard avec presque tous les systèmes.Mais, si nous avons un peu plus d'intelligence dans la connexion entre le refroidisseur/pompe à chaleur et la batterie, nous pouvons, en plus, optimiser la température du liquide qui dessert la batterie.Un serpentin de refroidissement conçu pour utiliser de l'eau à 6 degrés Celsius, à 100 % de capacité, n'a pas besoin de cette température à 50 % de capacité.
La raison de changer la température de l'eau vers les serpentins est d'augmenter l'efficacité du refroidisseur/pompe à chaleur.L'augmentation d'un degré de la température de l'eau provenant d'un refroidisseur le rend environ 3 % plus efficace.L'utilisation d'une pompe à chaleur plus froide d'un degré augmente son efficacité dans des proportions similaires.
Ainsi, lorsque nous analysons la demande des serpentins qui contrôlent le confort dans les chambres, que ce soit dans la CTA ou dans le local, ils peuvent fonctionner à une température d'eau optimisée la grande majorité du temps.En fait, des calculs récents d'unités de traitement d'air connectées à des pompes à chaleur montrent que les températures de l'eau peuvent être optimisées pendant plus de 95 % du temps de fonctionnement, économisant ainsi plus de 20 % d'énergie de refroidissement et plus de 30 % d'énergie de chauffage.Ceci en contrôlant simplement le système de manière plus intelligente.
Ce type de contrôle de la capacité offre toujours un grand confort dans la pièce 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 nous avons un refroidissement naturel disponible dans le refroidisseur, l'optimisation des températures de l'eau a un effet encore plus important sur les rendements.Le free-cooling est l'endroit où le circuit d'eau de refroidissement est refroidi directement par l'air extérieur plutôt qu'en utilisant le circuit de refroidissement DX du refroidisseur.En règle générale, un refroidissement naturel est disponible lorsque la température de l'air ambiant est inférieure d'un degré Celsius à la température de l'eau de retour.La quantité de free-cooling augmente avec la différence entre la température ambiante et la température de l'eau, jusqu'à ce que le refroidisseur puisse fournir tout le refroidissement requis en utilisant sa fonction de free-cooling.À chaque degré que nous augmentons la température de l'eau de refroidissement, le nombre d'heures pendant lesquelles nous pouvons obtenir un refroidissement naturel augmente considérablement, ce qui permet d'économiser d'énormes quantités d'énergie.
Nous pouvons également utiliser le refroidissement naturel disponible à partir du sol lors de l'utilisation d'une pompe à chaleur/refroidisseur géothermique.Les systèmes géothermiques collectent la chaleur de faible qualité dans le sol à l'aide d'une boucle de fluide canalisé et la multiplient à l'aide d'une pompe à chaleur pour produire un chauffage efficace et efficient pour nos espaces.De nombreuses pompes à chaleur peuvent également fonctionner en mode refroidissement, fournissant un refroidissement efficace en rejetant la chaleur dans le sol via la boucle de fluide souterrain.Ce type de système est parfait pour le refroidissement passif dans une situation de charge partielle, en contournant la pompe à chaleur et en refroidissant le système directement en utilisant la température inférieure du sol est un moyen de refroidissement extrêmement efficace.Tout comme avec le free-cooling, l'optimisation des températures de l'eau en fonctionnement à charge partielle permet au système d'être en refroidissement passif pendant un maximum de temps, ce qui permet d'économiser le plus d'énergie.
Contrôle et renseignement
Pour ce faire, nous avons besoin d'un système de contrôle capable de reconnaître la charge requise au(x) serpentin(s) et d'utiliser cette information pour optimiser les températures du refroidisseur/pompe à chaleur en conséquence.L'intelligence intégrée dans les refroidisseurs, les pompes à chaleur, les unités de traitement d'air et les unités d'ambiance est requise.Une compréhension des limites des produits séparés est essentielle ainsi que leurs limites de fonctionnement et la connaissance des moments où il ne faut pas optimiser.Plus que cela, un système de contrôle de niveau supérieur doit communiquer efficacement entre toutes ces parties du système.En dehors de cela, les économies d'énergie sont réalisées en utilisant les composants normaux du système, sans investir dans des équipements plus efficaces en particulier, mais en contrôlant ce que nous avons de manière plus intelligente.
Que les systèmes avec lesquels nous travaillons soient des systèmes installés existants dans un projet de rénovation ou un nouveau développement utilisant de nouveaux produits efficaces à la pointe de la technologie, 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.
Heure de publication : 26 avril 2023