Exploiter les réseaux de distribution d’’eau glacée

Dans les parties 1.4, 1.5, nous avons mis en évidence que l’’exploitation d’’un réseau et des émetteurs requiert :

x localement, une loi de régulation du débit d’’eau

x centralement, une définition de la saison de chauffage et de climatisation, en particulier à l’’aide d’’une température extérieure pour un système deux tubes Nous proposons d’’examiner dans les paragraphes suivants, comment peuvent être définies les lois de régulation d’’une pompe (paragraphe 1.8.1) et comment définir pratiquement la température d’’inversion (paragraphe 1.8.2).

1.8.1 Lois de contrôle d’’une pompe à vitesse variable

Il existe trois types de régulation classique pour assurer le contrôle de pompes à débit variable pour une régulation terminale à vanne 2 voies.

1.8.1.1 Régulation de vitesse à pression différentielle constante

La vitesse de la pompe est contrôlée pour maintenir une pression différentielle constante. Le point B est obtenu pour un système à vitesse constante, le débit du bipasse entre primaire et secondaire est régulé par une vanne à pression différentielle. Notons que le point C n’’appartient pas à la même courbe caractéristique du réseau, toutefois les débits des points C et B sont identiques pour assurer l’’équilibrage hydraulique du système à vannes deux voies (Figure 1-22).

Figure 1-22 Régulation de vitesse à pression différentielle constante 1.8.1.2 Régulation à pression différentielle variable, proportionnelle au débit

La fermeture d’’une vanne entraîne une variation de pression. Cette variation est régulée proportionnellement au débit. Il est donc nécessaire d’’évaluer le débit ou de connaitre la position de fermeture des vannes pour réguler ce type de contrôle (Figure 1-23).

'P Qv A B C Vitesse N1 Vitesse N2

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Figure 1-23 Régulation à pression différentielle proportionnelle au débit 1.8.1.3 Régulation selon les besoins

La vitesse de la pompe est régulée de manière à correspondre à la courbe caractéristique du réseau en régime nominal.

La fermeture des vannes doit être connue afin de déterminer le débit au point C et ainsi réduire de façon adéquate la vitesse (Figure 1-24).

Figure 1-24 Régulation selon les besoins

1.8.2 Consigne d’’exploitation centrale: mode été-hiver

Le mode été et le mode hiver doivent être définis pour aider l’’exploitant lors du changement de consigne ou plus simplement pour définir une saison de chauffage et de rafraîchissement.

Mais, que ce soit pour un système quatre tubes ou deux tubes, le changement de mode été / hiver permet de définir une saison de « non production », celle-ci limite la consommation des auxiliaires et détermine la veille des équipements de production. Ainsi, si l’’exploitant commande le mode été/hiver manuellement, il devient important de le conseiller dans le choix de la date, ou de l’’instant à partir duquel il doit effectuer cette opération. De plus, l’’inspecteur devra vérifier le système de régulation et pourra conseiller la mise en place d’’une sonde de température extérieure pour construire des lois d’’eau et d’’air correspondant aux charges thermiques du bâtiment.

La détermination des modes de fonctionnement doit donc prendre en compte une consigne applicable sur le terrain mais également minimiser la consommation énergétique et assurer le confort des occupants ; différentes définitions de ces périodes été-hiver sont explorées dans les paragraphes suivants.

'P Qv A B C Vitesse N1 Vitesse N2 'Pnominal 'Pnominal/2 'P Qv A B C Vitesse N1 Vitesse N2

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1.8.2.1 Définitions existantes de la température d’’inversion et de la température de non climatisation

Des définitions différentes peuvent être données par les fabricants et d’’autre part par les exploitants.

Les fabricants [CIAT1] définissent le mode été/hiver à l’’aide de la règle suivante : le groupe produira du froid dès que la température intérieure sera supérieure à la consigne de température. La production de chaud est contrôlée de manière antagoniste par rapport à celle de froid. Cette définition a pour objet l’’exploitation d’’un système de climatisation de type split-system. Comme celui-ci, d’’autres systèmes de climatisation existants sont implantés et contrôlés localement grâce à une sonde de température introduite dans la zone climatisée. En pratique cette définition des fabricants n’’est donc pas opératoire à elle seule pour des systèmes plus complexes. Il faut alors la compléter par la description des systèmes pour savoir comment sont gérés les différentes consignes et les différents équipements.

Nous proposons donc d’’examiner si l’’application d’’une consigne pour définir le mode chaud et le mode froid est envisageable pour les systèmes utilisant l’’air extérieur comme air primaire c’’est à dire par rapport aux systèmes à eau glacée aux paragraphes 1.1.2 et 1.1.3.

Pour un système à deux tubes, le passage du mode été au mode hiver correspond à la

température d’’inversion de la zone considérée. Cette température assure le bon

fonctionnement de ce type de système. Le changement étant généralement effectué manuellement par l’’exploitant deux fois par an. Ainsi, un inconfort des occupants peut apparaitre dans certaines zones du bâtiment et ce en particulier en période d’’intersaison. Ainsi il existe une température de non-climatisation correspondant à une certaine température extérieure en dessous de laquelle le refroidissement n’’est pas nécessaire [ASHRAES04].

Pour un système quatre tubes, le mode chaud et le mode froid peuvent apparaître selon la charge thermique de chaque zone. Ainsi, la production de chaud ou celle de froid peuvent être assurées toute l’’année. Pour un système quatre tubes parfaitement conçu, le confort doit être respecté toute l’’année. Dans ce cas la détermination de la température de non climatisation permettrait d’’éteindre les équipements de production et de distribution de froid.

1.8.2.2 Détermination de la température d’’inversion: méthode Carrier

Une zone du bâtiment à conditionner est soumise à différents flux de chaleur : ቐ

ܳ_௭௢௡௘ ൌ ܳ_௘௡௩൅ ܳ_௦௘௡௦൅ ܳ_{௟௔௧௘௡௧}൅ ܳ_௩௘௡௧൅ ܳ_{௦௢௟௔௜௥௘}൅ ܳ_{௜௡௘௥௧௜௘}൅ ܳ_௜௡௙ ܳ_௘௡௩ ൌ ܭܵሺܶ_௘௫௧െ ܶ_௜௡ሻ

ܳ௩௘௡௧ ൌ ݉ሶܥ௣௔௜௥ሺܶ௘௫௧െ ܶ௜௡ሻ

Avec ܳ_௭௢௡௘ le flux de chaleur reçu par la zone thermique, ܳ_௘௡௩ le flux de chaleur traversant l’’enveloppe (W), ܳ௦௘௡௦ la chaleur sensible due aux apports internes (W),

ܳ_{௟௔௧௘௡௧} la chaleur latente due à l’’évaporation (W), ܳ_௩௘௡௧ la chaleur provenant du système

de ventilation (W), ܳ_{௦௢௟௔௜௥௘} les apports solaires (W), ܳ_{௜௡௘௥௧௜௘} la chaleur libérée par la structure capacitive du bâtiment (W), ܳ௜௡௙ la chaleur due aux infiltrations d’’air de l’’enveloppe (W).

Si l’’on néglige le flux de chaleur provenant de l’’inertie de la zone, les infiltrations et la chaleur latente devant les autres flux, le flux de chaleur de la zone s’’écrit :

ܳ_௭௢௡௘ൌ ܳ_௘௡௩൅ ܳ_௦௘௡௦൅ ܳ_௩௘௡௧൅ ܳ_{௦௢௟௔௜௥௘}

La température de base ou température d’’inversion correspond à la température extérieure pour laquelle la zone est en équilibre thermique avec l’’extérieur. Donc :

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ܳ௭௢௡௘ ൌ Ͳ D’’où :

ܳ_௘௡௩൅ ܳ_௦௘௡௦൅ ܳ_௩௘௡௧൅ ܳ_{௦௢௟௔௜௥௘}ൌ Ͳ

En remplaçant l’’expression du flux de chaleur du système de ventilation et des gains de chaleur par conductivité de l’’enveloppe, l’’équation précédente s’’écrit :

ܭܵሺܶ_௕െ ܶ_௜௡ሻ ൅ ݉ሶܥ௣௔௜௥ሺܶௌെ ܶ௜௡ሻ ൅ ܳ௦௘௡௦൅ ܳ௦௢௟௔௜௥௘ൌ Ͳ Donc

ܶ௕ ൌ ܶ௜௡െ

݉ሶܥ௣௔௜௥ሺܶௌെ ܶ௜௡ሻ ൅ ܳ௦௘௡௦൅ ܳ௦௢௟௔௜௥௘ ܭܵ

Nous avons redémontré la formule de Carrier proposée en 1965 [ASHRAES04].

Cependant ce calcul est un calcul statique. Il peut être résolu en supposant certaines conditions météorologiques prédéterminées. Ainsi, une unique date peut donc être définie pour effectuer le passage des modes été-hiver.

Toutefois, cette résolution de calcul ne permet pas de prendre en compte le caractère aléatoire des conditions météorologiques. Le confort des occupants peut ainsi être plus ou moins altéré. Par exemple si l’’exploitant vient effectuer le passage du mode hiver au mode été « trop tôt » dans la saison suite à une vague de douceur, le confort des occupants peut être altéré fortement si une vague de froid survient.

1.8.2.3 Définition des modes été / hiver selon un calcul normatif japonais

[NORMJAP06] présente des méthodes normatives pour déterminer les charges de chauffage et de refroidissement dans le but d’’effectuer le calcul de consommation et de la performance saisonnière des climatiseurs air / air. Cette norme définit les saisons de rafraîchissement et de chauffage à partir de la température extérieure en moyenne journalière. Ces définitions pourraient être utilisées et adaptées pour générer des lois de contrôle pour déterminer la température d’’inversion d’’un système deux tubes. Comme nous le verrons dans les paragraphes suivants, ce calcul normatif ne s’’applique pas pour un bâtiment particulier.

La saison de refroidissement commence le troisième jour non consécutif où la température moyenne journalière extérieure dépasse les températures limites suivantes :

x Pour un commerce (autonome) : 20 °C x Pour un commerce (locataire) : 18 °C x Pour des bureaux : 16 °C

La saison finit le troisième jour non consécutif en dessous de la température limite. Nous avons représenté schématiquement cette procédure à la figure suivante.

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Figure 1-25 Représentation schématique pour la mise en marche de la climatisation selon [NORMJAP06]

D’’une manière analogue, la saison de chauffage commence le troisième jour, non consécutif, où la température moyenne journalière extérieure tombe sous les limites de températures suivantes :

x Pour un commerce (autonome) : 12 °C x Pour un commerce (locataire) : 10 °C x Pour des bureaux : 8 °C

La saison finit le troisième jour non consécutif en dessous de la température limite. 1.8.2.4 Définition des modes été/hiver selon le calcul normatif français

La réglementation thermique française [RT2005], définit la période de chauffe et de froid au niveau du bâtiment en évaluant les charges thermiques de froid et de chaud de chaque groupe. Le calcul est basé sur la comparaison de la moyenne glissante sur 4 semaines des charges thermiques de chaud et de froid avec une valeur limite de 1W/m². La période de chauffe s’’arrête quand la moyenne glissante des charges thermiques de chaud devient inférieure à la valeur limite et redémarre quand elle devient supérieure. La période de refroidissement démarre quand la moyenne glissante des charges thermiques de froid devient supérieure à la valeur limite et s’’arrête quand elle devient inférieure.

L’’usage de cette démarche est difficilement envisageable pour un exploitant. Journ°100 Journ°101 Journ°102 Journ°103 Journ°104 Journ°105

Te m p ér a tu re ex tér ieu re Temps +1 +1 +1 Température limite

Température extérieure instantanée Température extérieure moyenne

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