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Climatisation d'un immeuble tertiaire

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Academic year: 2021

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HAL Id: dumas-01394302

https://dumas.ccsd.cnrs.fr/dumas-01394302

Submitted on 12 Dec 2016

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Karam El Hajj

To cite this version:

Karam El Hajj. Climatisation d’un immeuble tertiaire. Thermique [physics.class-ph]. 2015. �dumas-01394302�

(2)

Institut des Sciences

Appliquées et Economiques

Centre du Liban Associé

au

CNAM-Paris

Mémoire

Présenté en vue d’obtenir le Diplôme d’Ingénieur

SPÉCIALITÉ ÉNERGÉTIQUE

Climatisation d’un immeuble tertiaire.

Présenté par: KARAM EL HAJJ

Soutenu en janvier 2015

Membres de jury : Pr. Christophe MARVILLET (Président) Dr. Tony JABBOUR

Dr. François KHOURY Dr. Bassam ASSAF

(3)

2 REMERCIEMENT

A

u terme de ce projet de fin d’études, plusieurs personnes ont participées

de prêt ou de loin.

T

out d’abord, je voudrais remercier M. Christophe Marvillet, responsable du département d’énergétique .à CNAM – PARIS, qui a accepté de juger mon rapport.

M

es vifs remerciements à Dr JABBOUR S, mon encadreur académique,

qui en plus de son enseignement m’a accompagné de ses conseils tout au long de cette mission.

J

e remercie également chaleureusement Mes enseignants DR KHOURY .F, DR

ASSAF .B qui par la qualité, nous auront donnés le meilleur d’eux pour

nous préparer au monde professionnel.

J

’adresse également mes remerciements à tous mes professeurs qui m’ont accompagné durant mes études au CNAM - BEYROUTH.

J

e remercie mes parents et mes amis qui, de près comme de loin m’ont encouragée aux moments opportuns.

M

es remerciements vont aussi à tous les membres du jury, pour le soutien et l’attention qu’ils nous ont prêtés.

Q

ue tous ceux qui m’auront soutenu de près ou de loin et dont les noms n’auraient pas été cités, trouvent en ces quelques mots l’expression de mes sincères remerciements.

(4)

3 RESUMÉ

Dans le cadre du mémoire de fin d’étude du mastère spécialisé en Génie

Energétique de l’Institut des sciences appliquées et économiques –CNAM-centre du Liban, il nous a été donné de réaliser la conception et le dimensionnement du système de climatisation d’un immeuble constitué des bureaux situé à SARBA-LIBAN.

Le cahier des charges de cette conception propose un système de climatisation économique, écologique et moins énergétivore capable de fonctionner de façon efficace.

Pour atteindre ces objectifs, deux systèmes de climatisation ont été identifiés sur la base du bilan thermique de climatisation, de la taille et d’utilisation prévue des locaux : le VRV (variable réfrigèrent volume) et le GRL (groupe de production eau glacée).

Chacun de ces systèmes identifiés a fait l’objet d’une étude de conception et de dimensionnement pour la climatisation de l’immeuble. A partir d’une analyse croisée des résultats obtenus, le système de climatisation VRV est retenu pour répondre aux besoins du client.

Ce système est d’une production d’environ 489KW contre un investissement brut estimé à 231,495$. Après une durée de vie de 15 ans ce système coûte

583,298$, moins cher de 62,388 $ (11%) que le système GRL.

Par rapport au point de vue environnemental le système VRV produit

106,439 KG CO2 plus que le système GRL durant sa durée de vie, ou d’autre

terme il produit 4.54 % plus que le GRL, cette émission peut être diminuée jusqu'à

1.56% si on y avoir une récupération de 80% du fluide frigorigène en fin de vie de

(5)

4

Introduction : ... 10

CHAPITRE 1 : ... 11

GENERALITES-CONTEXTE DU PROJET. ... 11

I.1- DESCRIPTION DU SITE ... 12

I.2- LES CONDITIONS DE CONFORT THERMIQUE ... 14

I.2.1 LA TEMPERATURE ... 14

I.2.2 L’HUMIDITE RELATIVE ... 15

I.3- CONCEPTION DES SYSTEMES CVCA ... 16

I.3.1- PRISE D’AIR EXTERIEUR ... 17

I.3.2- CONDUIT D’ALIMENTATION D’AIR EXTERIEUR ... 17

I.3.3- RESEAU DE DISTRIBUTION D’AIR ... 18

I.3.4- GRILLES ET DIFFUSEURS ... 18

I.3.5- FILTRATION PRIMAIRE ... 18

I.3.6- FILTRATION SECONDAIRE ... 19

CHAPITRE 2 : ... 20

GENERALITE SUR L’HVAC. ... 20

II.1- LA CLIMATISATION ... 21

II.2- LES DIFFERENTS TYPES DE CLIMATISATION ... 21

II.3- LA CLIMATISATION PAR UNE MACHINE FRIGORIFIQUE A COMPRESSION MECANIQUE... 22

II.3.1- INTRODUCTION ... 22

II.3.2- VUE EXTERNE DE LA MACHINE FRIGORIFIQUE ... 23

II.3.3- VUE INTERNE DE LA MACHINE FRIGORIFIQUE ... 24

CHAPITRE 3: ... 32

ETUDE DES CHARGES. ... 32

III.1- INTRODUCTION ... 33

III.2- LES CARACTERISTIQUES THERMIQUES DES CONSTITUANTS DU BATIMENT ... 34

III.2.1-LE COEFFICIENT D’ECHANGE PAR CONVECTION ... 34

III.2.2- TRANSMISSION THERMIQUE PAR CONDUCTION ... 36

(6)

5

III.3- BILAN THERMIQUE DU PREMIER ETAGE ... 38

III.4- CONCLUSION ... 42

CHAPITRE 4: ... 43

ETUDE DES CARACTERISTIQUES DE 2 SYSTEMES : ... 43

VRV ET CHILLER. ... 43

IV.1- ETUDE PRELIMINAIRE ... 44

IV.1.1 CRITAIRES DE CHOIX DU SYSTEME ... 44

IV.1.2 LES SOLUTIONS CHOISIES ... 44

IV.1.3 CRITAIRES DE SELECTION DES EQUIPEMENTS ... 44

IV.2- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES SYSTEMES A DISCUTER. ... 46

IV.2.1 LES GROUPES DE PRODUCTION D’EAU GLACEE ... 46

IV.2.2 LE SYSTEME VRV (VARIABLE REFRIGERANT VOLUM SYSTEM) ... 50

CHAPITRE 5: ... 56

LA SELECTION DES EQUIPEMENT POUR LES 2 SYSTEMES. ... 56

V.1- INTRODUCTION ... 57

V.2- SELECTION DU SYSTEME GRL – CALCUL DES COUTS D’INSTALLATIONS. ... 57

V.2-1- SELECTION DU CHILLER ... 59

V.2.2- DIMENSIONNEMENT DES TUYAUX ... 60

V.2.3- SELECTION DES ACCESSOIRES DES VENTILO-CONVECTEURS ... 62

V.2.4- SELECTION DU POMPE ... 69

V.2.5- SELECTION DU VASE D’EXPANSION ... 72

V.2.6- CALCUL DES COUTS D’INSTALLATION ... 73

V.3- SELECTION DU SYSTEME VRV – CALCUL DES COUTS D’INSTALLATIONS. ... 79

V.3.1- SELECTION DES VENTILO-CONVECTEURS ... 79

V.3.2- SELECTION DE L’UNITE EXTERIEURE ... 81

V.3.3- TUYAUTERIES ET ACCESSOIRES ... 83

V.3.4- CALCUL DES COUTS D’INSTALLATION ... 84

V.4- CONCLUSION ... 87

CHAPITRE 6: ... 88

ETUDE ECONOMIQUE ET ENVIRONEMENTAL DES DEUX SYSTEMES. ... 88

(7)

6

VI.2 – COUTS D’ENTRETIENS – COUTS DE FONCTIONNEMENT -COMPARISON

ECONOMIQUE. ... 89

VI.2.1- ENTRETIEN DU SYSTEME GRL. ... 90

VI.2.2- ENTRETIEN DU SYSTEME VRV. ... 91

VI.2.3- COMPARAISON ENTRE LES COUTS D’ENTRETIENS. ... 92

VI.2.4- CALCUL DES COUTS DE FONCTIONNEMENTS. ... 93

VI.3 – IMPACT ENVIRONEMENTAL DES DEUX SYSTEMES. ... 100

VI.3.1- INTRODUCTION ET PROBLEMATIQUE. ... 100

VI.3.2-LA CLIMATISATION : ENJEUX ET RISQUES. ... 101

VI.3.3-CALCUL DU TOTAL EQUIVALENT WARMING IMPACT (TEWI). ... 102

CHAPITRE 7: ... 104

CALCUL DES COUTS GLOBAUX-CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES ... 104

VII.1 – INTRODUCTION. ... 105

VII.2 – CALCULS DES COUTS GLOBALS. ... 105

(8)

7

Liste des tableaux:

Table 1 :moyennes générales du coefficient de convection ... 34

Table 2:Coefficient de convection intérieur et extérieur ... 35

Table 3 : Coefficient de transmission thermique et résistance thermique. ... 37

Table 4:la charge totale du premier étage. ... 41

Table 5: FCU selected for typical floor ... 58

Table 6: estimation de cout des ventilateurs ... 73

Table 7: estimation de cout du GRL ... 74

Table 8:Distance maximal entre deux supports. ... 76

Table 9:Epaisseur minimal d'isolation des tuyaux du système ... 77

Table 10:Le prix des tuyaux ... 77

Table 11: cout des différents éléments du système ... 78

Table 12:pourcentages en prix pour chaque élément. ... 78

Table 13: information sur l'unité "M5ccd060C" ... 79

Table 14: la sélection des unités intérieurs du système DRV ... 80

Table 15: Rapport de la partie gauche Table 16: Rapport de la partie droite ... 84

Table 17: les prix de chaque element du systeme VRV ... 85

Table 18:cout des différents éléments du système ... 86

Liste des Figures:

Figure 1: Zone climatique Liban... 12

Figure 2:Etage typique du bâtiment ... 13

Figure 3:les facteurs d’influence sur le confort thermique. ... 14

Figure 4: zone de confort thermique. ... 15

Figure 5:Groupe de production d’eau glacée ... 23

Figure 6: Cycle frigorifique ... 24

Figure 7: Diagramme enthalpique du cycle frigorifique ... 26

Figure 8:détendeur ... 30

Figure 9: les sources de chaleur ... 33

(9)

8

Figure 11:Le plan du bureau RM1. ... 39

Figure 12: La charge de refroidissement du bureau RM1 (D’après le HAP). ... 40

Figure 13: GRL system ... 46

Figure 14: Compresseur à piston ... 47

Figure 15: Compresseur à spirales ... 48

Figure 16: Compresseur à Vis... 48

Figure 17: Compresseur centrifuge ... 48

Figure 18: Mcquay outdoor unit ... 50

Figure 19: Digital Scroll and Fix Scroll Compressor ... 52

Figure 20: Loaded and unloaded status ... 52

Figure 21: Le principe de la variation de capacité de refroidissement ... 53

Figure 22: Operation des Compresseurs ... 53

Figure 23: Indoor unit schematic -Flow rate curve of electronic expansion valve ... 54

Figure 24:Principe d'ajustement de la capacité ... 55

Figure 25: data input ... 57

Figure 26: data output ... 58

Figure 27:Tuyaux de type fer noire ... 60

Figure 28: pipe sizer... 60

Figure 29: Riser diagram ... 61

Figure 30:Gate valve ... Error! Bookmark not defined. Figure 31:Strainer ... Error! Bookmark not defined. Figure 32: DRV... 63

Figure 33: calcul des pertes de charges ... 63

Figure 34: pre-setting du DRV M1 ... 64

Figure 35: sélection graphique du DRV ... 65

Figure 36: vanne à trois voies et sa mode de fonctionnement ... 66

Figure 37: Sélection de la vanne a trois voies. ... 67

Figure 38: thermostat ... 68

Figure 39: circuit électrique du thermostat ... 68

Figure 40: information sur mcc015cw ... 69

(10)

9

Figure 42:les caractéristiques de la pompe. ... 71

Figure 43: vase d'expansion ... 72

Figure 44: check valve, flow switch, flexible, pressure gauge, and thermometre ... 74

Figure 45: les accessoires des tuyaux ... 75

Figure 46: isolation des tuyaux. ... 76

Figure 47: schema reelle du premiere etage ... 81

Figure 48: diagramme pour les 2 systèmes servant la partie gauche et droite du premier étage .. 82

Figure 49: Refnet ... 83

Figure 50: schrader ... 83

Figure 51:MEX ... 83

Figure 52:pourcentages en prix pour chaque élément. ... 86

Figure 53 :comparaison entre les couts initiaux des deux systemes ... 87

Figure 54:entretien des: GRL et VRV ... 89

Figure 55:Comparaison des couts d'entretiens ... 92

Figure 56: les charges horaires du juillet ... 93

Figure 57: les charges horaires des 6 mois. ... 94

Figure 58: COP (x) du GRL... 96

Figure 59: Surface engendrée par la courbe de charge ... 97

Figure 60: COP (x) du VRV MDS 200B ... 98

(11)

10

Introduction :

L’environnement et les conditions ambiantes du cadre de vie d’un individu influencent considérablement son moral, sa sécurité, son efficacité dans tous ses états de vie et d’activités. Au-delà du bruit et de l’éclairement, l’état de l’air est un facteur environnemental très important pour l’Homme. Pour fonctionner de manière efficace, le corps humain a besoin d’une atmosphère spécifique dont les caractéristiques dépendent de plusieurs facteurs tels que la température, l’humidité et le renouvellement d’air. La mise en place de systèmes garantissant ces conditions relève des techniques de climatisation ou de conditionnement d’air.

La conception d’un système de climatisation vise à créer des conditions de température, d’humidité, de niveau sonore, de qualité d’air hygiénique permettant aux occupants de vivre sous un rendement optimum. Les systèmes de climatisation, pour assurer ces fonctions, utilisent des moyens de refroidissement, de transfert de chaleur, des filtres à air, des réseaux de distribution du froid plus ou moins complexes ainsi que des moyens de gestion et de régulation. Cependant, la climatisation de nos jours fait face à un double défi : d’une part, l’échauffement climatique et le développement de la technologie ont augmenté les besoins et la facilité d’accès à la climatisation ; d’autre part, l’augmentation galopante du recourt à la climatisation impacte énormément sur la facture d’électricité avec des effets de pollutions environnementales divers. Il convient de ce fait, de choisir le système le plus efficace, le plus économique et écologique possible pour une application donnée en fonction des besoins et des spécifications techniques.

D’où l’objectif visé dans le cadre de cette étude est de choisir un système de climatisation adapté pour le bâtiment. Pour arriver à ce stade le premier chapitre va présenter le contexte du projet, puis rappeler les principes de climatisation dans le deuxième chapitre, après on continue par étudier la charge du bâtiment dans le troisième chapitre, alors que le quatrième chapitre sera consacrée à l’étude des caractéristiques de deux systèmes de climatisations (VRV-GRL) à discuter, ensuite dans le cinquième chapitre on va se pencher sur la sélection des équipements pour chaque système en finissant par une étude comparative économique et environnementale dans le dernier chapitre.

(12)

11

CHAPITRE 1 :

(13)

12

I.1- DESCRIPTION DU SITE

Mon projet consiste à étudier la climatisation d’un immeuble de bureaux qui se trouve au Liban à Sarba. Sarba est une ville côtière, située à 20 km du Beyrouth, à une altitude de 50 m, et une latitude de 33°58'38.22"N, 35°37'5.20"E. Selon le LIBNOR elle est située dans la zone 1 (fig.1). Les degrés jours de chauffage et de climatisation sont à la suite :

Dju18 chauffage égale à 345 et le Dju21 climatisation est égale à 839 [1].

La surface de l’immeuble est de 3650 m2. Ce bâtiment est formé de 5 étages identiques dont chacun contient 15 bureaux (fig.2).

Zone 1 – Côtière

Zone 2 – Montagne ouest à moyenne altitude Zone 3 – Plateau continental

Zone 4 – Haute montagne

(14)

13

(15)

14

I.2- LES CONDITIONS DE CONFORT THERMIQUE

Le confort thermique dépend de plusieurs facteurs dont les principaux sont montrés à la fig.3 :

Figure 3:les facteurs d’influence sur le confort thermique.

I.2.1 LA TEMPERATURE

La climatisation est utilisée afin de diminuer la température élevée d’un local et la réduire aux limites permissibles de température. Normalement cette température varie de 19 à 24 ˚C.

(16)

15

I.2.2 L’HUMIDITE RELATIVE

C’est la quantité de vapeur d’eau contenue dans l’air. On appelle humidité relative (HR): le rapport entre la quantité de vapeur d’eau contenue dans l’air à une température donnée sur la quantité maximale de vapeur d’eau que l’air peut contenir, à la même température, avant que la condensation commence.

L’humidité produit un impact sur la sensation de confort d’un individu dans un local (chauffé ou climatisé). L’inconfort n’apparait que dans des situations extrêmes (fig.1.4):

Pour une HR inférieure à 30% Pour une HR supérieure à 70%

Pour un confort optimal et pour une température de l’air environ de 24˚C (été), alors l’HR peut varier de 45 à 65 % [4].

(17)

16

I.3- CONCEPTION DES SYSTEMES CVCA (CHAUFFAGE, VENTILATION

ET CONDITIONNEMENT D’AIR)

La présente section décrit les composantes de CVCA dont le fonctionnement a un effet direct sur la qualité de l’air intérieur et expose les points de conception importants à considérer au moment de la conception pour assurer que le système procure une bonne qualité d’air intérieur.

Le système central de ventilation et de conditionnement d’air est constitué d’une unité centrale de traitement de l’air renfermant les composantes majeures (ventilateurs, serpentins, filtres, plénum de mélange, etc.), d’un réseau de conduits apportant l’air vers les espaces et d’appareils terminaux assurant un bon contrôle des conditions ambiantes dans chacun des espaces.

Les systèmes centraux de CVCA doivent être conçus de façon à en faciliter le nettoyage, l’entretien et le réglage, en assurant notamment ce qui suit :

 Dégagement suffisant autour des appareils.

 Appareils centraux de CVCA localisés le plus possible en salle de mécanique.

 Accès à tous conduits et appareils en contact avec le flux d’air.

Aucune accumulation d’eau ne doit se produire où que ce soit dans le système de ventilation. À cette fin, les installations suivantes doivent être réalisées :

 Bassin de captation avec fond en pente et drain partout où une accumulation d’eau est susceptible de se produire.

 Les drains sur les systèmes de ventilation doivent être de type indirect avec une garde d’eau suffisante pour éviter toute aspiration d’air par le drain.

Le système doit permettre un apport d’air extérieur conforme à ce qui est spécifié dans la norme ASHRAE 62 Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality [5]. Dans certains cas, les exigences relatives aux établissements de santé qui sont généralement définies en nombre de changement d’air par heure sont supérieures aux exigences de la norme ASHRAE 62.

(18)

17

I.3.1- PRISE D’AIR EXTERIEUR

La prise d’air extérieur est la source de l’air extérieur entrant dans le bâtiment et qui sera diffusé par les systèmes de ventilation.

La prise d’air doit être conçue de façon à éviter l’entrée de pluie dans le système de ventilation :

 Prise d’air munie de déflecteurs.

 Orientation de la prise d’air tenant compte des vents dominants.

 Vitesse d’entrée d’air (surface libre) adéquate selon les besoins.

La prise d’air doit être munie d’un grillage empêchant l’entrée des oiseaux, des rongeurs et des gros insectes.

La prise doit être localisée:

 À l’écart des sources de contaminants, à au moins 7,6 mètres des éléments suivants : tour de refroidissement, évents sanitaires, sortie de système d’évacuation, évents de plomberie, sorties des équipements de combustion. La prise doit être localisée à l’écart de toute autre cheminée pouvant évacuer des gaz, de la vapeur, de la fumée ou des contaminants biologiques potentiellement dangereux, et de toute salle ou de tout conteneur à déchet.

 À une hauteur minimale recommandée par l’ASHRAE de 1,85 mètre au-dessus du niveau du sol ou au moins 0,9 mètre au-dessus du niveau du toit.

 En partie haute du bâtiment.

 Dans certains cas à risque, des simulations de dispersion des contaminants (évacuation de hotte) peuvent être réalisées.

I.3.2- CONDUIT D’ALIMENTATION D’AIR EXTERIEUR

Il s’agit du conduit d’air reliant la prise d’air extérieur au système de ventilation. Le conduit d’alimentation d’air extérieur doit comporter un volet motorisé contrôlant précisément la quantité d’air extérieur admis dans le système de ventilation.

(19)

18

I.3.3- RESEAU DE DISTRIBUTION D’AIR

Le réseau de distribution d’air est constitué des conduits et plénum d’alimentation et de retour d’air ainsi que des conduits d’évacuation.

Toutes les surfaces intérieures des conduits d’air doivent être lisses, non poreuses et exemptes d’obstructions ralentissant l’écoulement de l’air afin de réduire au minimum la possibilité de croissance et de dispersion de microorganismes dans le système.

Limiter au minimum l’utilisation d’isolant acoustique à l’intérieur des conduits d’air. Lorsqu’il est utilisé, l’isolant acoustique doit être imperméable, résistant à la croissance des microorganismes, et les bouts doivent être scellés. Aucun isolant acoustique n’est permis pour les conduits desservant un bloc opératoire ou espace requérant un niveau d’asepsie important.

Les conduits dans lesquels circule de l’air froid doivent être isolés thermiquement par l’extérieur de manière à ce qu’il ne s’y produise aucune condensation.

I.3.4- GRILLES ET DIFFUSEURS

Les grilles et diffuseurs assurent la distribution et la reprise de l’air dans une pièce. La localisation et les caractéristiques de diffusion des diffuseurs ainsi que la localisation des grilles de retour doivent faire l’objet d’une grande attention, pour assurer un bon confort thermique et une ventilation efficace de la pièce.

I.3.5- FILTRATION PRIMAIRE

Il s’agit d’une filtration minimale pour éviter l’empoussièrement des composantes du système de ventilation. Pour les secteurs sans besoins spécifiques de filtration tels que les bureaux, la filtration primaire est considérée suffisante.

La filtration doit être localisée en amont des serpentins et du ventilateur afin de protéger ceux-ci contre l’empoussièrement.

Un indicateur de perte de pression statique doit être présent pour évaluer le degré d’empoussièrement des filtres.

(20)

19

I.3.6- FILTRATION SECONDAIRE

Il s’agit d’une filtration additionnelle pour satisfaire les besoins de propreté de l’air pour l’alimentation de certains secteurs tels que les aires de soins, le bloc opératoire, le service alimentaire, les laboratoires, etc.

Les dispositifs de filtration doivent être localisés en aval du ventilateur (côté en pression positive) afin qu’aucune particule ne puisse s’introduire dans les conduits d’alimentation d’air en aval des filtres.

Si les filtres secondaires étaient placés en amont du ventilateur, de l’air contaminé pourrait être aspiré par les interstices de l’unité de ventilation entre les filtres secondaires et le ventilateur d’alimentation et être alimenté dans les conduits sans avoir été filtré.

Le flux d’air traversant les filtres doit être pleinement développé afin d’assurer une vitesse d’air uniforme sur les filtres et d’éviter que certaines parties de ceux-ci soient surchargées.

(21)

20

CHAPITRE 2 :

(22)

21

II.1- LA CLIMATISATION

La climatisation regroupe l’ensemble des procédés visant à conditionner l’air ambiant d’un espace en contrôlant et en maintenant la température, l’humidité, le mouvement de l’air, le degré sonore et la différence de pression, tout en veillant à la santé et au confort des occupants de la pièce et au bon fonctionnement des appareils qui s’y trouvent [9].

Ce procédé est basé sur quatre transformations de base à savoir : -Le refroidissement

-Le chauffage, -L’humidification, -La déshumidification

II.2- LES DIFFERENTS TYPES DE CLIMATISATION

La classification des systèmes de climatisation comprend :

 Les climatiseurs individuels : Ce sont des appareils monoblocs ou bi-blocs (split-system) à détente directe c’est-à-dire que le froid est produit dans l’unité de climatisation placée dans le local à climatiser. Ils sont employés généralement dans les secteurs tertiaires et résidentiels.

 La climatisation centralisée ou semi-centralisée « tout air ». Dans ce cas de figure, une CTA est associée à 4 réseaux d’air : un pour l’amenée d’air neuf, un second pour la reprise de l’air du local, un troisième pour le soufflage de l’air de mélange et un dernier réseau pour l’extraction de l’air.

 La climatisation centralisée ou semi-centralisée « tout eau ». Dans ce modèle, des groupes refroidisseurs de liquide produisent de l’eau glacée qui est acheminée vers les locaux à climatiser par l’intermédiaire d’un réseau hydraulique; la diffusion de l’air frais étant assurée par les ventilo-convecteurs, les unités terminales, les planchers rafraichissants et les poutres froides.

(23)

22

II.3- LA CLIMATISATION PAR UNE MACHINE FRIGORIFIQUE A

COMPRESSION MECANIQUE

II.3.1- INTRODUCTION

Fournir du froid à un corps, à un milieu, c’est lui extraire de la chaleur ce qui se traduit par un abaissement de sa température et aussi, bien souvent, par des changements d’états : condensation, solidification, évaporation etc. Ce sont ces effets du froid qui sont, dans leur grande diversité, au service de l’homme moderne. Les machines frigorifiques permettent, moyennant un apport énergétique, d’extraire de la chaleur aux milieux à refroidir. Elles rejettent cette chaleur, accompagnée de l’équivalent thermique de l’énergie reçue, à température plus élevée, dans le milieu ambiant.

Si les modes de production de froid sont fort variés, certains d’entre eux se détachent nettement des autres dans tel ou tel domaine de températures à atteindre.

Comme la plupart des applications économiquement très importantes du froid, le conditionnement d’air de confort (climatisation) ou industriel, la production, la conservation et la distribution des denrées périssables appartiennent au domaine des cycles à compression, l’importance de ces cycles est considérable. La primauté écrasante des machines frigorifiques à compression s’explique d’abord par leur simplicité et leur efficacité. Mais elle s’explique aussi par la très importante diversité de leurs composants (compresseurs, échangeurs thermiques, organes de régulation, etc.) utilisables dans les plus petites machines comme dans les plus grandes, composants disponibles à peu près partout dans le monde, généralement fabriqués en série avec des prix très étudiés car la concurrence internationale est sévère. Il est ainsi possible de réaliser, à la demande, n’importe quel type de cycles à compression en assemblant ces composants.

La bonne connaissance des cycles frigorifiques à compression est donc d’une importance majeure, ce qui justifie le développement qui leur est réservé. [2]

(24)

23

II.3.2- VUE EXTERNE DE LA MACHINE FRIGORIFIQUE

Dans les installations de climatisation, la machine frigorifique permet d'évacuer vers l'extérieur la chaleur excédentaire des locaux.

En pratique, elle prépare de l'air froid ou de l'eau froide qui viendront compenser les apports de chaleur du soleil, des équipements de bureautique, des occupants,... de telle sorte que le bilan chaud-froid soit à l'équilibre et que la température de consigne soit maintenue dans les locaux. La technique la plus simple consiste à préparer de l'air froid qui sera diffusé via des gaines de distribution.

Pour le groupe frigorifique, on distingue deux modes principaux d'action :

 Soit le fluide frigorigène refroidit l'air en passant directement dans la batterie de refroidissement : on parle de "système à détente directe" parce que l'évaporateur de la machine frigorifique prend la place de la batterie froide dans le caisson de climatisation ;

 Soit l'installation frigorifique prépare de l'eau froide (généralement appelée "eau glacée"), qui alimentera la batterie de refroidissement du caisson de traitement d'air.

Bien sûr, "produire du froid" sous-entend évacuer de la chaleur. Aussi, à l'extérieur du bâtiment, souvent en toiture, on trouvera un équipement chargé de refroidir le fluide frigorigène :

 Soit le fluide frigorigène directement : c'est le condenseur de l'installation frigorifique ;

 Soit de l'eau, qui elle-même sert à refroidir le fluide frigorigène : c'est la tour de refroidissement.

(25)

24

II.3.3- VUE INTERNE DE LA MACHINE FRIGORIFIQUE

II.3.3.1- INTRODUCTION

Le transfert de chaleur, entre intérieur et extérieur, ne peut se faire que si un équipement rehausse le niveau de température entre le milieu où la chaleur est prise (air ou eau) et le milieu où la chaleur est évacuée (air extérieur) : c'est le rôle de la machine frigorifique.

Elle se compose au minimum d'un évaporateur, d'un compresseur, d'un condenseur et d'un organe de détente ou détendeur.

La machine frigorifique est basée sur la propriété des fluides frigorigènes à s'évaporer et se condenser à des températures différentes en fonction de la pression.

Si l'on souhaite que le fluide puisse "prendre" de la chaleur : il doit être à basse pression et à basse température sous forme liquide, pour lui permettre de s'évaporer. Pour s'évaporer, un fluide a besoin de beaucoup d'énergie.

Si l'on souhaite qu'il puisse céder sa chaleur : il doit être à haute température et à haute pression, sous forme vapeur, pour lui permettre de se condenser. En se condensant, le fluide va libérer énormément de chaleur [3].

(26)

25

II.3.3.2- DESCRIPTION DU CYCLE DU FLUIDE FRIGORIGENE

Dans l'évaporateur: le fluide frigorigène liquide entre en ébullition et s'évapore totalement en absorbant la chaleur du fluide extérieur (air ambiant ou eau), qui va donc se refroidir. Dans un deuxième temps, le gaz formé est encore légèrement réchauffé par le fluide extérieur, c'est ce qu'on appelle la phase de surchauffe (entre les points 7 et 1).

Dans le compresseur: le fluide frigorigène est aspiré à l'état gazeux, sous basse pression et basse température (point 1). La compression va permettre d'élever la pression et la température du fluide frigorigène, qui se traduira par une augmentation d'enthalpie. En théorie, la compression est adiabatique (ou isentropique) ; mais elle ne l'est pas en pratique.

Un compresseur réel présente des pertes importantes que nous pouvons regrouper en deux types :

 Les pertes volumétriques, dues :

-à la dilatation du gaz d'aspiration à son entrée dans le compresseur dont les parois sont plus chaudes (enroulement du moteur, pistons, cylindres, etc.)

-aux fuites entre le piston et le cylindre ;

-aux fuites dans les soupapes à l'espace mort du cylindre ; le surplus de gaz qui se dilate lors de l'aspiration empêche le remplissage complet avec du fluide frigorigène nouvellement aspiré.

 Les pertes mécaniques dues aux frictions entre les pièces mobiles.

Dans le condenseur, le gaz chaud provenant du compresseur va céder sa chaleur au fluide extérieur. Les vapeurs de fluide frigorigène se refroidissent ("désurchauffe"), avant l'apparition de la première goutte de liquide (point 3). Puis la condensation s'effectue jusqu'à la disparition de la dernière bulle de vapeur (point 4). Le fluide liquide peut alors se refroidir de quelques degrés (sous-refroidissement) avant de quitter le condenseur.

Dans le détendeur, le fluide frigorigène subit une détente isenthalpique et va donc passer de la pression HP (Haute Pression) à la pression BP (Basse Pression). Le fluide frigorigène se vaporise partiellement, ce qui abaisse sa température.

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26

Figure 7: Diagramme enthalpique du cycle frigorifique

Le cycle est fermé, le fluide frigorigène évolue sous l'action du compresseur dans les quatre éléments constituant la machine frigorifique. L'ensemble du cycle peut être représenté dans le diagramme enthalpie-pression. Sous la courbe en cloche se situent les états de mélange liquide-vapeur ; à gauche de la cloche, le fluide est à l'état liquide (il se "sous-refroidie"), à droite, le fluide est à l'état vapeur (il "surchauffe") [3].

II.3.3.3- CYCLE DE FONCTIONNEMENT

Le cycle réel de fonctionnement d'une machine frigorifique se stabilise à partir des températures du milieu qu'il faut refroidir, de l'air extérieur où la chaleur est rejetée, et des caractéristiques dimensionnelles de l'appareil.

Ainsi, la température d'évaporation se stabilisera quelques degrés en-dessous de la température du fluide refroidi par l'évaporateur. De même, la température de condensation se stabilisera quelques degrés au-dessus de la température du fluide de refroidissement du condenseur.

Or, les besoins de froid évoluent en permanence et la température extérieure varie toute l'année. Tout cela va bien sûr entraîner une modification du taux de compression et une variation de la puissance absorbée. En fonction du régime d'évaporation et de condensation, le compresseur aspirera un débit masse plus ou moins grand de fluide frigorigène définissant ainsi la puissance frigorifique à l'évaporateur et calorifique au condenseur [3].

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27

II.3.3.4- COEFFICIENTS DE PERFORMANCE

Pour caractériser l'efficacité d'une machine frigorifique on considère le coefficient de performance frigorifique, noté COP froid ou encore EER (Energy Efficiency Ratio).

Pour évaluer la machine frigorifique, il faut connaître les conditions dans lesquelles le COP a été déterminé. L'efficacité d'une machine frigorifique dépend, entre autres, de la température d'eau glacée (l'eau à la sortie de l'évaporateur) et de l'eau à la sortie ou à l'entrée du condenseur.

Il est également intéressant de se soucier de l'efficacité globale de la machine frigorifique installée, c'est-à-dire du rapport entre le froid produit et l'ensemble de toutes les consommations électriques engendrées, y compris les ventilateurs aux échangeurs, les pompes... On parlera alors dans la suite de ce rapport de COP compresseur lorsque la puissance électrique absorbée tient uniquement compte de la puissance électrique absorbée au compresseur, de COP froid net lorsque la puissance électrique absorbée tient compte de la puissance absorbée du compresseur et des ventilateurs du condenseur et, de COP total net lorsque la puissance électrique absorbée tient à la fois compte de la puissance électrique absorbée du compresseur, des ventilateurs du condenseur et des pompes de circulation.

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II.3.4- LES COMPOSANTS FRIGORIFIQUES

II.3.4.1 COMPRESSEUR

Types de compresseurs

Il existe de nombreuses technologies de compresseurs. Il est cependant possible de les regrouper par famille afin de mieux s'y retrouver. Nous pouvons regrouper les compresseurs par le mode de compression :

1. Les compresseurs volumétriques: où la compression du fluide frigorigène se fait par la réduction du volume de la chambre de compression. On rencontre, dans cette catégorie, plusieurs types de compresseurs :

 compresseurs à pistons (alternatifs)

 compresseurs à palettes (rotatifs)

 compresseurs hélicoïdaux ou à vis (rotatifs)

 compresseurs spiro-orbitaux ou scroll (rotatifs)

2. Les compresseurs centrifuges (compresseurs à impulsion) : où la compression du fluide est créée par la force centrifuge générée par une roue à aubes. On parle de turbocompresseur. Critères énergétiques de sélection

Un critère de choix important d'un type de compresseur est le coefficient de performance (COP). La tendance actuelle est aux choix des machines tournantes qui donnent plus de fiabilité, un rendement volumétrique plus important, une plus grande longévité, une meilleure modulation de puissance, une moindre sensibilité aux entrées du fluide frigorigène liquide...

Au sein d'une famille de compresseurs, on sera attentif au taux de compression qui doit être adapté en fonction de la pression de condensation et par conséquent en fonction du régime de fonctionnement du condenseur.

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29

II.3.4.2 CONDENSEUR

Le condenseur est l'élément qui va se charger d'évacuer la chaleur du réfrigérant vers l'air extérieur. Pour cela, deux techniques existent :

 Soit refroidir le fluide frigorigène directement par l'air : c'est le rôle d'un condenseur à air

 Soit refroidir le fluide frigorigène par de l'eau : la machine sera équipée d'un condenseur à eau. Mais cette eau devra alors elle-même être refroidie en toiture, via une tour de refroidissement.

Dans le condenseur à air : l'évacuation de la chaleur du circuit frigorifique est assurée au travers d'un échangeur direct fluide frigorigène/air. Le gaz chaud du réfrigérant cède sa chaleur à l'air traversant le condenseur et passe à l'état liquide. L'avantage du condenseur à air est que son entretien est limité, et il n'y a aucun risque de gel. Cependant, le coefficient d'échange avec l'air étant faible, le condenseur sera volumineux, et donc lourd et encombrant.

Enfin, les températures de condensation étant directement liées aux conditions de température extérieure, en été la pression de condensation sera forte, ce qui entraine une dégradation du COP de la machine frigorifique, mais elle sera plus faible en hiver, entrainant d'ailleurs un besoin de régulation adapté pour un fonctionnement correct.

On veillera tout particulièrement à considérer le choix du ventilateur car sa consommation électrique et le bruit généré ne sont pas négligeables, ainsi que la possibilité de récupérer la chaleur perdue au condenseur.

Dans le condenseur à eau : le réfrigérant de la machine frigorifique cède sa chaleur à l'eau circulant dans le condenseur, on parle alors de condenseur à refroidissement indirect. Grâce au coefficient d'échange de vingt à trente fois plus élevé que le coefficient d'échange avec l'air, la taille du condenseur à eau sera plus réduit et l'échangeur sera moins encombrant.

Il possède l'avantage d'être moins bruyant que le condenseur à air et de permettre de récupérer la chaleur au condenseur plus facilement puisque la chaleur est déjà contenue dans l'eau. La température de condensation peut également être plus facilement stabilisée.

Cependant, le condenseur à eau nécessite une tour de refroidissement, qui, elle est encombrante, génère du bruit, un coût d'entretien non négligeable et une éventuelle consommation d'eau.

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30

II.3.4.3 DETENDEUR

Fonctionnement

Dans l'ensemble du fonctionnement d'une machine frigorifique, le détendeur module le débit de fluide frigorigène à l'entrée de l'évaporateur. La différence de pression entre le condenseur et l'évaporateur nécessite d'insérer un dispositif qui va abaisser la pression dans le circuit : c'est le rôle du détendeur. Sa fonction est donc de réduire la pression HP à la pression BP. En passant dans ce dernier, le fluide frigorigène va se vaporiser partiellement et voir sa température baisser. Le bon contrôle de la quantité de fluide frigorigène admise dans l'évaporateur est prépondérant pour le bon fonctionnement de la machine frigorifique car un mauvais contrôle entrainerait les conséquences suivantes:

 Trop peu de fluide frigorigène : il est immédiatement évaporé et il continue à se réchauffer. C'est l'effet de surchauffe. Dans ce cas, l'efficacité de l'évaporateur diminue.

 Trop de fluide injecté : l'excès de fluide n'est pas évaporé par manque de chaleur disponible. Une partie du fluide reste liquide et est aspirée par le compresseur, ce dernier peut alors être sérieusement endommagé (coup de liquide)

(32)

31 Technologies de détendeurs

Le détendeur thermostatique est une vanne qui règle le débit du réfrigérant, en maintenant une différence constante entre la température d'évaporation du réfrigérant et la température des gaz à la sortie de l'évaporateur. La différence entre ces deux températures s'appelle "surchauffe à l'évaporateur" et est typiquement de 6 à 8 K. On est ainsi certain que tout le liquide s'est évaporé et on ne risque pas de coup de liquide au compresseur. Il est de nos jours, le dispositif le plus fréquemment utilisé.

Le détendeur électronique fonctionne sur le même principe, mais permet un réglage plus précis de l'évaporateur. Une surchauffe plus faible sera possible, la température d'évaporation remontera alors de 2 à 3 K, ce qui diminuera la consommation du compresseur. Son avantage est de pouvoir bénéficier de l'intelligence de la régulation numérique : pouvoir adapter son point de fonctionnement en fonction de plusieurs paramètres [3].

Cela permet notamment de bénéficier d'une régulation modulante de la température du milieu à refroidir, d'avoir une injection optimale du réfrigérant et un dégivrage optimalisé.

Le détendeur capillaire se contente, comme dispositif de réglage, d'un étranglement dans la conduite du réfrigérant avant l'évaporateur, qui est assuré par un tube capillaire de très faible diamètre, dans lequel la détente du fluide est obtenue par la perte de charge dans le tube. Ce type de détendeur est réservé aux installations de petites tailles, tels les appareils frigorifiques ou les petits climatiseurs.

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32

CHAPITRE 3:

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33

III.1- INTRODUCTION

Le calcul de la charge est la première étape dans la procédure de l’étude de système de climatisation. Le prise de dimension correcte de système de climatisation et la sélectionner du matériel approprié dépend principalement de la précision de l'estimation faite lors du calcul de la charge.

La charge de refroidissement est la quantité de chaleur excédentaire doit être enlevée pour maintenir un état de confort pour les occupants. L’objectif est de maintenir un état de confort en fixant une température de 23.9 °C et une humidité relative de 50% en éliminant l’apport thermique sensible et latent. Il existe plusieurs sources de chaleur internes et externes produisant de la chaleur (sensible, latente, ou les deux en même temps) tels que les murs, les fenêtres, les occupants, les lumières…

Figure 9: les sources de chaleur

Arriver à un résultat précis est très complexe et prendra beaucoup de procès pour détecter le jour et l'heure où la charge de refroidissement maximale aura lieu. L'utilisation du "Hourly

analysis program" est indispensable pour revoir toutes les combinaisons possibles et sélectionner la valeur supérieure. Dans notre cas, le système fonctionne de 7h00-19h00.

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34

III.2- LES CARACTERISTIQUES THERMIQUES DES CONSTITUANTS

DU BATIMENT

III.2.1-LE COEFFICIENT D’ECHANGE PAR CONVECTION

La convection est un transfert de chaleur dans un milieu matériel avec mouvement de matière. Ce mode de transfert ne concerne donc que les fluides ou les échanges entre un solide et un fluide. Il y a deux sortes de convection : la convection libre et la convection forcée.

La convection libre est la forme la plus couramment observée : au contact d'un objet chaud, la température de l'air augmente, sa masse volumique décroît. L'air chaud subit, de la part de l'air non chauffé, une poussée vers le haut (poussée d'Archimède) qui crée un courant d'air ascendant. La masse d'air chaud emporte avec elle une partie de la chaleur cédée par l'objet chaud.Le processus se poursuit car de l'air froid se substitue à l'air chaud.

La convection forcée c'est quand une action extérieure contribue à faire circuler le fluide. Cela peut-être un ventilateur, une pompe, un compresseur, ou simplement le vent ou la gravité… L'écoulement correspondant se poursuit soit dans la masse même du fluide (agitation d'une pièce par un ventilateur), soit dans des canalisations.

Les moyennes générales du coefficient de convection sont comme suit :

Moyenne Coefficient de transfert

thermique h (W/m2.K)

Air (convection naturelle) 5-25

Air/vapeur surchauffée

(convection forcée) 20-300

Huile (convection forcée) 60-1800

Eau (convection forcée) 300-6000

Eau (bouillante) 3000-60,000

Vapeur (en condensation) 6000-120,000

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35

Les Moyennes du coefficient de convection utilisé pour des parois lisses comme celles du bâtiment sont :

Paroi donnant sur l'extérieur Coefficient de convection

intérieur (hi) en (W/m2.K)

Coefficient de convection extérieur (he) en (W/m2.K)

Paroi verticale et flux horizontal 7.7 25

Paroi horizontale et flux vertical ascendant 10 25

Paroi horizontale et flux vertical descendant 5.9 25

Table 2:Coefficient de convection intérieur et extérieur

Si la vitesse moyenne du vent est supérieure à 4 m/s alors la convection n’est plus naturelle et elle est considérée comme forcée, alors le procédé de détermination du coefficient de convection sur les parois extérieures suit la formule suivante :

𝑣 > 4𝑚

𝑠 → ℎ𝑒= 8 + (3.8 × 𝑣)

𝑣 < 4𝑚

𝑠 → ℎ𝑒= 5 + (3.8 × 𝑣)

V : vitesse moyenne du vent en (m/s)

he: coefficient de convection extérieur en (w/m2.k)

Ce site est connu par une vitesse de vent variable avec une moyenne 16 Km/h ≈ 4.45 m/s.

Ce vent est continu tout au long de l’année il peut surement varier et même atteindre les 100 Km/h, mais sa moyenne selon la météo est de 4.45 m/s > 4 m/s, selon la formule :

he = 8 + (3.8 x 4.45) = 24.91 (W/m2.K)

Alors les valeurs du coefficient de convection extérieur sont prises du tableau précédent comme la valeur obtenue par la formule est égale à celle donnée par les normes.

(37)

36

III.2.2- TRANSMISSION THERMIQUE PAR CONDUCTION

Le coefficient de transmission thermique (U) d'un composant de l'enveloppe du bâtiment proposé (toit, mur ou au sol) est calculé en utilisant l'équation:

Ui = Σ (1/R1 + 1/R2 +…..)

 Ui = coefficient de transmission thermique d'un élément de construction (W/m2K)

 R1, R2…. = résistance thermique de chaque couche de composant de matériau (m2K/W)

Cette équation s'applique à des éléments de construction individuels (mur, toiture et plancher) et exclut les articulations ou les ponts thermiques.

Pour calculer la résistance thermique (R) d'un élément de construction ou une couche d'un élément de construction, vérifier si le composant est fait d'un matériau homogène ou non.

Pour des matériaux de construction homogènes, la résistance thermique R peut être déterminée, si la conductivité thermique du matériau et l'épaisseur de la couche sont connus.

R = e/λ

R = Résistance thermique (m2K/W)

e = Epaisseur du matériau (en mètres)

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37

Dans notre projet Les murs extérieurs sont faits de blocs de béton, de poids élevé, ayant une épaisseur de 200 mm, avec deux couches de plâtre de 2cm, ayant un coefficient global d’échange U égal à 2,667 W/ (m2K). La hauteur des fenêtres est égale à 1,2 m pour tous les bureaux, la largeur est de 1 m, il s’agit d’un simple vitrage ayant des châssis en aluminium, le coefficient global d’échange des fenêtres est égal à 5,048 W/ (m2K). Les cloisons sont formées de blocs de poids élevés ayant une épaisseur de 150 mm avec deux couches de plâtre et ayant un coefficient global d’échange égal à 2,839 W/ (m2.K) [6].

La plancher est formé de trois couches : un revêtement de 2 cm d’épaisseur, 6 cm de béton et 25cm hourdis. Le coefficient global d’échange est égal 2.3 W/ (m2K). Le plafond est formé de trois couches : 2cm d’enduit, 25cm hourdis et 6 cm de béton. Le coefficient global d’échange est égal 2.5 W/ (m2K)

R (m2.K /W)

U (W/m2.K)

Murs extérieur

0.375

2.667

Murs intérieur

0.352

2.839

Plancher

0.435

2.300

Plafond

0.400

2.500

Simple vitrage

0.200

5.048

Porte

0.587

1.703

Table 3 : Coefficient de transmission thermique et résistance thermique.

III.2.3- CHARGES INTERIEURES-VENTILATION

La production de la chaleur par l’éclairage est supposée constante dans tous les bureaux, de l’ordre de 20W/m2. Chaque chambre comprend deux bureaux, ce qui affirme la présence de deux employés travaillent en même temps. Chaque personne produit 71.8 W de chaleur sensible et 60,1W de chaleur latente. Dans chaque chambre se trouvent deux ordinateurs produisant, chacun, 150 W de chaleur sensible. D’après ASHRAE Le débit d’air frais est 2.5 l/(s x personne) et 0.3 l/(s x m2) pour assurer une qualité d’air acceptable dans chaque chambre. [3]

(39)

38

III.3- BILAN THERMIQUE DU PREMIER ETAGE

Le calcul du bilan thermique est effectué pour chaque bureau à l’aide du logiciel HAP. La figure 10 Présente la numération des locaux du premier étage tandis que la figure 11 présente le plan du bureau RM1 appartenant à cet étage. Le résultat de calcul fournis par le HAP pour le bureau RM1 (figure 12) est les suivants :

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40

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41

Le tableau suivant résume les résultats de la charge calculée par HAP pour le premier étage (tous les autres étages sont similaires):

Bureau Surface (m2) Chaleur sensible (KW) Chaleur latente (KW) Chaleur total (KW) Indice de refroidissement (W/m2) RL1 20 1.8 0.9 2.7 135 RL2 13 2 0.8 2.8 215 RL3 24 2.4 1 3.4 142 RL4 28 2 0.9 2.9 104 RR1 95 8 5.5 13.5 142 RR2 24 1.9 0.8 2.7 113 RR3 25 3.5 1.4 4.9 196 RR4 25 3.4 1.4 4.8 192 RR5 15 3.6 1 4.6 307 RR6 30 7.7 1.6 9.3 310 RM1 80 9.5 4.7 14.2 178 RM2 14 1.5 0.8 2.3 164 RM3 14 1.9 1.2 3.1 221 RM4 14 2.3 0.9 3.2 229 RM5 14 2.3 0.9 3.2 229 RM6 18 2 0.4 2.4 133 RM7 60 4.3 3.2 7.5 125 Total Etage 1 513 60.1 27.4 87.5 171

(43)

42

III.4- CONCLUSION

La charge totale de refroidissement du premier étage est : 87.5 KW ou 25.7 tonnes La surface totale du premier étage est : 513 m2

L’indice de refroidissement est :

I = 87500 513⁄ = 171 W/m2

Au Liban l’indice de refroidissement est compris entre 140 et 175W/m2 . Donc l’indice

dans le centre de bureau appartient à cet intervalle, ce qui vérifie le calcul effectuée par le logiciel HAP.

Notons que la charge de refroidissement pour chaque étage n’est pas le somme arithmétique de charge des salles, tous simplement car les charges maximales des salles n’auront pas lieu en même temps.

La charge du bâtiment est estimée 489 kW (144 tonnes de réfrigération). Cette quantité d'informations est suffisante pour commencer le processus de sélection, pour les unités intérieures et extérieures.

Établir une comparaison appropriée entre VRV et le groupe refroidisseur de liquide consiste à sélectionner les équipements de deux systèmes de la même marque qui est «McQuay».

La sélection des unités intérieures du système VRV sera faite manuellement à partir des catalogues, mais l'unité extérieure de système de VRV sera choisie en utilisant le logiciel "McQuay sélection MDS".

(44)

43

CHAPITRE 4:

ETUDE DES CARACTERISTIQUES DE 2 SYSTEMES :

VRV ET CHILLER.

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44

IV.1- ETUDE PRELIMINAIRE

IV.1.1 CRITAIRES DE CHOIX DU SYSTEME

Plusieurs critères de choix nous permettent de prendre une décision sur le système HVAC de notre projet :

-Critères financier : C’est le critère le plus important. Nous avons fait une étude approfondie sur le prix de deux systèmes (VRV et CHILLER) qui peut être le choix pour ce projet. Un tableau comparatif permet de donner un avis favorable sur ce sujet sera présenté dans ce chapitre.

-Critères techniques: La solution doit être facile à installer et répondre au Cahier de spécification. -Délai de livraison : Pour la maitrise de nos couts, le planning de notre projet doit être

Contrôlé. Ce contrôle dépend des dates d’approvisionnement des matériels (dans le planning) et des délais de livraison proposés par le fournisseur HVAC.

IV.1.2 LES SOLUTIONS CHOISIES

Le choix des solutions HVAC pour notre projet dépend des critères énumérés plus haut. Par contre, le critère financier est le plus important en phase d’étude approfondie et réalisation. Ce critère est évalué avec des offres de prix que nous avons consultés. Les solutions consultées sont : La climatisation centrale par eau glacée (chiller), la climatisation centrale par VRV.

IV.1.3 CRITAIRES DE SELECTION DES EQUIPEMENTS

Le choix des équipements est principalement guidé par les besoins d’économie, de confort, d’esthétique et de protection de l’environnement. Au nombre des critères de références, on peut retenir les critères suivants :

‐ Le COP de l’appareil doit être au moins égal à 3

‐ Les fluides frigorigènes polluant sont proscrit. De préférence, les fluides R410 ou R134a sont recommandés.

(46)

45 ‐ Les unités intérieures sont des types gainables.

‐ Les grilles de soufflage doivent avoir une bonne capacité de diffusion thermique. ‐ Les unités intérieures doivent respecter les normes.

‐ La perturbation sonore. ‐ Faible vibration. ‐ L’encombrement. ‐ L’esthétique.

‐ La présence d’une option mode nuit.

Au regard des critères imposées pour les équipements de la climatisation, les climatiseurs de marque Mcquay sont aussi bien indiqués pour une garantie de satisfaction. Mcquay est un constructeur de climatiseur Malaisien, leader dans le monde de la climatisation.

Avant d’entrer dans les détails de calcul pour les deux systèmes on va tout d’abord parler un peu de principe de fonctionnement de chaque système a part tout en présentant ces composants, donc le paragraphe suivant va présenter ce point.

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46

IV.2- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES SYSTEMES A DISCUTER.

IV.2.1 LES GROUPES DE PRODUCTION D’EAU GLACEE

Les groupes de production eau glacée sont constitués d’un groupe de production du froid, d’un réseau hydraulique et des ventilo convecteurs. L’énergie de climatisation produite par le groupe froid est transférée au local à climatiser via les conduits hydrauliques et les ventilos convecteurs (figure 13). Des technologies de groupe froid existant, les groupes froids du type air/eau au régime de fonctionnement 7°/12°C semblent s’adapter le mieux au projet de la climatisation du centre au regard de la charge de climatisation.

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47

Pour dimensionner les GRL, il est considéré la charge globale de climatisation pour le choix du groupe à installer dans le catalogue général Mcquay. Le débit de l’eau glacée à la sortie du groupe est une caractéristique du groupe. Les débits des locaux sont déterminés proportionnellement par rapport au débit principal et la charge du local. Pour des raisons de vibration des tuyauteries d’eau glacée, la vitesse de l’eau à la sortie du groupe est prise inférieure ou égale à 2 m/s. A partir du débit et de la vitesse de l’eau, la section des conduits en acier noir a été déterminée. Le choix des pompes tient compte du débit global de l’eau et de la perte de charge globale sur le réseau le plus défavorisé des boucles considérées.

Le système de refroidissement peut contenir un ou plusieurs GRL pour couvrir la charge de pointe. Certains cas nécessitent plus d'un GRL, lorsque la variation quotidienne de la charge est importante, donc pour plus d'efficacité, nous pouvons fonctionner les groupes de refroidisseur de liquide et les forcer à fonctionner dans les meilleures conditions.

Cette manière de climatisation est souvent pratique pour les grands projets où la charge de refroidissement est importante, comme les centres commerciaux, grands restaurants, immeubles de grande hauteur ...

Le compresseur est l’organe le plus important du GRL, on distingue quatre types de compresseurs : -Compresseurs à piston (figure 14).

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-Compresseurs à spirale (figure 15): utilisés pour des applications de faible capacité pouvant aller jusqu'à environ 50 kW. [2]

Figure 15: Compresseur à spirales

-Les compresseurs à vis (figure 16): utilisés pour des applications de moyenne capacité allant jusqu'à environ 1055 kW. [2]

Figure 16: Compresseur à Vis

-Les compresseurs centrifuges (figure 17) : utilisés pour des applications à haute capacité, généralement au-dessus 1055 kW. [2]

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49

Les COP froid pour des machines frigorifiques à compression mécanique dépendent de nombreux paramètres dont le type de compresseur employé et la technologie qu’il utilise.

Le COP froid d’une machine frigorifique est également grandement influencé outre par la technologie des composants qu’elle utilise, par la température de la source froide (c’est à dire la température de l’air ou de l’eau refroidie à l’évaporateur) et la température de la source chaude (c’est à dire la température de l’air ou de l’eau refroidissant le condenseur).

Plus l’écart entre ces températures sera grand, plus le COP froid chutera. En effet, plus on cherchera à avoir une température basse à l’intérieur de locaux alors qu’à l’extérieur la température sera élevée, plus l’écart de pression entre l’évaporateur et le condenseur sera grand et plus le COP diminuera.

Voici quelques fourchettes de COP froid en fonction du type de compresseur. On parle de fourchette car comme on vient de le dire le COP varie énormément en fonction des conditions dans lesquelles la machine frigorifique fonctionne. On parle parfois de COP moyen sur une année pour ainsi intégrer cette variation du COP en fonction des conditions d’utilisation donc en fonction de la saison et de la période de l’année à laquelle on l’utilise [3].

-Compresseur à piston : COP froid : 2,0 – 4,7 Puissance frigorifique : 10 – 500 kW. -Compresseur à vis : COP froid : 2,0 – 7,0 Puissance frigorifique : 300 – 1055 kW. -Compresseur centrifuge : COP froid : 4,0 – 8,0 Puissance frigorifique : 300 – 30000 kW.

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50

IV.2.2 LE SYSTEME VRV (VARIABLE REFRIGERANT VOLUM SYSTEM)

PRINCIPE : Les systèmes de climatisation à volume de réfrigérant variable sont des systèmes à détente directe. Les VRV sont composés d’une unité extérieure connectée à un (ou plusieurs) évaporateur(s) par des conduits frigorifiques. Ils fonctionnent suivant le même principe que les

split system. Conçu pour les besoins d’économie d’énergie, les VRV sont équipés de régulateurs

électroniques de haute Game. Ils suivent et adaptent automatiquement la production du froid aux différentes variations des charges des locaux.

Le dimensionnement du système VRV utilise le catalogue du constructeur pour choisir les unités intérieures VRV. Chaque unité intérieure est représentée par son indice. La somme totale des indices donne la taille de l’unité extérieure. Dans le cas des conduits, le réseau est conçu et représenté par un schéma unifilaire. Sur ce réseau, les unités terminales sont représentées par leurs indices et les conduits par la somme des indices des unités terminales qu’ils alimentent. Chaque indice représente une section de conduits ou un Refnet de raccordement.

L’unité extérieure se repose principalement sur le compresseur à spirale et le condenseur mené d’un ventilateur pour extraire la chaleur du réfrigérant, alors que les unités intérieures sont composées d'un échangeur de chaleur air/fluide frigorigène, d'un ventilateur et d'une vanne de détente électronique (appelée Mex) [7].

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L'unité intérieure collecte des données sur la température d'entrée et de sortie du réfrigérant, et la température de l'air de la zone à refroidir est comparée à la température fixée par l'utilisateur d'une façon simultanée, et effectue les opérations suivantes par l'intermédiaire du programme de logique: - Moduler la puissance de l'unité intérieure en ajustant le degré d'ouverture de la vanne de détente électronique.

- Calcul du coefficient de condition pour le module de commande extérieure.

L'unité extérieure recueille et résume les données sur le coefficient de condition de chaque unité intérieure et agit de deux façons différentes en fonction de son type:

- Le système Inverter où le compresseur à vitesse variable règle la vitesse requise pour le flux de réfrigérant nécessaire.

-Le système MDS ou « outdoor unit commande » contrôle le nombre de compresseurs fonctionnant. Comme ces compresseurs fonctionnent à une vitesse fixe le MDS contrôle le débit de fluide frigorifique en agissant sur la vanne PMW (Pulse with modulation valve) pour commander l'écoulement du réfrigérant, par suite la capacité totale de refroidissement.

Notant que le Mcquay MDS sera utilisé dans notre étude. FONCTIONNEMENT DU MDS :

Le Mcquay MDS est équipé d’un compresseur Digital Scroll fabriqué par Copeland USA. Le compresseur (Digital scroll) se diffère du compresseur traditionnel. Il est équipé d'une électrovanne extérieure (vanne PWM). Le PWM est installé entre la chambre de modulation et le tuyau d'aspiration du compresseur. Ce dernier contient deux spirales, une fixe et l’autre orbite autour de la première par action du moteur. Lorsque l'électrovanne reçoit un signal de tension, elle s’ouvre tout en créant une communication la chambre de modulation et le circuit d’aspiration. La pression de refoulement pousse un piston qui a son tour agit sur la spirale fixe qui se soulève d'environ 1 mm (tout se fait par action de différence de pression en dessous et en dessus du piston comme montre la figure 20). Il en résulte un gap entre ces deux spirales ce qui interrompe la compression du réfrigérant sans arrêter le moteur du compresseur.

Le compresseur Digital Scroll fonctionne en deux étapes alternativement, l'état chargé lorsque le compresseur offre 100% de la capacité et l'état non chargé lorsque le compresseur ne délivre pas aucune puissance (0% de sa capacité).

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Figure 19: Digital Scroll and Fix Scroll Compressor

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La technologie Digital Scroll™ assure une modulation en continu de 10 % à 100 % sans restriction de l'enveloppe de fonctionnement. Les pressions et les températures du système sont ainsi étroitement contrôlées. Des tests ont indiqué une variation de température de +/-0,5 K. dans les vitrines réfrigérées. La puissance du compresseur est contrôlée en modulant l’alimentation de l'électrovanne.

Le temps de cycle est 20 secondes, pour une puissance résultant de l’ordre de 50% l’électrovanne ouvre pour 10 secondes et ferme 10 secondes et pour une puissance résultant de l’ordre de 40% l’électrovanne ouvre pour 8 secondes et ferme 12 secondes…

Figure 21: Le principe de la variation de capacité de refroidissement

Lorsque l’unité extérieur est composée de plus qu’un compresseur, un de ses compresseur serait de type (Digital scroll compressor) alors que les autres seront de type (fix scroll compressor). La combinaison entre ces deux se fait de la manière suivante :

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- Le « Digital Scroll Compressor » est le leader alors il fonctionne tout d’abord.

- Par l’intermédiaire du PWM valve, le « Digital Scroll Compressor » module le débit de réfrigérant suivant la capacité total que demande l’unité intérieur.

- Quand la capacité totale des unités intérieures devienne supérieure à la capacité du « Digital Scroll Compressor » le « Fix Scroll Compressor » démarre.

- En conséquence lorsque le « Fix Scroll Compressor » est activé le « Digital Scroll Compressor » continuera à moduler le réfrigérant.

MAIS COMMENT LA CAPACITE TOTALE NECESSAIRE EST OBTENUE ? - Discussion sur l’unité intérieure (ouverture de détendeur) :

Le détendeur possède 480 pas pour passer de l’état fermé totalement à l’état ouvert totalement. Le débit de réfrigèrent varie proportionnellement avec le changement de degré d’ouverture du détendeur comme le montre la figure 23.

Figure 23: Indoor unit schematic -Flow rate curve of electronic expansion valve

En réglant avec précision le débit de fluide frigorigène, le système peut contrôler précisément la capacité de refroidissement ou de chauffage.

Lorsque l’unité intérieur démarre le réfrigèrent commence à circuler dans le conduit, le détendeur adapte son ouverture par rapport aux températures d’entrée et de sortie du fluide.

- Discussion sur l’unité extérieure (Requirement coefficient variation « DF »)

La modulation du PWM se fait par rapport au coefficient DF. Or lors de démarrage de l’unité intérieur, il excite une différence de température entre la consigne de température à avoir et la température de l’air entrant à l’unité. Soit : ΔT = Tinlet air – Tset cette différence.

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L’unité intérieur collecte les informations suivantes : ΔT, Tin,ref ,Tout,ref . Après qu’elle règle

l’ouverture de détendeur elle calcule le coefficient DF et renvoie vers l’unité extérieure qui à son tour collecte tout les coefficients des appareils présentant en faisant calculer la capacité voulu. La figure 24 présente un organigramme explicatif du processus.

Figure 24:Principe d'ajustement de la capacité

Apres avoir discuter le fonctionnement des deux systèmes (VRV et CHILLER) l’étape suivante consiste à choisir le système convenable pour notre cas. Les deux sont disponibles et applicables mais qu’elle solution serait la plus optimisée ?

Pour répondre à cette question une étude sur le cout d’installation et le cout de fonctionnement serait élaboré pour les deux systèmes tout en prenant en considération tous les facteurs nécessaires pour aboutir à une conclusion appropriée.

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CHAPITRE 5:

LA SELECTION DES EQUIPEMENT POUR LES 2

SYSTEMES.

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V.1- INTRODUCTION

Après avoir définir les caractéristiques de chaque système à part, ce chapitre va teindre compte de sélection des équipements nécessaire pour le bon fonctionnement de ces deux systèmes. Cette sélection dépend de la charge calculée dans le chapitre 3. Commençant tout d’abord par le Groupe de refroidissement liquide puis passant vers le système VRV en finissant par obtenir une résumé claire sur les coûts d’installations initiaux de chaque système.

V.2- SELECTION DU SYSTEME GRL – CALCUL DES COUTS

D’INSTALLATIONS.

Le choix des ventilo-convecteurs a été fait par l’intermédiaire d’un logiciel de sélection (Mcquay selection software). A titre exemple pour le bureau RM 1, la charge sensible 9.5 kW, la charge totale est de 14.2 kW, l’unité convenable est ‘MCC60CW’. Les figures 25 et 26 montrent explicitement la procédure de sélection alors que le tableau 5 résume la sélection de toutes les unités intérieures de notre projet.

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Figure 26: data output

Table 5: FCU selected for typical floor

Bureau Chaleur sensible(KW) Chaleur total (KW) Sélection

RL1 1.8 2.7 MCC10CW RL2 2 2.8 MCC10CW RL3 2.4 3.4 MCC15CW RL4 2 2.9 MCC10CW RR1 8 13.5 MCC50CW RR2 1.9 2.7 MCC10CW RR3 3.5 4.9 MCC20CW RR4 3.4 4.8 MCC20CW RR5 3.6 4.6 MCC20CW RR6 7.7 9.3 MCC40CW RM1 9.5 14.2 MCC60CW RM2 1.5 2.3 MCC10CW RM3 1.9 3.1 MCC15CW RM4 2.3 3.2 MCC15CW RM5 2.3 3.2 MCC15CW RM6 2 2.4 MCC10CW RM7 4.3 7.5 MCC28CW

Figure

Figure 1: Zone climatique Liban
Figure 6: Cycle frigorifique
Figure 7: Diagramme enthalpique du cycle frigorifique
Table 1 :moyennes générales du coefficient de convection
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