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Submitted on 11 Jul 2018
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Elias Haddad
To cite this version:
Elias Haddad. Étude comparative pour la climatisation d’un immeuble. Thermique [physics.class-ph]. 2016. �dumas-01835078�
ISAE – CNAM Liban
Centre du Liban associé au
Conservatoire national des arts et métiers – Paris
Mémoire de fin d’étude
Spécialité : Energétique – Froid et climatisation
Etude comparative pour la climatisation d’un
immeuble
Réalisé par : HADDAD Elias
Jury: Pr. Marvillet Christophe
Dr. JABBOUR Tony
Dr KHOURY François
2
Remerciements
En préambule à ce mémoire, je souhaitais adresser mes remercîments les plus sincères aux personnes qui m’ont apporté leur aide et qui ont contribué à l’élaboration de ce mémoire.
Je tiens à remercier particulièrement le Professeur François Khoury, qui, en tant que directeur de mémoire, s’est toujours montré a l’écoute et très disponible tout au long de la réalisation de ce mémoire, ainsi pour l’inspiration, l’aide et surtout les judicieux conseils tout au long de mes années universitaires.
Je désire aussi remercier tous les professeurs du CNAM et Dr. Jabbour Tony qui m’ont fourni les outils nécessaires à la réussite de mes études universitaires, ainsi qu’au Professeur Christophe Marvillet pour être un membre du jury de ce rapport.
J’exprime ma gratitude à tous les fournisseurs rencontrés lors des recherches effectuées et qui ont accepté de répondre à mes questions avec gentillesse.
3
Résumé du travail
Notre projet ci-dessous consiste à établir la conception d’un système de chauffage pour l’immeuble « LOT 5 » située à Beyrouth, Liban.
La détermination des différents types d’échange calorifique et de déperdition dans les locaux constitue la première étape de cette conception. Par l’aide du logiciel HAP de la société
« CARRIER », les catalogues des fournisseurs, et le cahier de charges renseignant sur les types de construction, on a put démarrer le calcul de charges nécessaire.
Afin de trouver le bilan chaud de l’immeuble, il était nécessaire de choisir le mode de chauffage. Le plancher chauffant était le meilleur choix, ensuite nous avons passé à la sélection des tuyaux.
La suite sera à déterminer le meilleur système de chauffage, en faisant une étude comparative au niveau des coûts et au niveau écologique entre trois systèmes différents (La pompe à chaleur, la chaudière à mazout et la chaudière gaz à condensation).
4
Sommaire
Remerciements ... 2
Résumé du travail ... 3
Liste des figures ... 7
Liste des tableaux ... 9
Introduction ... 10
Chapitre 1 : L’immeuble ... 12
Chapitre 2 : Climatisation ... 22
2.1- Le confort ... 22
2.2- Bilan thermique chaud ... 22
2.3- Calcul de bilan thermique chaud ... 32
2.4- Conclusion ... 41
Chapitre 3 : Plancher chauffant... 42
3.1- Introduction ... 42
3.2- Fonctionnement ... 42
3.2- Méthode de construction ... 44
3.4- Disposition des circuits ... 45
3.3- Le dimensionnement... 48
3.4-Le coût ... 53
Chapitre 4 : Pompe à chaleur ... 54
5
4.2- Généralités ... 54
4.3- Diagramme log p, h ... 55
4.3- Cycle de fonctionnement ... 56
4.4- Sélection des pompes à chaleur ... 58
4.5- Conclusion ... 66
Chapitre 5: Chaudière à mazout ... 67
5.1- Introduction ... 67
5.2- Constituants d’une chaudière à mazout ... 67
5.2- Le fonctionnement d’une chaudière à fioul ... 70
5.3- Sélection des chaudières ... 71
Chapitre6 : Chaudière gaz à condensation ... 73
6.1- Généralités ... 73
6.2- Principe de fonctionnement ... 73
6.3- Rendement ... 75
6.4- Sélection des chaudières gaz à condensation ... 76
Chapitre 7 : Consommation et coût ... 78
7.1- La consommation et le coût de la pompe à chaleur ... 79
7.2- La consommation et le coût de la chaudière à mazout ... 81
7.3- La consommation et le coût de la chaudière gaz à condensation ... 83
7.4- Conclusion ... 85
Chapitre 8 : Etude écologique et impact environnemental ... 86
6
8.2- Emission de CO2 ... 87
8.3- Conclusion ... 90
Conclusion ... 91
ANNEXE ... 95
Annexe – Propriétés thermiques ... 96
Annexe – Plancher chauffant ... 98
Annexe – Pompe à chaleur ... 101
Annexe – Chaudière à mazout ... 108
Annexe – Chaudière gaz à condensation ... 109
7
Liste des figures
Figure 1 : Localisation du LOT5 ... 12
Figure 2: L'immeuble LOT5 ... 13
Figure 3 - sous-sol 5 ... 14 Figure 4 - sous-sol 4 ... 15 Figure 5 – sous-sol 3 ... 16 Figure 6 - sous-sol 2 ... 17 Figure 7 - sous-sol 1 ... 18 Figure 8 – rez-de-chaussée... 19
Figure 9 - étages typiques ... 20
Figure 10 - étage technique ... 21
Figure 11 : L’échange thermique dans un double mur ... 28
Figure 12 : échange thermique dans une vitre double ... 29
Figure 13 : Logo HAP... 32
Figure 14 : différents paramètres reliés au site, par HAP ... 33
Figure 15 : différents paramètres reliés au site, par HAP ... 34
Figure 16: différents matériaux de construction reliés au composant de bâtiment ... 35
Figure 17 : différents composants de la chambre. ... 36
Figure 18: différentes données de la chambre. ... 37
Figure 19 : Besoin calorifique d’une chambre ... 38
Figure 20 : Schéma significatif du plancher chauffant. ... 43
Figure 21: Diagramme de construction de plancher chauffant ... 44
Figure 22 : Disposition des tuyaux sous forme spirale ... 45
Figure 23 : Les conditions d’installation des joints d’expansions ... 46
8
Figure 25 : l’installation incorrecte des joints d’expansions ... 47
Figure 26 : Variation des grandeurs d’état physiques dans le diagramme log p, h ... 55
Figure 27 : schéma du cycle de la pompe à chaleur ... 56
Figure 28 : Le processus sans perte dans le diagramme log p, h ... 57
Figure 29 : pompe à chaleur YUTAKI S ... 58
Figure 30 : Diagramme schématique pour la pompe à chaleur ... 59
Figure 31 : Diagramme psychrométrique pour chercher la température humide ... 60
Figure 32 : Les dimensions de l’unité intérieure ... 63
Figure 33 : Les dimensions de l’unité extérieure ... 64
Figure 34 : schéma du cycle de la pompe à chaleur dans le diagramme log p, h ... 65
Figure 35 : Fonctionnement et anatomie d’un bruleur de chaudière à fuel ... 68
Figure 36: Les dimensions des différents types de chaudières ... 72
Figure 37 : fonctionnement simplifié d’une chaudière gaz à condensation... 74
Figure 38 : différentes capacités des chaudières à condensation ... 76
Figure 39 : Figure 40: Les dimensions de la chaudière à condensation ... 77
9
Liste des tableaux
Table 1 : épaisseur et propriété thermique des différents matériaux de construction ... 26
Table 2 : coefficient d’échange global des différents types de fenêtres ... 27
Table 3 : Tableau de puissance calorifique pour l’appartement A ... 39
Table 4 : Tableau de puissance calorifique pour le rez de chaussée ... 40
Table 5 : Tableau de puissance calorifique pour l’appartement B... 41
Table 6 : Température du sol maximal selon le type de la chambre ... 48
Table 7: Tableau des conductivités thermiques du différent carrelage ... 49
Table 8 : Tableau de longueur des tuyaux pour le plancher chauffant dans l’appartement A ... 50
Table 9 : Tableau de longueur des tuyaux pour le plancher chauffant dans l’appartement B ... 51
Table 10 : Tableau de longueur des tuyaux pour le plancher chauffant dans le rez-de-chaussée 52 Table 11 : Le coût d’installation du plancher chauffant pour chaque appartement ... 53
Table 12 : Tableau de capacité des pompes a chaleur ... 61
Table 13 : Tableau de sélection des pompes a chaleur ... 62
Table 14 : Tableau de coefficient de performance ... 66
Table 15 : Tableau des différents types de chaudière ... 71
Table 16 : Tableau de consommation des pompes a chaleurs ... 79
Table 17 : Tableau des couts d’installation des pompes a chaleurs ... 80
Table 18 : Tableau de consommation des chaudières ... 82
Table 19 : Tableau des couts d’installation des chaudières à mazout ... 83
Table 20: Tableau de consommation des chaudières gaz à condensation ... 84
Table 21: Tableau des couts d’installation des chaudières gaz à condensation ... 85
Table 22 : Tableau d’émission de CO2 par la pompe a chaleur ... 88
Table 23 : Tableau d’émission de CO2 par la chaudière ... 89
10
Introduction
De nos jours, les changements que vit notre planète à tous les niveaux ont contribué à des changements climatiques sévères, tout en affectant les ressources naturelles et les sources d’énergie, et par suite la qualité de la vie humaine ; On note essentiellement le problème de surpopulation et du réchauffement climatique global.
On se trouve face à une situation où le choix de vivre sans la climatisation de nos locaux demeure presque impossible, dans la plupart des pays du monde. Ceci inclut le processus de refroidissement dans les pays chauds, ou de chauffage dans les pays froids.
La présence de notre pays sur la Méditerranée, outre sa nature géographique côtière d’une part et montagneuse d’autre part, lui offre un climat modéré. Mais, durant les dernières
décennies, et due aux changements climatiques, la température en été a pu dépasser les 35°C et descendre au moins à 6°C en hiver (Beyrouth). D’où le besoin de la climatisation pour assurer la température et autres conditions de confort durant ces temps, toujours suivant les normes
libanaises et internationales.
L’étude présentée ci-dessous consiste à réaliser la conception et l’optimisation d’un système de climatisation (chauffage) d’un immeuble nommé « LOT5 ». On désire trouver le bilan
thermique total, dimensionner, choisir et sélectionner les différents systèmes et leurs composants, sans oublier les impacts environnementaux. [1]
11
Introduction
Nowadays, the changes our planet saw on all levels have contributed to severe climate change, while affecting natural resources and energy sources, and consequently the quality of human life; mainly we note the overpopulation problem and global warming.
We are faced with a situation where the choice to live without the air conditioning of our local remains almost impossible, in the majority of countries of the world. This includes the process of cooling in hot countries, or heating in cold countries.
The presence of our country on the Mediterranean, in addition to its coastal geographical nature of a share and also mountainous, offers i a moderate climate. But in recent decades, and due to climate change, summer temperatures could exceed 35 ° C and down to at least 6 ° C in winter (Beirut). Then we need air conditioning to ensure the temperature and other conditions of comfort during these times, always following the Lebanese and international standards.
The study presented below is to perform the design and optimization of an air conditioning system (heating) of a building named "LOT5". We want to find the total heat balance, size, choose and select the various systems and their components, without forgetting the
12
Chapitre 1 : L’immeuble
L’immeuble “LOT5” se situe au centre-ville de Beyrouth à une altitude de 30m.
Figure 1 : Localisation du LOT5 Source : Google maps
13 Il s’agit d’un immeuble de 5 étages, à appartements résidentiels et 5 sous-sols.
Figure 2: L'immeuble LOT5 Source: Khater engineering & trading
14
Sous-sol 5
Le sous-sol 5 représente une surface de 840𝑚2. Il est constitué de:
Deux salles de réservoirs d’eau non traitée, une salle de réservoir d’eau traitée, une salle de pompes, deux salles de ventilateur (air frais et extraction), deux ascenseurs pour l’utilisation régulière des habitants, un ascenseur de service, un escalier, et dix salles de dépôts. En plus d’une zone parking pour dix voitures.
Figure 3 - sous-sol 5
15
Sous-sol 4
Le sous-sol 4 représente une surface de 840𝑚2. Il est constitué de :
Deux salles de réservoirs d’eau non traitée, une salle de réservoir d’eau traitée, deux salles de ventilateur (air frais et extraction), une salle pour les réservoirs d’essence du générateur, deux ascenseurs pour l’utilisation régulière des habitants, un ascenseur de service, un escalier, et deux salles de dépôts. En plus d’une zone parking pour 14 voitures.
Figure 4 - sous-sol 4
16
Sous-sol 3
Le sous-sol 3 représente une surface de 840𝑚2. Il est constitué de :
Une salle de réservoir d’eau, deux salles de ventilateur (air frais et extraction), deux ascenseurs pour l’utilisation régulière des habitants, un ascenseur de service, un escalier, trois suites, une cuisine, un salon et une salle de dépôt. En plus d’une zone parking pour huit voitures.
Figure 5 – sous-sol 3
17
Sous-sol 2
Le sous-sol 2 représente une surface de 840𝑚2. Il est constitué de :
Deux salles de ventilateur (air frais et extraction), deux ascenseurs pour l’utilisation régulière des habitants, un ascenseur de service, un escalier, une salle technique et la salle du générateur. En plus d’une zone parking pour 12 voitures.
Figure 6 - sous-sol 2
18
Sous-sol 1
Le sous-sol 1 représente une surface de 840𝑚2. Il est constitué de :
Deux salles de ventilateur (air frais et extraction), deux ascenseurs pour l’utilisation régulière des habitants, un ascenseur de service, un escalier, et une salle de gymnastique contenant une piscine.
Figure 7 - sous-sol 1
19
Rez-de-chaussée
Le rez-de-chaussée comprend : deux ascenseurs pour l’utilisation régulière des habitants, un ascenseur de service, un escalier, et un appartement d’une surface de 450𝑚2.
Figure 8 – rez-de-chaussée Source : Khater engineering & trading
20
Etages typiques 1 à 5
Chaque étage comprend deux appartements (l’appartement A représente une surface de 292𝑚2 et l’appartement B représente une surface de 255𝑚2) composés de quatre chambres à coucher, une cuisine, une salle de famille, une salle à manger et cinq toilettes.
Figure 9 - étages typiques Source: Khater engineering & trading
21
Etage technique
Cet étage comprend des installations techniques.
Figure 10 - étage technique Source : Khater engineering & trading
22
Chapitre 2 : Climatisation
2.1- Le confort
La climatisation est une nécessité, elle assure le confort et résout les problèmes de pollution (bruit, poussières…)
Pour climatiser l’immeuble LOT5, il faudra que :
• La température sèche interne: En été 𝑇𝑠 = 𝐷𝐵 = 23 à 25°C
En hiver 𝑇𝑠 = 𝐷𝐵 = 19 à 21°C • L’humidité relative intérieure : En été HR = 50%
En hiver HR = 30 à 50% • La température extérieure : En été 𝑇𝑠 = 𝐷𝐵 = 34 à 36°C
En hiver 𝑇𝑠 = 𝐷𝐵 = 2 à 5°C
On obtient un confort optimal si la chaleur produite par le corps est égale à la chaleur évacuée, alors on a deux bilans thermiques à chercher (le bilan thermique chaud et le bilan thermique froid), mais pour notre projet on a besoin seulement du bilan thermique chaud. [2]
2.2- Bilan thermique chaud
La chaleur se propage toujours du chaud vers le froid. Cette propagation de la chaleur en hiver est appelée déperditions du local, et pour que le confort s’établit il faut produire une chaleur à l’intérieur du local équivalente à la même quantité perdue par le local (déperdition).
23 Les déperditions de chaleurs se font suivant deux formes :
• La déperdition surfacique à travers : les murs, les vitrages, les plafonds, les planchers • La déperdition par infiltration, par ventilation naturelle ou forcée par un ventilateur. Pour calculer le bilan thermique chaud de notre bâtiment, il faut calculer la chaleur transmise totale de ces deux formes de déperdition. [2]
2.2.1- Les déperditions surfaciques
Ce sont les déperditions transmises par une surface (mur, vitrage, plafonds, planché…). La formule pour calculer les pertes ou déperdition surfacique est :
𝑄𝑑𝑒𝑝 = � 𝑈. 𝐴. ∆𝑇
Avec : 𝑄𝑑𝑒𝑝 ; Chaleur transmise (W)
U ; coefficient global d’échange (𝑊 𝑚� 2. 𝐾)
∆𝑇 ; Température interne du local – Température externe ou local non-chauffe (K) A ; surface d’échange (𝑚2)
Avant de chercher le coefficient global d’échange de chaque composant du bâtiment, il faut savoir les différents matériaux de construction pour chaque composant.
24 Matériaux de construction
• Mur extérieur : - enduit 1.5cm - parpaing 10cm - rockwool 5cm - parpaing 15cm
- enduit 1.5cm - pierre 5cm • Mur intérieur (partition) : - enduit 2cm
- parpaing 20cm - enduit 2cm • Fenêtre : - vitre 6mm - air 6mm - vitre 6mm • Porte : - bois 10cm • Plancher : - carrelage 2cm - béton 5cm - béton 30cm • Plafond : - isolant de 2.5cm - béton 30cm
25 Coefficient global des différentes composants du bâtiment
Pour calculer le coefficient global d’un composant, il faut tout d’abord chercher sa résistance thermique ;
𝑈 �𝑊 𝑚� 2. 𝐾� = 1
𝑅𝑡ℎ�𝑚2. 𝐾� �𝑊
Et si la surface est composée de plusieurs éléments, on cherche la résistance thermique équivalente formée par ces éléments, en calculant cette résistance il ne faut pas oublier les résistances de convection qui représente la résistance de l’écoulement de l’air sur la surface intérieure et extérieure.
26
Table 1 : épaisseur et propriété thermique des différents matériaux de construction Source : ASHRAE Fundamentals (SI), 2005 edition
27
Table 2 : coefficient d’échange global des différents types de fenêtres Source : ASHRAE Fundamentals (SI), 2005 edition
28 • Mur extérieur : - résistance de convection intérieure ; 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,𝑖𝑛𝑡 = 0.12 𝑚2. 𝐾� 𝑊
- résistance de l’enduit ; 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑢𝑖𝑡 = 0.008 𝑚2. 𝐾� 𝑊
- résistance de parpaing 10cm ; 𝑅𝑝𝑎𝑟𝑝,15 = 0.096 𝑚2. 𝐾� 𝑊 - résistance de rockwool 5cm ; 𝑅𝑟𝑜𝑐𝑘𝑤𝑜𝑜𝑙 = 1.25 𝑚2. 𝐾� 𝑊 - résistance de parpaing 15cm ; 𝑅𝑝𝑎𝑟𝑝,15 = 0.096 𝑚2. 𝐾� 𝑊 - résistance de pierre 5cm ; 𝑅𝑝𝑖𝑒𝑟𝑟𝑒 = 0.04 𝑚2. 𝐾� 𝑊
- résistance de convection extérieure ; 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,𝑒𝑥𝑡= 0.04 𝑚2. 𝐾� 𝑊
𝑈𝑚𝑢𝑟 = ∑𝑅1 𝑖 =
1
0.12 + 2 × 0.008 + 2 × 0.096 + 1.25 + 0.04 + 0.04 = 0.579𝑊�𝑚2. 𝐾
Figure 11 : L’échange thermique dans un double mur Source : Mémoire de fin d’étude par Joseph Jabbour
29 • Partition : - résistance de convection intérieure ; 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,𝑖𝑛𝑡= 0.12 𝑚2. 𝐾� 𝑊
- résistance de l’enduit ; 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑢𝑖𝑡 = 0.038 𝑚2. 𝐾� 𝑊
- résistance de parpaing 20cm ; 𝑅𝑝𝑎𝑟𝑝,20 = 2 × 0.11 𝑚2. 𝐾� 𝑊 - résistance de convection extérieure ; 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,𝑒𝑥𝑡= 0.04 𝑚2. 𝐾� 𝑊
𝑈𝑝𝑎𝑟𝑡 =∑𝑅1 𝑖 =
1
0.12 + 2 × 0.038 + 2 × 0.11 + 0.04 = 2.2𝑊�𝑚2. 𝐾
• Fenêtre : 𝑈𝑓𝑒𝑛𝑒𝑡𝑟𝑒 = 2 𝑊 𝑚� 2. 𝐾
Figure 12 : échange thermique dans une vitre double
30 • Porte : - résistance de convection intérieure ; 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,𝑖𝑛𝑡= 0.12 𝑚2. 𝐾� 𝑊
- résistance de bois 10cm ; 𝑅𝑏𝑜𝑖𝑠= 0.66 𝑚2. 𝐾� 𝑊
- résistance de convection extérieure ; 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,𝑒𝑥𝑡= 0.04 𝑚2. 𝐾� 𝑊 𝑈𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒= ∑𝑅1
𝑖 =
1
0.12 + 0.66 + 0.04 = 1.22𝑊�𝑚2. 𝐾
• Plancher : - résistance de convection intérieure ; 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,𝑖𝑛𝑡= 0.16 𝑚2. 𝐾� 𝑊 - résistance de carrelage 2cm; 𝑅𝑐𝑎𝑟𝑟𝑒𝑙𝑎𝑔𝑒 = 0.01 𝑚2. 𝐾� 𝑊
- résistance de béton 5cm ; 𝑅𝑏𝑒𝑡𝑜𝑛,5 = 0.38 ÷ 4 𝑚2. 𝐾� 𝑊 - résistance de béton 30cm ; 𝑅𝑏𝑒𝑡𝑜𝑛,30= 0.16 𝑚2. 𝐾� 𝑊
- résistance de convection extérieure ; 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,𝑒𝑥𝑡= 0.04 𝑚2. 𝐾� 𝑊 𝑈𝑝𝑙𝑎𝑛𝑐ℎ𝑒𝑟 =∑𝑅1
𝑖 =
1
0.16 + 0.01 + 0.38 ÷ 4 + 0.16 + 0.04 = 2.15𝑊�𝑚2. 𝐾 • Plafond : - résistance de convection extérieure ; 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,𝑒𝑥𝑡 = 0.04 𝑚2. 𝐾� 𝑊
- résistance de l’isolant ; 𝑅𝑖𝑠𝑜𝑙𝑎𝑛𝑡= 0.88 𝑚2. 𝐾� 𝑊 - résistance de béton 30cm ; 𝑅𝑏𝑒𝑡𝑜𝑛,30= 0.16 𝑚2. 𝐾� 𝑊
- résistance de convection intérieure ; 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,𝑖𝑛𝑡 = 0.16 𝑚2. 𝐾� 𝑊
𝑈𝑝𝑙𝑎𝑓𝑜𝑛𝑑 =∑𝑅1 𝑖 =
1
31 Apres avoir cherché les coefficients globaux d’échange des différentes composants du
bâtiment et en connaissant les températures intérieures et extérieures, on peut trouver les déperditions surfaciques des différentes surfaces de ce bâtiment. [2]
2.2.2- Les déperditions par ventilation et infiltration
L’infiltration a lieu quand l’air extérieur pénètre à l’intérieur de l’immeuble à cause de la pression du vent. Donc c’est une déperdition car l’air froid qui entre dans le local doit être réchauffé. Toutefois quand il s’agit d’une ventilation mécanique forcée, on peut négliger le phénomène d’infiltration. Cet air entrant va transporter avec lui, deux types de chaleurs :
• Chaleur sensible due à la différence de température entre l’air intérieur et extérieur ; 𝑄𝑠 = 𝑞𝑚,𝑎̇ × 𝐶𝑝,𝑎× ∆𝑇𝑎
𝑄𝑠 : Chaleur sensible ; (W)
𝑞𝑚,𝑎̇ : Débit massique de l’air ; (𝐾𝑔 𝑠� )
𝐶𝑝,𝑎 : Chaleur massique de l’air ; (𝐽 𝐾𝑔.𝐾� )
∆𝑇𝑎 : Différence de température entre l’air intérieur extérieur (K)
• Chaleur latente due à la différence d’humidité entre l’air intérieur et extérieur ; 𝑄𝑙 = 𝑞𝑚,𝑎̇ × ℎ𝑓𝑔
𝑄𝑙 : Chaleur latente ; (W)
𝑞𝑚,𝑎̇ : Débit massique de l’air ; (𝐾𝑔 𝑠� )
ℎ𝑓𝑔 : Chaleur latente de vaporisation ; (𝐽 𝐾𝑔� )
Alors : 𝑄𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 𝑄𝑠+ 𝑄𝑙
32
2.3- Calcul de bilan thermique chaud
D’après tout ce qui procède, on peut passer à l’utilisation du logiciel HAP qui facilite le calcul du bilan thermique, par un simple remplissage des données déjà obtenues, pendant que des autres seront présentés par HAP selon les standards internationaux (ASHRAE 1993). On note que ce logiciel offre la possibilité d’établir des plans (horaires/calendriers) pour prévoir le comportement thermique du bâtiment en fonction du temps (éclairage, occupants, équipement, rayonnement solaire, etc…) et qui nous aide à connaitre comment doit être le comportement de nos systèmes après.
Le calcul sera fait local par local, pour passer à l’ensemble des locaux qui constituent l’appartement, et l’ensemble des appartements qui constituent chaque étage de la tour. [1]
2.3.1- HAP
HAP (hourly analysis program) est un logiciel pour la société CARRIER de calcul et de simulation énergétique thermique, plus précisément des charges calorifiques été/hiver des différents types de bâtiments. En plus, il sert à étudier les divers équipements des systèmes de climatisation tels que les GRL, chaudières, tour de refroidissement, etc.… [1]
Figure 13 : Logo HAP Source : Elias Haddad
33
2.3.2- Préparation des données
Tout d’abord il faut préciser les différents paramètres reliés au site : la région « Moyen Orient », l’emplacement « Liban », la ville « Beyrouth », et la température sèche de l’hiver «5°C».
Figure 14 : différents paramètres reliés au site, par HAP Source : Elias Haddad
34 Puis à chaque chambre de l’étage il faut faire les étapes suivantes :
• Préciser sa surface et sa hauteur
Figure 15 : différents paramètres reliés au site, par HAP Source : Elias Haddad
35 • Préciser les différents matériaux des composants de chaque chambre afin de déterminer le
coefficient global de ses composants
Figure 16: différents matériaux de construction reliés au composant de bâtiment Source : Elias Haddad
36 • Préciser la surface de chaque mur de la chambre, le nombre des fenêtres et portes
Figure 17 : différents composants de la chambre. Source : Elias Haddad
Toutes les données nécessaires que l’on va utiliser dans ce logiciel pour le « Bathroom » sont présentées ci-dessous :
37
Figure 18: différentes données de la chambre. Source : Elias Haddad
38
2.3.3- Besoin calorifique
Apres avoir terminé chaque chambre de l’étage; HAP nous montre les résultats de chaque zone à part:
Figure 19 : Besoin calorifique d’une chambre Source : Elias Haddad
39 On montre ci-dessous les tableaux comportant le besoin calorifique, de chaque chambre des différents étages, des données introduites au programme HAP.
ROOMS HEATING LOAD (KW)
AP P ART M E NT A BEDROOM 1 1.1 BATH 1 0.3 BEDROOM 2 1.1 BATH 2 0.3 CORRIDOR 0.6 GUEST W.C 0.1 ENTRANCE 1 SITTING ROOM 3.5 LIVING 4.1 DINING 1.6 MASTER BEDROOM 2.4 MASTER BATH 0.7 KITCHEN 1.7 MAID ROOM 0.7 MAID BATH 0.1 TOTAL 19.3
Table 3 : Tableau de puissance calorifique pour l’appartement A Source : Elias Haddad
40
Table 4 : Tableau de puissance calorifique pour le rez de chaussée Source : Elias Haddad
ROOMS HEATING LOAD (KW)
GR OU N G F L OOR KITCHEN 2.1 MAIDS ROOM 0.4 MAIDS BATH 0.1 GUEST W.C 0.2 DINING 1.6 RECEPTION 2.8 LIVING 3 CORRIDOR 1 0.4 BEDROOM 1 2 BATH 1 0.3 TV ROOM 2 DRESSING ROOM 1.8 BED ROOM2 1.3 BATH 2 0.4 MASTER BEDROOM 2 2.4 BATH MASTER 2 0.5 MASTER BEDROOM 1 4.5 BATH MASTER 1 0.5 TOTAL 26.3
41
ROOMS HEATING LOAD (KW)
AP P ART M E NT B DINING 2.3 LIVING 3.8 GUEST W.C 0.1 KITCHEN 1.6 ENTRANCE 0.4 CORRIDOR 0.4 MAID ROOM 0.2 BATH MAID 0.1 CORRIDOR 2 0.7 BATH 2 0.3 MASTER BEDROOM 1.4 MASTER BATH 0.3 BEDROOM1 1.2 BATH 1 0.3 BEDROOM 2 1.4 BATH 2 0.3 TOTAL 14.9
Table 5 : Tableau de puissance calorifique pour l’appartement B Source : Elias Haddad
2.4- Conclusion
D’après les tableaux ci-dessus, on obtient les valeurs calculées des puissances calorifiques totales de chaque appartement, qu’il faudra alors couvrir lors de la sélection des équipements.
42
Chapitre 3 : Plancher chauffant
3.1- Introduction
Le plancher chauffant est un mode de chauffage qui utilise la surface du sol pour chauffer. Le plancher chauffant est un procédé d'émission de chaleur destiné à chauffer un habitat ou un local utilisant la surface du sol pour chauffer l'air intérieur. Le principe consiste à chauffer peu une grande surface (le sol de l'habitat) au lieu de plusieurs petites surfaces très chaudes (radiateurs) en délivrant la même quantité de chaleur [7].
3.2- Fonctionnement
Le fonctionnement du plancher chauffant est basé sur la circulation de l'eau par des tuyaux en plastique acheminés à travers le plancher. La température de l'eau varie de 38 ° C à 48 ° C en fonction de la perte thermique, matériau du plancher et la location.
L’avantage principal de ce mode de chauffage c’est qu'il utilise le sol comme une unité de chauffage, ce qui signifie par conséquent une augmentation de la puissance de chauffage.
Une autre caractéristique importante est que les espaces sont chauffés indirectement, par le rayonnement de la chaleur du sol.
Plus précisément, l'eau chaude transmet la chaleur au béton thermique entourant les tuyaux en plastique, et le sol à son tour, émet de la chaleur.
43
Figure 20 : Schéma significatif du plancher chauffant.
Source: UNDERFLOOR HEATING SUBMITTAL – Technical submittal
Par cette façon, la chaleur est distribuée uniformément a l’appartement, ce qui atteindre l'objectif principal des systèmes de chauffage, qui est la distribution idéale de chaleur, ce qui donne un plus bon confort, tout en réduisant le cout de l’opération [8].
44
3.2- Méthode de construction
L’exemple de construction de plancher chauffant est indiqué dans le diagramme ci-dessous.
Figure 21: Diagramme de construction de plancher chauffant Source: UNDERFLOOR HEATING SUBMITTAL – Technical submittal
1. Enduit 2. Plinthe 3. Feuille isolante 4. Carrelage 5. Béton 6. Screed 7. Tuyau 8. Feuille de couverture
9. Isolation thermique (Rockwool) 10. Joint de construction (si nécessaire) 11. Plancher
45
3.4- Disposition des circuits
Les travaux devraient commencer au périmètre de la salle vers l'intérieur et lorsque le centre de la salle est atteint, la direction s’inverse.
Une distribution de température uniforme est assurée par la combinaison du retour et du circuit d'alimentation.
Figure 22 : Disposition des tuyaux sous forme spirale Source : MAS trading
Si les surfaces à chauffer sont très larges, les circuits doivent être séparés avec des joints d’expansion.
46 La norme propose d'utiliser les joints d’expansion du béton lorsque la surface de la salle est supérieure à 40 mètre carré ou une des parois est supérieure à 8 mètres.
Figure 23 : Les conditions d’installation des joints d’expansions Source : MAS trading
Le tuyau qui traverse les joints doit être protégé avec au moins 30 cm de tube ondulé pour le protéger contre les forces de cisaillement due a la différence de température entre une zone et autre, et finalement le joint ne doit pas traverser les loupes [8].
47
Figure 24 : L’installation correcte des joints d’expansions Source : MAS trading
Figure 25 : l’installation incorrecte des joints d’expansions Source : MAS trading
48
3.3- Le dimensionnement
Avant de commencer le dimensionnement il faut noter que la température du sol ne peut pas dépasser 37°C et chaque chambre peut arriver a une température de sol spécifique selon son utilisation
Table 6 : Température du sol maximal selon le type de la chambre Source: the European standard for project design
Pour savoir la longueur des tubes dans chaque chambre de l’appartement, il faut savoir tout d’abord le genre des carrelages installé dans la chambre, dans notre cas on a la céramique dans les toilettes et le marbre dans les salons et les chambres à coucher.
Chaque type a une résistance thermique différente, c’est pour cela la longueur des tuyaux change quand le carrelage change.
Il nous reste à chercher la quantité de chaleur transmis par un mètre de tuyau sous chaque type de carrelage.
Pour un tuyau de diamètre 16mm, la quantité de chaleur transmis par un mètre de tuyau est représenté dans le tableau ci-dessous ;
49
Table 7: Tableau des conductivités thermiques du différent carrelage Source: Technical information – sub-surface heating/cooling
La conductivité thermique de tuyau dépend du carrelage du sol : • La céramique : ƛ = 1.4 𝑊 𝑚.𝐾�
• Le marbre : ƛ = 3.5 𝑊 𝑚.𝐾�
L’émission de chaleur par le tuyau : 𝑄̇ = ƛ × 𝛥𝑇
Sachant que 𝛥𝑇 est la différence de température entre l’aller et le retour ; 𝛥𝑇 = 5°C : • La céramique : 𝑄̇ = 1.4 × 5 = 7 𝑊 𝑚�
50 Pour l’appartement A, la chambre à coucher contenant le marbre et qui a une déperdition de 1.1KW a besoin des tuyaux de longueur ;
𝐿 =𝑄 𝑄̇ =
1100
17.5 = 63 𝑚
Alors la longueur des tuyaux nécessaire dans chaque chambre de l’appartement A est :
AP P ART M E NT A ROOMS TILE HEATING LOAD (KW) PIPE LENGTH (m) BEDROOM 1 MARBRE 1.1 63 BATH 1 CERAMIQUE 0.3 43 BEDROOM 2 MARBRE 1.1 63 BATH 2 CERAMIQUE 0.3 43 CORRIDOR MARBRE 0.6 34 GUEST W.C CERAMIQUE 0.1 14 ENTRANCE MARBRE 1 57
SITTING ROOM MARBRE 3.5 200
LIVING MARBRE 4.1 234
DINING MARBRE 1.6 91
MASTER BEDROOM MARBRE 2.4 137
MASTER BATH CERAMIQUE 0.7 100
KITCHEN MARBRE 1.7 97
MAID ROOM MARBRE 0.7 40
MAID BATH CERAMIQUE 0.1 14
Table 8 : Tableau de longueur des tuyaux pour le plancher chauffant dans l’appartement A Source : Elias Haddad
51 Pour l’appartement B AP P ART M E NT B ROOMS TILE HEATING LOAD (KW) PIPE LENGTH (m) DINING MARBRE 2.3 131 LIVING MARBRE 3.8 217 GUEST W.C CERAMIQUE 0.1 14 KITCHEN MARBRE 1.6 91 ENTRANCE MARBRE 0.4 23 CORRIDOR MARBRE 0.4 23
MAID ROOM MARBRE 0.2 11
BATH MAID CERAMIQUE 0.1 14
CORRIDOR 2 MARBRE 0.7 40
BATH 2 CERAMIQUE 0.3 43
MASTER BEDROOM MARBRE 1.4 80
MASTER BATH CERAMIQUE 0.3 43
BEDROOM1 MARBRE 1.2 69
BATH 1 CERAMIQUE 0.3 43
BEDROOM 2 MARBRE 1.4 80
BATH 2 CERAMIQUE 0.3 43
Table 9 : Tableau de longueur des tuyaux pour le plancher chauffant dans l’appartement B Source : Elias Haddad
52 Et pour l’appartement qui se trouve dans le rez-de-chaussée
GR OU N G F L OOR ROOMS TILE HEATING LOAD (KW) PIPE LENGTH (m) KITCHEN MARBRE 2.1 120
MAIDS ROOM CERAMIQUE 0.4 57
MAIDS BATH CERAMIQUE 0.1 14
GUEST W.C CERAMIQUE 0.2 29 DINING MARBRE 1.6 91 RECEPTION MARBRE 2.8 160 LIVING MARBRE 3 171 CORRIDOR 1 MARBRE 0.4 23 BEDROOM 1 MARBRE 2 114 BATH 1 MARBRE 0.3 17 TV ROOM MARBRE 2 114
DRESSING ROOM MARBRE 1.8 103
BED ROOM2 MARBRE 1.3 74
BATH 2 CERAMIQUE 0.4 57
MASTER BEDROOM 2 MARBRE 2.4 137
BATH MASTER 2 CERAMIQUE 0.5 71
MASTER BEDROOM 1 MARBRE 4.5 257
BATH MASTER 1 CERAMIQUE 0.5 71
Table 10 : Tableau de longueur des tuyaux pour le plancher chauffant dans le rez-de-chaussée Source : Elias Haddad
53
3.4-Le coût
Le coût d’installation du plancher chauffant comprenant les tuyaux, les collecteurs, l’isolation thermique, les joints et le screed est:
60 $ 𝑚� (Estimation donnée par la société MAS trading) 2
Pour chercher le coût, il faut tout d’abord savoir la surface de chaque chambre de l’appartement
Appartement Surface (m2) Cout d'installation ($)
GF 450 $27,000.0 1-A 292 $17,520.0 2-A 292 $17,520.0 3-A 292 $17,520.0 4-A 292 $17,520.0 5-A 292 $17,520.0 1-B 255 $15,300.0 2-B 255 $15,300.0 3-B 255 $15,300.0 4-B 255 $15,300.0 5-B 255 $15,300.0
Table 11 : Le coût d’installation du plancher chauffant pour chaque appartement Source : Elias Haddad
54
Chapitre 4 : Pompe à chaleur
4.1- Introduction
Le potentiel d’utilisation de la chaleur à faible valeur énergétique pour le chauffage de locaux et l’eau chaude sanitaire est énorme. Ce type de chaleur existe en effet à peu près partout, qu’il s’agisse de chaleur rejetée, de chaleur ambiante ou de chaleur géothermique à faible profondeur. Son seul inconvénient est son bas niveau de température, qui empêche souvent son utilisation directe. Toutefois, la mise en œuvre d’un cycle thermodynamique permet de pallier ce défaut. Ainsi, la pompe à chaleur classique constitue une technologie clé pour l’utilisation des énergies renouvelables. Une pompe à chaleur doit être motorisée. Mais l’amélioration des conditions de fonctionnement permet de diminuer le gradient de température entre la source de chaleur et la chaleur dégagée, et donc les couts de fonctionnement. En premier lieu, il faut mentionner l’amélioration de la qualité des bâtiments: une maison bien isolée équipée d’un chauffage au sol est idéale pour l’utilisation d’une pompe à chaleur. [6]
4.2- Généralités
Le terme pompe à chaleur vient très probablement de sa comparaison avec la pompe à eau. Effectivement, le rôle d'une pompe à eau est de transférer une masse d'eau d'un niveau bas vers un niveau plus élevée. La pompe à chaleur a également pour rôle de transférer une quantité de chaleur d'un niveau bas en température vers un niveau plus élevé, donc c’est un système
prélevant de la chaleur à un milieu a basse température pour en fournir à un milieu a température plus élevé [4].
55
4.3- Diagramme log p, h
Pour représenter clairement le cycle de fonctionnement d’une pompe à chaleur on a besoin de diagramme log p, h ; qui nous permet de déduire les états et les modifications d’états du fluide réfrigérant.
Figure 26 : Variation des grandeurs d’état physiques dans le diagramme log p, h
Source : analyse et modélisation d’une pompe à chaleur avec éjecteur en mode chauffage – Cheick Samsidine SADIO, Papa Macodou SALL
Avec : log p: pression en bar s: entropie en kJ/kg h: enthalpie en kJ/kg
v: volume spécifique en m3/kg t: température en °C
56
4.3- Cycle de fonctionnement
Figure 27 : schéma du cycle de la pompe à chaleur
Source : analyse et modélisation d’une pompe à chaleur avec éjecteur en mode chauffage – Cheick Samsidine SADIO, Papa Macodou SALL
La pompe à chaleur fonctionne comme un « réfrigérateur inversé » constitué d’un circuit fermé dans lequel circule un fluide frigorigène à l’état liquide ou gazeux selon les organes qu’il traverse. Ces organes sont :
• Le compresseur • L’évaporateur • Le condenseur • Le détendeur
57 Le compresseur à un rôle d’aspirer le fluide frigorigène à l’état gazeux, qui lui comprime pour faire augmenter sa pression et sa température.
Le condenseur qui rejette la chaleur du fluide frigorigène pour qu’il passe de l’état gazeux à l’état liquide.
Le détendeur qui abaisse la pression du fluide frigorigène avant de l’introduire dans l’évaporateur.
L’évaporateur qui absorbe la chaleur du milieu extérieur et l’émet au liquide a basse pression et basse température pour augmenter sa température et le rendre à l’état gazeux. Ce gaz sera ainsi absorber par le compresseur et le cycle reprend [5].
Figure 28 : Le processus sans perte dans le diagramme log p, h
Source : analyse et modélisation d’une pompe à chaleur avec éjecteur en mode chauffage – Cheick Samsidine SADIO, Papa Macodou SALL
58
4.4- Sélection des pompes à chaleur
Le system pompe à chaleur utilisé dans chaque appartement est HITACHI - Modèle Yutaki-S comprenant:
• Une unité extérieure: Compresseur inverseur, échangeur de chaleur air - réfrigérant (évaporateur).
• Une unité intérieure (module hydraulique): échangeur de chaleur, réfrigérant - eau (condenseur), la pompe hydraulique, vase d’expansion.
• Un système de contrôle: l'unité de contrôle et d'affichage situé dans le module hydraulique pour le contrôle total de tous les systèmes de chauffage (Bouteille d’eau chaude sanitaire, Plancher chauffant, etc ...).
Figure 29 : pompe à chaleur YUTAKI S Source : Khater engineering and trading
59 Cette pompe à chaleur a besoin du fluide frigorigène R410a qui est un mélange binaire entre R2 (50%) et le R125 (50%). Le gaz R410a a une capacité de compression et une puissance frigorifique plus élevées que beaucoup d’autres fluides frigorigènes : il augmente donc les possibilités de chauffage de la pompe à chaleur. Le rendement énergétique du R410a est de 5% à 6% supérieur au R22 qu’il remplace : ce fluide mono composant est en effet stable durant les phases de changement d’état et n’occasionne donc pas de perte de rendement, contrairement au R407c par exemple.
Ce système est connecté à des collecteurs pour le plancher chauffant comme le montre le diagramme suivant :
Figure 30 : Diagramme schématique pour la pompe à chaleur Source : Khater engineering and trading
60 Pour sélectionner la pompe à chaleur pour chaque appartement on a besoin du:
- Besoin calorifique de l’appartement (déjà trouvé dans le chapitre 2)
- Température de sortie de l’eau de l’unité intérieure qui dépend du system utilisé pour le chauffage dans l’appartement (dans notre cas on a utilisé le plancher chauffant qui a besoin une température de 45°C)
- Et la température humide ambiante :
Pour chercher la température humide, on utilise le diagramme psychrométrique qui a une humidité relative de 60% et température sèche de 5°C, nous donne une température humide WB de 1.8°C (pour la sélection on utilise WB=0°C)
Figure 31 : Diagramme psychrométrique pour chercher la température humide Source : Elias Haddad
61 Donc en utilisant le tableau de capacité des pompes à chaleur présenté ci-dessous, on peut faire notre sélection.
Table 12 : Tableau de capacité des pompes a chaleur Source: Khater engineering and trading
*CAP: Capacity at compressor maximum frequency *IPT: Total input power
62
DESIGN REQUIREMENTS HITACHI YUTAKI-S SELECTION
ITEM AREA SERVED HEATING
CAPACITY CAP. REFERENCE
HEATING CAPACITY @ 45°C WT* & 0°C OAT* 1 GROUND FLOOR 26.30 KW 10 HP RAS-10 HRNM2E-AF + RWM-10 FSN3E 26.8 KW 2 1ST FLOOR APT-A 19.30 KW 8 HP RAS-8 HRNM2E-AF + RWM-8 FSN3E 21.2 KW 3 1ST FLOOR APT-B 14.90 KW 8 HP RAS-8 HRNM2E-AF + RWM-8 FSN3E 21.2 KW 4 2ND FLOOR APT-A 19.30 KW 8 HP RAS-8 HRNM2E-AF + RWM-8 FSN3E 21.2 KW 5 2ND FLOOR APT-B 14.90 KW 8 HP RAS-8 HRNM2E-AF + RWM-8 FSN3E 21.2 KW 6 3RD FLOOR APT-A 19.30 KW 8 HP RAS-8 HRNM2E-AF + RWM-8 FSN3E 21.2 KW 7 3RD FLOOR APT-B 14.90 KW 8 HP RAS-8 HRNM2E-AF + RWM-8 FSN3E 21.2 KW 8 4TH FLOOR APT-A 19.30 KW 8 HP RAS-8 HRNM2E-AF + RWM-8 FSN3E 21.2 KW 9 4TH FLOOR APT-B 14.90 KW 8 HP RAS-8 HRNM2E-AF + RWM-8 FSN3E 21.2 KW 10 5TH FLOOR APT-A 19.30 KW 8 HP RAS-8 HRNM2E-AF + RWM-8 FSN3E 21.2 KW 11 5TH FLOOR APT-B 14.90 KW 8 HP RAS-8 HRNM2E-AF + RWM-8 FSN3E 21.2 KW
Table 13 : Tableau de sélection des pompes a chaleur Source : Elias Haddad
*WT : water outlet temperature *OAT : outside air temperature
63 Donc on a deux types de pompe à chaleur qu’on doit utiliser dans notre projet de référence:
- RAS-10 HRNM2E-AF, RWM-10 FSN3E - RAS-8 HRNM2E-AF, RWM-8 FSN3E
Les dimensions RWM-(8.0/10.0)FSN3E sont : - Hauteur : 890mm
- Largeur : 670mm - Profondeur : 360mm
Figure 32 : Les dimensions de l’unité intérieure Source: Khater engineering and trading
64 Les dimensions RAS-(8.0/10.0)HRNM2E-AF sont :
- Hauteur : 1380mm - Largeur : 950mm - Profondeur : 370mm
Figure 33 : Les dimensions de l’unité extérieure Source: Khater engineering and trading
65 Le coefficient de performance, ou COP, d'une pompe à chaleur est le quotient de
la chaleur produite au condenseur par le travail fourni au compresseur; 𝐶𝑂𝑃 = ⎢𝑊𝑄⎢ (Voire table P.59)
D’après le tableau de capacité des pompes à chaleur on peut chercher le travail total de la pompe à chaleur choisie et sa capacité calorifique, donc on peut calculer le COP de chaque pompe à chaleur.
Figure 34 : schéma du cycle de la pompe à chaleur dans le diagramme log p, h Source : http://www.ef4.be/
66 HITACHI YUTAKI-S SELECTION
ITEM AREA SERVED REFERENCE IPT* (KW) HEATING COP CAPACITY @ 45°C WT & 0°C OAT (KW) 1 GROUND FLOOR RAS-10 HRNM2E-AF 8.94 26.8 3.0 + RWM-10 FSN3E 2 1ST FLOOR APT-A RAS-8 HRNM2E-AF 7.32 21.2 2.9 + RWM-8 FSN3E 3 1ST FLOOR APT-B RAS-8 HRNM2E-AF 7.32 21.2 2.9 + RWM-8 FSN3E 4 2ND FLOOR APT-A RAS-8 HRNM2E-AF 7.32 21.2 2.9 + RWM-8 FSN3E 5 2ND FLOOR APT-B RAS-8 HRNM2E-AF 7.32 21.2 2.9 + RWM-8 FSN3E 6 3RD FLOOR APT-A RAS-8 HRNM2E-AF 7.32 21.2 2.9 + RWM-8 FSN3E 7 3RD FLOOR APT-B RAS-8 HRNM2E-AF 7.32 21.2 2.9 + RWM-8 FSN3E 8 4TH FLOOR APT-A RAS-8 HRNM2E-AF 7.32 21.2 2.9 + RWM-8 FSN3E 9 4TH FLOOR APT-B RAS-8 HRNM2E-AF 7.32 21.2 2.9 + RWM-8 FSN3E 10 5TH FLOOR APT-A RAS-8 HRNM2E-AF 7.32 21.2 2.9 + RWM-8 FSN3E 11 5TH FLOOR APT-B RAS-8 HRNM2E-AF 7.32 21.2 2.9 + RWM-8 FSN3E
Table 14 : Tableau de coefficient de performance Source: Elias Haddad
*IPT: Total input power
4.5- Conclusion
67
Chapitre 5: Chaudière à mazout
5.1- Introduction
Une chaudière est un générateur de chaleur sous forme d'eau chaude, mais également d'eau surchauffée ou de vapeur. La chaudière peut fonctionner avec un combustible énergie fossile: chaudière au fioul, chaudière au gaz ou d'une énergie renouvelable pour les chaudière à granules ou à bois.
Une chaudière possède un brûleur, une chambre de combustion et un échangeur de chaleur dans lequel transite le fluide à chauffer. Les fabricants de chaudière n'ont de cesse d'améliorer la qualité de combustion, l'échange thermique, l'isolation pour limiter toutes pertes thermiques et la régulation afin d’avoir un meilleur rendement.
La chaudière fioul condensation, appelée chaudière mazout, possède également la
technologie condensation avec néanmoins la précaution d'échangeur inox du fait de fumées plus corrosives.
La chaudière au mazout dispose d'un corps de chauffe (en alliage, en acier ou en fonte) muni d'un brûleur [9].
5.2- Constituants d’une chaudière à mazout
Le brûleur
Le brûleur est un élément mécanique constitué de plusieurs pièces permettant la combustion du fuel domestique au sein d’une chaudière fuel. C’est cet élément qui assure la combustion du fuel en provenance de la cuve.
68 On trouve essentiellement sur le marché des brûleurs pulsés, c’est à dire munis d’un
ventilateur assurant l’arrivée de l’air servant à la combustion et l’évacuation des fumées résultant de la combustion du fuel [9].
Figure 35 : Fonctionnement et anatomie d’un bruleur de chaudière à fuel Source : http://www.energieplus-lesite.be
Le brûleur à fuel est composé essentiellement de sept éléments :
- La pompe à fuel : elle alimente la chaudière avec le fuel provenant de la cuve. Elle est équipée d’un régulateur de pression qui renvoie le surplus de fuel nécessaire à la combustion.
69 - Le ventilateur : il fournit au brûleur l’air nécessaire à la combustion du fuel. Son bon
fonctionnement permet de minimiser les résistances que rencontre l’air jusqu’à la flamme et les résistances rencontrées par la flamme dans la chambre de combustion.
- L’électrovanne : c’est une vanne qui fonctionne de manière automatique. Elle sert à alimenter le gicleur en fuel en quantité suffisante pour la combustion.
- Le gicleur : c’est la pièce maîtresse du brûleur. Le gicleur permet d’envoyer le fioul en gouttelettes de manière très dispersée de manière à en favoriser son mélange pour la combustion.
- Le réchauffeur de fuel : il permet de rendre le fuel contenu dans votre cuve moins visqueux afin d’en favoriser la combustion. Cette viscosité initiale est liée à la température de stockage dans la cuve mais aussi aux caractéristiques propres du fuel contenu dans votre cuve
- Les électrodes : ils permettent d’allumer la flamme.
- La tête de combustion : elle est composée de deux éléments. Un embout qui permet de guider la flamme, et un déflecteur qui permet de maintenir la flamme [9].
Le mode de fonctionnement du brûleur peut se décomposer de manière séquentielle :
- Pré-allumage : mise sous tension du transformateur qui permet le fonctionnement du moteur.
- Mise à feu : ouverture de l’électrovanne qui envoie le fuel vers le gicleur.
- Post-allumage : étape qui consiste à garder l’étincelle de se maintenir après l’apparition de la flamme, de telle sorte à la stabiliser,
- Régime de fonctionnement : mise hors tension du circuit d’allumage après stabilisation de la flamme,
- Arrêt : arrêt de l’électrovanne et du ventilateur puis mise hors tension du brûleur après utilisation de la chaudière (plus d’eau chaude ou extinction/non usage du chauffage) [9].
70
5.2- Le fonctionnement d’une chaudière à fioul
Avec un rendement de l’ordre de 90%, la chaudière standard demeure la plus courante et la moins onéreuse.
Afin d’éviter tout phénomène de condensation, ces chaudières au fioul standards nécessitent une température minimum d’irrigation de 60°C
Le fonctionnement des chaudières standard au fioul
Le fonctionnement d'une chaudière à fioul repose sur la combustion du fioul domestique. Pour que le phénomène de combustion se produise, il faut que le fioul soit porté à une certaine température en présence d'oxygène (on parle notamment d'air comburant). L'élément qui va permettre le mélange entre les deux et créer la combustion est le brûleur.
Cette combustion produit de la chaleur, qui elle-même va réchauffer un circuit d’eau, permettant ainsi de la réchauffer.
Cette eau permettra d’alimenter vos radiateurs, votre plancher chauffant, etc. (Dans notre cas elle va alimenter le plancher chauffant).
La chaleur produite par la combustion du fioul domestique peut également servir à chauffer l'eau que vous utilisez au quotidien [9].
71
5.3- Sélection des chaudières
Pour sélectionner la chaudière pour chaque appartement, il faut savoir le besoin calorifique de l’appartement, alors d’après les tableaux déjà faites dans le chapitre 1, on choisit une chaudière qui couvre ce besoin calorifique.
Table 15 : Tableau des différents types de chaudière Source: GT 120 standing boiler _ ADVANCE
72
Figure 36: Les dimensions des différents types de chaudières Source: GT 120 standing boiler _ ADVANCE
Les caractéristiques des chaudières à mazout choisies pour tous les appartements sont résumées ci-dessous : - Hauteur : 1475mm - Largeur : 600mm - Profondeur : 1386mm - Poids : 379Kg - Marque : De Dietrich - Modèle : GT 1200 - Rendement : 90% - Puissance : 16 à 33kW
73
Chapitre6 : Chaudière gaz à condensation
6.1- Généralités
La chaudière à condensation est une chaudière ayant la particularité de tirer profit de la chaleur latente de la vapeur d’eau contenue dans les gaz d’échappement, en condensant ces vapeurs avant de rejeter l’eau sous forme liquide. Ainsi le rendement (rapport de l’énergie fournie au circuit d’eau chaude par la chaudière sur la chaleur émise lors de la combustion) de cette chaudière atteint jusqu'à 109%. [10]
6.2- Principe de fonctionnement
Dans une chaudière classique, même à haut rendement (basse ou très basse température), les pertes thermiques de la chaudière se font principalement par les fumées : en premier lieu, par la température des fumées, qui est plus importante que de l’air de combustion, et d’autre part par la vapeur d’eau contenue dans ces fumées. L’eau contenue dans les fumées est issue de la réaction chimique de la combustion qui, si la chaudière est bien réglée, ne produit que de la vapeur d’eau H2O et du CO2.
74
Figure 37 : fonctionnement simplifié d’une chaudière gaz à condensation Source : http://blog-brico-depot.fr
Lors du refroidissement de la vapeur d’eau, le passage de l’état gazeux a l’état liquide, restitue de l’énergie, appelée chaleur latente de liquéfaction, qui est perdue si les vapeurs d’eau s’échappent dans l’atmosphère. Le rôle de la chaudière à condensation est donc de récupérer une partie de cette énergie, en condensant la vapeur d’eau des fumées d’échappement, et de la
transférer à l’eau du circuit de chauffage.
On utilise un échangeur condenseur dans lequel circule l’eau de retour chauffage à une température relativement basse par rapport a celle de sortie. La chaudière à condensation est particulièrement adaptée au chauffage « basse température » ou « chaleur douce ».
75 Les autres types de chaudières évacuent vers la cheminée, en pure perte, des gaz de
combustion dont la température atteint parfois 300°C. La température des gaz évacués est en ce cas comprise entre 45 et 70°C, le rendement de la chaudière augmente et les pertes à la cheminée diminuent. [10]
6.3- Rendement
Le rendement PCI (pouvoir calorifique inferieur) de la chaudière est le rapport de l’énergie fournie par la chaudière et de l’énergie dégagée par la combustion. Il néglige la chaleur latente de liquéfaction, que le rendement PCS (pouvoir calorifique supérieur) intègre.
PCI = énergie fournie par la chaudière / énergie dégagée par la combustion PCS = PCI + chaleur latente de liquéfaction
En générale, pour les gaz, PCS = PCI + 11%
Intérêts économique
- Moindre consommation de combustibles (moins de 6% si en fioul, et de 11% si a gaz) - Elles abaissent la facture de gaz de 20% et le retour sur investissement ne dépasse pas 5
ans.
Intérêts écologiques :
- Les fumées issues de la combustion sont évacuées à des températures inferieures (60°C au lieu de 200°C comme moyenne)
- La chaudière à condensation permet en effet une nette réduction des émissions de gaz à effet de serre : le gaz propane est une énergie propre et de plus, le bruleur hémisphérique
76 radiant assure des performances écologiques exceptionnelles en divisant jusqu'à 5 les émissions mono-oxyde de carbone d’oxyde d’azote (les responsables du gaz de serre)
CO < 22mg/KWh NOx < 30mg/KWh - Moindre consummation de combustible. [10]
6.4- Sélection des chaudières gaz à condensation
Pour sélectionner la chaudière pour chaque appartement, il faut savoir le besoin calorifique de l’appartement, alors d’après les tableaux déjà faites dans le chapitre 1, on choisit une chaudière qui couvre ce besoin calorifique, le bilan chaud pour tous les appartements est compris entre 14.9 et 26.3KW, donc une chaudière qui peut couvrir de 17 a 75KW est suffisante pour chaque
appartement.
Figure 38 : différentes capacités des chaudières à condensation Source: Khater engineering and trading
77
Figure 39 : Figure 40: Les dimensions de la chaudière à condensation Source: Khater engineering and trading
Les caractéristiques des chaudières gaz à condensation choisies pour tous les appartements sont résumées ci-dessous : - Hauteur : 900mm - Largeur : 445mm - Profondeur : 440mm - Poids : 46Kg - Marque : Ferroli
- Modèle : Energy top W80 - Rendement sur PCI : 106% - Puissance : 17 à 75 kW
78
Chapitre 7 : Consommation et coût
Pour comparer la consommation économique de ces trois systèmes, il faut calculer la consommation d’énergie de chaque système. Alors il faut savoir le nombre des jours froids au Liban.
Figure 41 : Variation de la température au Liban durant l’année Source : https://weatherspark.com
Or à Beyrouth on a 4 mois froids : Décembre, Janvier, Février, Mars. Alors la durée de fonctionnement du chauffage est de 121 jours/an, avec un fonctionnement moyen par jour de 14h.
79
7.1- La consommation et le coût de la pompe à chaleur
Le coefficient de performance, ou COP, d'une pompe à chaleur est le quotient de la chaleur produite par le travail fourni ; 𝐶𝑂𝑃 = 𝑄
𝑊
Avec Q est le besoin calorifique de chaque appartement, donc 𝑊 = 𝑄
𝐶𝑂𝑃
La durée de fonctionnement de la pompe à chaleur est de : 121 × 14 = 1694 ℎ/𝑎𝑛 Alors la consommation de la pompe à chaleur devient : 𝑊 × 1694
Le coût d’un KWh chez EDL (électricité du Liban) est 0.13$.
Donc le coût de consommation annuel de la pompe à chaleur est : 𝑊 × 1694 × 0.13
Appartement COP Besoin calorifique (KW) W (KW) Consommation de la pompe a chaleur (KWh/an) Cout de consommation ($/an) GF 3 26.3 8.8 14850.7 $1,975.1 1-A 2.9 19.3 6.7 11273.9 $1,499.4 2-A 2.9 19.3 6.7 11273.9 $1,499.4 3-A 2.9 19.3 6.7 11273.9 $1,499.4 4-A 2.9 19.3 6.7 11273.9 $1,499.4 5-A 2.9 19.3 6.7 11273.9 $1,499.4 1-B 2.9 14.9 5.1 8703.7 $1,157.6 2-B 2.9 14.9 5.1 8703.7 $1,157.6 3-B 2.9 14.9 5.1 8703.7 $1,157.6 4-B 2.9 14.9 5.1 8703.7 $1,157.6 5-B 2.9 14.9 5.1 8703.7 $1,157.6
Table 16 : Tableau de consommation des pompes a chaleurs Source : Elias Haddad
80 Le coût initial comprenant l’installation d’une pompe à chaleur 8HP est 10750$, et on a besoin des pièces de rechange qui coûtent 430$ (4% du cout initial), tandis que le coût initial comprenant l’installation d’une pompe à chaleur 10HP est 13000$, et les pièces de rechange coutent 520$.
HITACHI YUTAKI-S COST
ITEM AREA SERVED REFERENCE INITIAL COST SPARE PARTS
TOTAL COST
1 GROUND FLOOR RAS-10 HRNM2E-AF $13,000.00 $520.00 $13,520.00 + RWM-10 FSN3E
2 1ST FLOOR APT-A RAS-8 HRNM2E-AF $10,750.00 $430.00 $11,180.00 + RWM-8 FSN3E
3 1ST FLOOR APT-B RAS-8 HRNM2E-AF $10,750.00 $430.00 $11,180.00 + RWM-8 FSN3E 4 2ND FLOOR APT-A RAS-8 HRNM2E-AF $10,750.00 $430.00 $11,180.00 + RWM-8 FSN3E 5 2ND FLOOR APT-B RAS-8 HRNM2E-AF $10,750.00 $430.00 $11,180.00 + RWM-8 FSN3E 6 3RD FLOOR APT-A RAS-8 HRNM2E-AF $10,750.00 $430.00 $11,180.00 + RWM-8 FSN3E 7 3RD FLOOR APT-B RAS-8 HRNM2E-AF $10,750.00 $430.00 $11,180.00 + RWM-8 FSN3E
8 4TH FLOOR APT-A RAS-8 HRNM2E-AF $10,750.00 $430.00 $11,180.00 + RWM-8 FSN3E
9 4TH FLOOR APT-B RAS-8 HRNM2E-AF $10,750.00 $430.00 $11,180.00 + RWM-8 FSN3E
10 5TH FLOOR APT-A RAS-8 HRNM2E-AF $10,750.00 $430.00 $11,180.00 + RWM-8 FSN3E
11 5TH FLOOR APT-B RAS-8 HRNM2E-AF $10,750.00 $430.00 $11,180.00 + RWM-8 FSN3E
Table 17 : Tableau des couts d’installation des pompes a chaleurs Source: Khater engineering and trading
Le coût d’installation total du système PAC (pompe à chaleur) dans tout l’immeuble est 125320$.
81
7.2- La consommation et le coût de la chaudière à mazout
Le rendement de la chaudière à mazout est de 90% au cours de l’année de l’utilisation. Il est défini par :
𝑅 = 𝑄𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑒 = 0.9 Avec 𝑄𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒 dépend de l’appartement choisit.
Donc 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑒 =𝑄𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒
0.9 pour chaque chaudière.
La durée de fonctionnement de la chaudière à mazout est de : 121 × 14 = 1694 ℎ/𝑎𝑛 Alors sa consommation devient : 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑒 × 1694
La puissance calorifique du fioul est : 10500Kcal/Kg, avec une densité de 0.85Kg/L, sachant que 1𝐾𝑊ℎ = 860𝐾𝑐𝑎𝑙, donc la production de chaleur par un litre de fioul est :
10500 × 0.85 ÷ 860 = 10.4𝐾𝑊ℎ/𝐿
Le cout d’un litre de fioul au Liban = 0.6$
82 Appartement Besoin calorifique (KW) Q entrée (KW) Consommation de la chaudière (KWh/an) Cout de consommation ($/an) GF 26.3 29.2 49502.4 $2,970.1 1-A 19.3 21.4 36326.9 $2,179.6 2-A 19.3 21.4 36326.9 $2,179.6 3-A 19.3 21.4 36326.9 $2,179.6 4-A 19.3 21.4 36326.9 $2,179.6 5-A 19.3 21.4 36326.9 $2,179.6 1-B 14.9 16.6 28045.1 $1,682.7 2-B 14.9 16.6 28045.1 $1,682.7 3-B 14.9 16.6 28045.1 $1,682.7 4-B 14.9 16.6 28045.1 $1,682.7 5-B 14.9 16.6 28045.1 $1,682.7
Table 18 : Tableau de consommation des chaudières Source : Elias Haddad
La consommation totale de l’immeuble en utilisant la chaudière normale à mazout est : 22,282$/an
Le coût initial comprenant la chaudière à mazout de capacité 33KW, le bruleur et le réservoir de mazout est 20500$, et on a besoin des pièces de rechange qui coûtent 820$ (4% du coût initial).
83 BOILER COST
ITEM AREA SERVED REFERENCE INITIAL COST SPARE PARTS TOTAL COST
1 GROUND FLOOR GT1200 $20,500.00 $520.00 $21,020.00 2 1ST FLOOR APT-A GT1200 $20,500.00 $520.00 $21,020.00 3 1ST FLOOR APT-B GT1200 $20,500.00 $520.00 $21,020.00 4 2ND FLOOR APT-A GT1200 $20,500.00 $520.00 $21,020.00 5 2ND FLOOR APT-B GT1200 $20,500.00 $520.00 $21,020.00 6 3RD FLOOR APT-A GT1200 $20,500.00 $520.00 $21,020.00 7 3RD FLOOR APT-B GT1200 $20,500.00 $520.00 $21,020.00 8 4TH FLOOR APT-A GT1200 $20,500.00 $520.00 $21,020.00 9 4TH FLOOR APT-B GT1200 $20,500.00 $520.00 $21,020.00 10 5TH FLOOR APT-A GT1200 $20,500.00 $520.00 $21,020.00 11 5TH FLOOR APT-B GT1200 $20,500.00 $520.00 $21,020.00
Table 19 : Tableau des couts d’installation des chaudières à mazout Source: Khater engineering and trading
Le coût d’installation total du système dans tout l’immeuble est 231220$.
7.3- La consommation et le coût de la chaudière gaz à condensation
Le rendement de la chaudière gaz à condensation est de 106% au cours de l’année de l’utilisation. Il est défini par𝑅 = 𝑄𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑒 = 1.06 Avec 𝑄𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒 dépend de l’appartement choisi.
Donc 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑒 = 𝑄𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒
