République du Benin
Université d’Abomey-Calavi
Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi
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Département de Génie Mécanique et Energétique
OPTION : ENERGETIQUE
Mémoire de fin de Formation
Pour l’obtention du diplôme d’Ingénieur de conception
Thème :
Economie d’énergie dans le bâtiment :
Etude comparative des systèmes de climatisation Mono-split et à Volume de Réfrigérant Variable (VRV)
Soutenu publiquement par DOSSOU Charles devant un jury composé de :
Docteur AKOWANOU Christian : Président du jury Docteur CHAFFA Gédéon : Membre du jury
Docteur AWANTO Christophe : Maître de mémoire
Date de soutenance : 17 Décembre 2015 Année académique 2014-2015
Dédicace
A VODOUNON-AGBANKPE Camille
Remerciements
Ce travail est le fruit des efforts conjugués de tout un monde de bonne volonté, sans lequel, l’aboutissement de ce travail se révélerait très difficile voire impossible.
J’adresse mes vifs remerciements à mon maître de mémoire, Docteur AWANTO Christophe pour m’avoir accordé son temps et son attention malgré ses multiples occupations. Je lui exprime toute ma gratitude pour avoir fait preuve de patience, d’attention et de compréhension durant la rédaction de ce document.
Mes remerciements vont à l’endroit de tous les enseignants de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC), particulièrement à ceux du Génie Mécanique et Energétique (GME) pour tous les enseignements, instructions et conseils qu’ils m’ont donnés durant mes cinq années de formation en vue du diplôme d’Ingénieur de conception.
Merci aux ingénieurs ADDA Richard, HOUNGBEDJI Auguste pour m’avoir soutenu par leurs divers conseils et informations qu’ils m’ont prodigués et fournis au cours de la rédaction de ce document.
Que tous mes camarades de classe avec lesquels j’ai fait cette randonnée longue de cinq années, reçoivent mes sincères remerciements pour leurs diverses aides et contributions qu’elles soient petites ou grandes.
J’ai une pensée noble et pleine de gratitude à l’endroit de mes chers parents DOSSOU Sehounnou René et HOUNKPONOU Pierrette, à tous mes frères et sœurs pour leur soutien et compréhension.
Je ne pourrais oublier de remercier tous mes chers amis et amies pour leurs soutiens, conseils et moments heureux qu’ils m’ont accordés tout au long
de cet écrit et qu’ils ne cessent de renouveler chaque jour. Qu’ils trouvent dans ce modeste travail l’expression de leur importante collaboration.
Puisse Dieu combler au centuple de ses bienfaits toute personne qui se reconnaitra avoir contribué un tant soit peu à l’édification de cette œuvre.
Résumé
La situation énergétique mondiale et de celle du Bénin, pays dont la survie sur le plan de l’énergie dépend quasi-totalement de l’extérieur, en particulier impose un choix désormais mûri des systèmes énergétiques utilisés.
Le secteur de la climatisation des bâtiments administratifs, grand consommateur d’énergie au plan national, se révèle être un véritable gisement d’économie d’énergie et d’argent. Notre étude se propose donc de faire une comparaison entre deux systèmes de climatisation utilisés sur le plan national.
Les vecteurs de cette comparaison ont été la consommation annuelle d’énergie et le coût de cycle de vie de chaque système
Les deux systèmes que nous avons ciblés sont : les systèmes unitaires mono-split et les systèmes centralisés VRV (Volume de Réfrigérant Variable). La simulation thermique dynamique sur EnergyPlus couplée à l’analyse de coût de cycle de vie effectuée sur un bâtiment localisé au Bénin a montré que les VRV ont une consommation électrique de plus de 28% de moins que les systèmes mono-split.
Les systèmes VRV ont un coût d’investissement largement élevé au-dessus de celui des mono-split. Cependant l’analyse de coût de cycle de vie a révélé que le délai de récupération simple est de 06 années 3mois.
Mots clés : VRV, mono-split, EnergyPlus, simulation thermique dynamique, analyse de coût de cycle de vie
Abstract
The world energy situation and that of Benin particularly, country whose survival in the field of energy depends almost entirely on outside, imposes a matured choice from now on of the energy systems used.
The sector of the air-conditioning of the administrative buildings, large consumer of energy at the national level, proves to be a true layer of money and energy savings. Our study thus proposes to make a comparison between two systems of air-conditioning used on the national level. The vectors of this comparison were the yearly consumption of energy and the life cycle cost of each system.
The systems which we targeted are: split systems and VRV systems (Variable Refrigerant Volume Systems). Dynamic thermic simulation on EnergyPlus coupled with the analysis of cost of cycle of life executed on a virtual building located on Benin precisely at Cotonou showed the VRV have an electric consumption of more than 28% less than the Split systems.
Systems VRV have a largely high capital cost above that of Split Systems.
However the life cycle cost analysis revealed that simple payback period is 06 years.
Keywords: VRV, Split systems, EnergyPlus, Dynamic thermic simulation, Life cycle cost analysis
Table des matières
Dédicace ... i
Résumé ... iv
Abstract ... v
Liste des tableaux ... viii
Liste des figures ...ix
Liste des abréviations et sigles ...xi
INTRODUCTION GENERALE ... 1
Chapitre 1 : Revue bibliographique sur la STD, les systèmes VRV et l’ACCV ... 5
1.1. Simulation thermique dynamique des bâtiments ... 5
1.1.1. Comportement énergétique d’un bâtiment et de ses charges ... 5
1.1.2. Les charges thermiques dans un bâtiment ... 6
1.1.3. Définition de la simulation thermique dynamique de bâtiment ... 8
1.1.4. Principe ... 8
1.1.5. Les grandes étapes d’un projet STD ... 9
1.2. Les différents systèmes de climatisation... 13
1.2.1. Présentation de la machine frigorifique ... 14
1.2.2. Les systèmes à détente directe ... 15
1.3. Analyse de coût de cycle de vie (ACCV) ... 26
1.3.1. Les bases de la notion de coût de cycle de vie... 28
1.3.2. Calcul du coût de cycle de vie ... 28
1.3.3. Le critère de la valeur actuelle nette ... 30
1.3.4. Le critère d’indice de profitabilité ... 31
1.3.5. Critère du délai de récupération ... 32
Chapitre n° 2: Modélisation et simulation thermique dynamique du bâtiment d’étude ... 38
2.1. Présentation du bâtiment type ... 38
2.1.1. Conception architecturale du bâtiment ... 39
2.1.2. Localisation et orientation du bâtiment ... 39
2.1.3. Constitution de l’enveloppe thermique des locaux du bâtiment. ... 39
2.2. Zonage thermique du bâtiment ... 42
2.3. Activité au sein du bâtiment ... 43
2.3.1. Occupation des zones du bâtiment... 43
2.3.2. Eclairage des zones du bâtiment ... 45
2.3.3. Infiltration d’air dans les zones du bâtiment ... 46
2.3.4. Equipements électriques utilisés dans les locaux ... 48
2.4. Présentation du logiciel de simulation : EnergyPlus ... 49
2.5. Simulation thermique du bâtiment ... 51
2.5.1. Bilan thermique des charges de climatisation au sein de chaque zone du bâtiment ... 51
Chapitre n°3 : Evaluation des consommations électriques de chaque système ... 57
3.1. Bases de la simulation ... 57
3.2. Simulation du système VRV sous EnergyPlus ... 57
3.2.1. Résultats de la simulation du bâtiment + système VRV ... 59
3.3. Simulation des systèmes mono-split sous EnergyPlus ... 60
3.3.1. Résultats de la simulation du bâtiment + systèmes Mono-split ... 61
Chapitre n° 4 : Analyse de coût cycle de vie ... 65
4.1. Période d’étude de l’analyse de coût de cycle de vie (ACCV) ... 65
4.2. Evaluation des coûts nécessaires à l’ACCV ... 65
4.2.1. Cas des systèmes mono-split ... 65
4.2.2. Cas du système VRV ... 68
4.2. Simulation du coût de cycle de vie de chaque système ... 71
4.2.1. Cas des systèmes mono-split ... 71
4.2.2. Cas du système VRV ... 72
4.3. Evaluation de la valeur actuelle nette ... 72
4.4. Evaluation des délais de récupération ... 72
4.4.1. Délai de récupération simple ... 73
4.4.2. Délai de récupération actualisé ... 73
CONCLUSION GENERALE ... 76
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 78
ANNEXE 1 : Plan du bâtiment tiré du code d’efficacité énergétique ... 82
ANNEXE 2 : Vues du bâtiment d’étude ... 83
ANNEXE 3 : Présentation des outils de simulation du logiciel EnergyPlus ... 85
ANNEXE 4 : Choix des systèmes de climatisation ... 86
ANNEXE 5 :Pro-forma ... 89
Liste des tableaux Tableau 1: Quelques logiciels de simulation ainsi que leurs origines. --- 9
Tableau 2: Caractéristiques physiques et thermiques des couches des murs du bâtiment --- 40
Tableau 3: Caractéristiques physiques et thermiques des couches du plancher du bâtiment40 Tableau 4 : Caractéristiques physiques et thermiques des couches de la toiture du bâtiment. --- 41
Tableau 5 : Dimensions et matériaux des portes --- 41
Tableau 6: Caractéristiques physiques et thermiques du Bois--- 42
Tableau 7: Caractéristiques physiques et thermiques des fenêtres du bâtiment. --- 42
Tableau 8: Zonage du bâtiment --- 42
Tableau 9: Regroupement des zones --- 43
Tableau 10: Densités d’occupation des zones du bâtiment [21] [12] --- 43
Tableau 11: Profils journaliers d’occupation [21] --- 44
Tableau 12: Profils hebdomadaires d’occupation --- 44
Tableau 13: Profils annuels d’occupation --- 44
Tableau 14: Profils annuels d’occupation par zones --- 45
Tableau 15: Densités d’éclairage des zones du bâtiment [5] --- 45
Tableau 16: Profils journaliers d’éclairage [21] --- 45
Tableau 17: Profils hebdomadaires d’éclairage --- 46
Tableau 18: Profils annuels d’éclairage --- 46
Tableau 19: Profils annuels d’éclairage par zone --- 46
Tableau 20: Taux d’infiltration et de renouvellement des zones du bâtiment [21] --- 46
Tableau 21: Profils journaliers d’infiltration et de renouvellement --- 47
Tableau 22: Profils hebdomadaires d’infiltration et de renouvellement --- 47
Tableau 23: Profils annuels d’infiltration et de renouvellement --- 47
Tableau 24 : Profils annuels d’infiltration et de renouvellement par zones --- 48
Tableau 25: Equipements électriques au sein de chaque zone du bâtiment [10] --- 48
Tableau 26: Charges de climatisation par zone --- 52
Tableau 27: Consommation électriques mensuelles du système VRV --- 59
Tableau 28: Consommations électriques mensuelles des systèmes mono-split --- 62
Tableau 29: Récapitulation des simulations --- 63
Tableau 30. : Modèles de systèmes mono-split par zone --- 66
Tableau 31: Unités intérieures du système VRV choisies --- 69
Tableau 32: Prix des unités du système VRV. --- 70
Tableau 33 : Paramètres de calcul du coût de cycle de vie : système Mono-split --- 71
Tableau 34 : Paramètres de calcul du coût de cycle de vie : Système VRV --- 72
Tableau 35: Calcul du délai de récupération simple --- 73
Tableau 36: Calcul du délai de récupération actualisé --- 73
Liste des figures Figure 1 : Machine frigorifique [8] ... 14
Figure 2: Climatiseur fenêtre ou window [9] ... 16
Figure 3: Système de climatisation mono-split [10] ... 18
Figure 4 : Régulation INVERTER [10] ... 18
Figure 5: Unités extérieures d’un bâtiment érigé à Cotonou dont des locaux sont climatisés par des systèmes mono-split ... 19
Figure 6: a. Multi-split à un seul compresseur b. Multi-split à plusieurs compresseurs [11] .. 20
Figure 7: Systèmes VRV [8] ... 21
Figure 8: Description schématique des HP-VRF [13]... 22
Figure 9: Description schématique d’un HR-VRF en mode de production majoritaire de froid. [13] ... 23
Figure 10: Unités extérieures de systèmes VRV de marque DAIKIN en cours d’installation sur un chantier au cœur de la ville de Cotonou. ... 25
Figure 11: Une unité intérieure de type cassette d’un système VRV de marque AIRWELL installé dans la ville de Cotonou... 26
Figure 12: Plan coté du bâtiment d’étude. ... 38
Figure 13 : Evolution de la température moyenne mensuelle du site du bâtiment... 52
Figure 14: Températures intérieures des zones Bureau d’agents d’hygiène et toilettes1 ... 53
Figure 15: Températures intérieures des zones Bureau d’agents comptables et magasin de matériel ... 53
Figure 16: Températures intérieures des zones Pharmacie de stockage et salle de réunion . 54 Figure 17: Températures intérieures des zones Bureau de gestionnaires comptables et toilettes2 ... 54
Figure 18: Températures intérieures des zones Bureau du médecin chef et du secrétariat. . 55
Figure 19: Températures intérieures des zones Bureau des archives, de la caisse et du Hall 55 Figure 20: Programme annuel de fonctionnement du système VRV ... 57
Figure 21: Modélisation des systèmes VRV sous EnergyPlus [23] ... 58
Figure 22: Répartition par usage des consommations électriques dans le bâtiment-Système VRV ... 59
Figure 23: Consommations mensuelles dues revenant aux systèmes VRV. ... 60
Figure 24 : Diagramme schématique des modèles de systèmes mono-split sous EnergyPlus 61 Figure 25: Répartition par usage de consommations électriques dans le bâtiment ... 61
Figure 26: Consommations électriques mensuelles des systèmes mono-split ... 62
Figure 27: Modèle westpoint [26] ... 66
Figure 28: Unité extérieure AWAU-YCV280-H13 et modèle HAV d’une unité intérieure de marque AIRWELL. [27] ... 69
Liste des abréviations et sigles
: Volume de Réfrigérant Variable ou Variable Refrigerant Volume : Variable Refrigerant Flow
: Simulation thermique dynamique
ACCV : Analyse de Coût de Cycle de Vie
: Le coût total de cycle de vie d’un système : Coût d’investissement actualisé,
: Coût de remplacement actualisé,
: Valeur résiduelle moins le coût de cession : Coût de la consommation énergétique
: Valeur actualisée du coût de l’eau
& : Valeur des coûts d’opération n’utilisant pas de combustibles, coût de la maintenance et coût de réparations.
: Valeur Actuelle Nette : Indice de profitabilité
Introduction générale
INTRODUCTION GENERALE
L’énergie depuis toujours est restée un enjeu capital dans les progrès de l’humanité et dans le développement des nations prises individuellement. A l’échelle mondiale, elle est basée principalement sur les énergies fossiles (80%
de la production mondiale en 2010 est basée sur les énergies fossiles) [1].
Aujourd’hui plus que jamais, la question de l’énergie fait l’objet de l’actualité mondiale. Ceci est dû au fait que les réserves d’énergies fossiles tarissent à une vitesse fulgurante (par exemple la réserve de pétrole estimée en 2011 ne permettra de pourvoir aux besoins mondiaux en énergie que pendant une cinquantaine d’année encore) et l’impact de la consommation énergétique sur l’environnement se fait de plus en plus ressentir. Conséquence, le coût de l’énergie a considérablement augmenté. Utiliser l’énergie de façon efficace ou efficiente se présente donc comme une mesure incontournable de lutte contre la crise. Cette efficacité énergétique est définie comme une utilisation rationnelle des ressources énergétiques, c’est-à-dire réduire au maximum l’énergie utilisée pour fournir un service.
La crise énergétique actuelle ne laisse en marge aucun pays. Ces effets sont particulièrement ressentis au niveau des pays dont les sources d’énergies sont limitées, tel que le Bénin. Il est notoire que le Bénin, pays d’Afrique occidentale, connaît depuis 1996 des crises énergétiques répétées. Ces crises sont dues à l’insuffisance de la production d’électricité au plan national et à la dépendance énergétique vis-à-vis de l’extérieur qui pèse sur la balance commerciale déjà déficitaire. Toutefois, l’accès pour tous à l’énergie par la création d’un environnement sain et durable, occupe une place importante dans la réalisation des objectifs du millénaire pour le développement (OMD) qu’il s’est engagé à atteindre depuis l’année 2000. Afin d’atteindre ce noble objectif, il est important d’utiliser de façon efficace l’énergie actuellement disponible.
Le secteur des services est le troisième secteur le plus énergivore sur le plan national avec un pourcentage de 9,5% [2]. Il englobe principalement les bâtiments publics. Ces derniers constituent un véritable gisement d’économie d’énergie et d’argent si des mesures d’efficacité énergétiques sont prises. En effet, les études techniques réalisées sur une quarantaine de bâtiments publics dans le cadre de la CRESUCE, démontrent qu’au moins 20% de l’énergie consommée dans les bâtiments publics peut être économisée par l’implantation des mesures d’efficacité énergétique dont les temps de retour sur investissement sont inférieurs à trois ans. Cela peut représenter environ un milliard de FCFA par an d’économie monétaire pour le Trésor Public [3].
Les mesures d’efficacité énergétique prennent compte de toutes les entités ou systèmes énergétiques intervenant dans le bâtiment. Les systèmes de climatisation en sont indubitablement un point saillant. Ils représentent les systèmes les plus énergivores des bâtiments avec environ 20 à 60% de la consommation énergétique à leur actif [4].
Les audits énergétiques effectués par Econoler et ATG ont démontré que les systèmes de climatisation utilisés au Bénin sont généralement des unités individuelles. De plus, il y a prédominance d’unités « split », bien que plusieurs climatiseurs de type fenêtre (window) ont été dénombrés. L’utilisation de système de climatisation centrale est à ce jour très peu répandue, même si de tels systèmes sont généralement plus fiables et plus efficaces que les unités individuelles. Certains systèmes de climatisation centrale installés n’ont également fonctionné que peu de temps et sont maintenant hors d’usage, notamment dû à des problèmes de réalisation, de maintenance et de disponibilité de pièces de rechange. Dans de telles situations, des unités de climatisation individuelles ont souvent été installées pour pallier au défaut de fonctionnement des systèmes centralisés [5]. Il est cependant remarqué ces
dernières années l’installation d’autres systèmes de climatisation centralisés, les systèmes VRV, parfois choisis pour remplacer les systèmes « split ». Ces systèmes de naissances récentes sont reconnus pour être des systèmes offrant des services à un coût énergétique moindre
Nous nous proposons donc de faire, dans le cadre de cette étude, une comparaison entre les systèmes VRV et les systèmes mono-split. Cette comparaison sera basée entre autres sur l’analyse de coût de cycle de vie. En effet les systèmes VRV ont en général un coût d’acquisition très élevé par rapport au système mono-split pour une même puissance frigorifique.
Cependant, ils permettent de faire une économie d’énergie importante.
Cette étude dont le thème est : « Economie d’énergie dans le bâtiment : Etude comparative entre les systèmes de climatisation Mono-split et à Volume de Réfrigérant Variable » est basée sur un bâtiment type supposé érigé dans la ville de Cotonou, capitale économique du Bénin. L’étude est articulée autour de quatre chapitres. Un premier chapitre porte une étude bibliographique basée sur la simulation thermique dynamique (STD), les systèmes de climatisation et sur l’analyse de coût de cycle de vie (ACCV). Un deuxième chapitre fait une présentation du bâtiment d’étude ainsi sur la modélisation de son enveloppe et des activités au sein du bâtiment. Il est clos par une simulation thermique dynamique sous le logiciel EnergyPlus afin d’évaluer les charges de climatisation au sein des zones du bâtiment. Le troisième chapitre porte sur une comparaison entre les deux systèmes sur la base de leur consommation énergétique évaluée suite aux simulations de chaque système sous EnergyPlus. Dans un dernier chapitre, sur la base de l’analyse de coût de cycle de vie, une comparaison est faite, une fois encore, entre les deux systèmes.
Chapitre 1
Revue bibliographique sur la STD, les
systèmes de climatisation et l’ACCV
Chapitre 1 : Revue bibliographique sur la STD, les systèmes VRV et l’ACCV
Le bâtiment est le plus gros consommateur d’énergie devant les secteurs du transport et de l’industrie [6]. La situation énergétique instable mondiale fait donc du bâtiment un énorme gisement potentiel d’économies d’énergie. Cette réalité a suscité ces dernières années un véritable engouement pour le bâtiment, en témoignent les différentes publications récemment publiées sur l’efficacité énergétique des bâtiments et sur les systèmes énergétiques utilisés dans le bâtiment. La simulation thermique dynamique (STD) des bâtiments, un outil numérique, est très utilisée pour optimiser la consommation énergétique des bâtiments. Dans ce chapitre introductif, nous présenterons la simulation thermique dynamique, les systèmes de climatisation ainsi que l’analyse de cout de cycle de vie à travers leurs substances ainsi que quelques études les concernant.
1.1. Simulation thermique dynamique des bâtiments
1.1.1. Comportement énergétique d’un bâtiment et de ses charges Un bâtiment est une construction artificielle utilisée pour accueillir des personnes ou des activités. L’enveloppe externe (c’est-à-dire le sol, le toit et les murs extérieurs) entoure complètement l’édifice et lui confère ainsi son microclimat intérieur. Pouvant avoir différentes formes et fonctions, le bâtiment a connu d’importantes modifications au fil du temps pour s’adapter à un grand nombre de facteurs, des matériaux de construction disponibles, aux conditions météorologiques en passant par les prix fonciers, les conditions environnementales, la spécificité de son utilisation et autres raisons esthétiques.
Répondant à de nombreux besoins de société, les bâtiments sont avant tout, un abri contre les intempéries et un espace de vie en général, permettant
d’avoir une certaine intimité ainsi qu’un endroit pour stocker ses biens et pour vivre et travailler confortablement.
Dans son rôle d’abri, un bâtiment marque une séparation physique de l’habitat de l’homme entre intérieur (un espace de confort et de sécurité) et extérieur (un espace qui peut être parfois rude et inhospitalier).
Le bâtiment doit donc assurer deux rôles principaux : la sécurité et le confort. La réalisation de dernier exige au bâtiment une lutte contre son environnement avec lequel il interagit.
1.1.2. Les charges thermiques dans un bâtiment 1.1.2.1. Le phénomène de transfert de chaleur
La chaleur se transmet spontanément d’un corps chaud vers un corps froid selon le deuxième principe de la thermodynamique. Elle est transférée suivant trois modes: la conduction, la convection et le rayonnement.
La conduction est le mode qui s’opère au sein d’un milieu opaque, sans déplacement de matière, sous l’influence d’une différence de température. La propagation de la chaleur par conduction à l’intérieur d’un corps s’effectue selon deux mécanismes distincts : une transmission par les vibrations des atomes ou molécules et une transmission par les électrons libres. Par exemple ce type de transfert de chaleur est celui qui s’opère par les murs et les bordures des fenêtres d’un bâtiment.
La convection est le mode de transfert de chaleur qui s’opère entre un solide et un fluide, l’énergie étant transmise par déplacement du fluide. Ce type de transfert est perçu entre le mur d’un bâtiment et son air intérieur ou son air extérieur.
Le rayonnement quant à lui correspond au transport d’énergie sous forme d’ondes électromagnétiques. Contrairement aux autres mécanismes, le rayonnement ne nécessite aucun support intermédiaire pour se propager. Le
rayonnement dans les bâtiments a principalement lieu au niveau des fenêtres et des portes, mais si les murs sont mal isolés, les rayons dirigés sur l’extérieur de la maison peuvent en chauffer l’intérieur par conduction.
Par ces différents modes de transfert de chaleur : conduction, convection et rayonnement, le bâtiment est soumis à des charges thermiques diverses. Ces différentes charges peuvent être regroupées en deux grandes catégories : les charges thermiques externes et les charges thermiques internes.
1.1.2.2. Les charges thermiques externes d’un bâtiment
Le bâtiment, de son rôle d’abri est fait d’une « enveloppe thermique » qui sépare le volume intérieur de son environnement extérieur. Les conditions extérieures interagissent quand même avec son intérieur au travers de cette enveloppe thermique. Ces conditions extérieures englobent la température et l’humidité de l’air extérieur, les rayonnements solaires, la vitesse du vent.
Ces apports thermiques varient donc en fonction des conditions météorologiques du site d’implantation du bâtiment, de la vitesse du vent, de l’orientation du bâtiment ainsi que de la constitution de l’enveloppe du bâtiment. Ces charges thermiques englobent les apports de chaleur par les parois extérieures (murs, toit, plafond, plancher), les éventuels vitrages de l’enveloppe, les apports de chaleur par rayonnement solaire, les apports de chaleur par renouvellement d’air et infiltration.
1.1.2.3. Les charges thermiques internes d’un bâtiment Les charges thermiques internes peuvent être classées suivant :
Les apports de chaleur par les occupants ;
Les apports de chaleur dus à l’éclairage ;
Les apports de chaleur dus aux équipements en usage dans le bâtiment.
1.1.3. Définition de la simulation thermique dynamique de bâtiment La simulation thermique dynamique des bâtiments est un outil d’analyse du comportement thermique d’un bâtiment soit uniquement de son enveloppe soit des systèmes énergétiques (les systèmes de climatisation ou de chauffage, l’éclairage…). Cette méthode a suscité beaucoup d’intérêts ces dernières années.
Ces intérêts viennent du fait qu’elle permet de faire une analyse beaucoup plus affinée du comportement énergétique du bâtiment. De plus, par opposition aux nombreuses méthodes de calcul simplifié employées, elle prend en compte la dynamique des évolutions.
Elle peut être utilisée dans le cadre d’un projet de construction de bâtiment neuf comme sur un bâtiment existant. Elle permet de modéliser les bâtiments et de mesurer l'impact de chaque paramètre sur le niveau de performance énergétique de bâtiment.
1.1.4. Principe
Simulant au pas horaire ou à un pas inférieur le métabolisme du bâtiment, elle prend en compte les spécificités du site d’implantation (latitude, altitude, fichier météorologique) mais aussi de conception du bâtiment (orientation, géométrie, nature de l’enveloppe, l’inertie thermique des matériaux de construction…) et de son fonctionnement (apports internes, systèmes énergétiques et leur méthode de contrôle). Les résultats sont la consommation énergétique totale ou par poste (éclairage, ventilation, chauffage…), les variations des paramètres au sein des locaux permettant l’analyse de confort (températures, humidité de l’air, éclairement…). Cette analyse faite généralement sur une année apporte de multiples indications aux concepteurs et aux maîtres d’ouvrages.
1.1.5. Les grandes étapes d’un projet STD
La réalisation d’une étude de simulation thermique dynamique se décompose en plusieurs étapes, résumées ci-dessous. [7]
1.1.5.1. Choix du logiciel de simulation
Il existe à présent plusieurs logiciels de simulation thermique de bâtiment.
Tous ces logiciels ont leurs propres caractéristiques. Le choix d’un logiciel de simulation peut donc sembler difficile. Mais ceci doit être fait en tenant compte des exigences du projet ainsi que des moyens mis à disposition.
Tableau 1: Quelques logiciels de simulation ainsi que leurs origines.
Logiciels TRNSYS Design builder+
EnergyPlus
Pléiades +
COMFIE
DOE-2
Origines USA, Allemagne, France
USA France USA
1.1.5.2. Saisie du bâtiment
La première étape consiste en la saisie du bâtiment dans le logiciel. Cette saisie s’effectue à partir des données d’entrée recueillies. Si les données d’entrée ne sont pas toutes disponibles, Il faut faire des propositions justifiées.
La saisie du bâtiment est elle-même décomposée en plusieurs étapes :
Saisie des compositions de parois (masse volumique, capacité thermique et conductivité thermique). Les différentes compositions de parois d’un projet sont créées et sauvegarder dans la bibliothèque du logiciel ;
Saisie des vitrages et lanterneaux ;
Saisie des ponts thermiques ;
Saisie des scénarii de fonctionnement du bâtiment (occupation, ventilation, chauffage, rafraîchissement, puissance dissipée…) ;
Choix du site et des données météorologiques ;
Saisie géométrique du bâtiment et affectation des compositions de parois, vitrages, ponts thermiques. Cette saisie permet d’obtenir un modèle 3D du bâtiment.
1.1.5.3. Définition des zones thermiques
A partir de la saisie du bâtiment, le logiciel simule le comportement thermique du bâtiment en fonction d’un découpage choisi par l’utilisateur. Le principal découpage s’effectue au niveau de zones thermiques, généralement une zone thermique étant associée à une pièce ou à un regroupement de pièces de même typologie (soumises aux mêmes sollicitations thermiques ou à des sollicitations thermiques équivalentes que ce soit par des apports internes, par des transmissions au travers des parois ou par des apports solaires).
Les scenarii d’occupation sont affectés par zone thermique (scenarii d’occupation, de ventilation, de chauffage, de rafraîchissement, de puissance dissipée…). Ces scenarii permettent de différencier le fonctionnement de chaque zone thermique. Les scenarii de ventilation sont par exemple différents pour les zones bureaux et les zones sanitaires.
1.1.5.4. Simulation du cas de base et des variantes
Une fois les éléments des étapes précédentes vérifiés, la simulation peut être lancée. La première simulation effectuée, appelée cas de base, correspond toujours au bâtiment dans son état initial. C’est la simulation de référence pour le projet.
En fonction des objectifs de l’étude STD, des variantes sont ensuite simulées. Ces variantes peuvent intervenir sur les épaisseurs d’isolants, les caractéristiques des vitrages, la présence et la taille des brises soleil, le pourcentage de clair de vitrage par orientation. Une simulation est effectuée pour chaque valeur du paramètre étudié.
Les calculs permettent d’obtenir des résultats concernant le comportement global du bâtiment mais aussi pour chaque zone thermique, ce qui permet d’évaluer les conditions de conforts en tout point du bâtiment.
1.1.5.5. Analyse des résultats
Le comportement thermique du bâtiment simulé peut être défini grâce à de nombreux paramètres qui constituent le résultat du calcul :
Besoin de chauffage (kWh/m².an) ;
Besoin de climatisation (kWh/m²/an) ;
Indices de confort ;
Surchauffe maximale ;
Taux d’inconfort ;
Amplification de la température extérieure ;
Diagramme de Sankey (modélisation graphique des besoins et déperditions) ;
Evolution des températures suivant plusieurs échelles de temps ;
Apports solaires ;
Histogramme des températures atteintes en fonction du temps… ;
Des comparaisons sont effectuées entre le cas de base et les différentes variantes pour les besoins de chauffage et de climatisation, les indices de
confort, les apports solaires, l’évolution des températures. Ces comparaisons sont généralement réalisées sur l’année entière, puis sur la semaine la plus chaude et la semaine la plus froide de l’année. L’analyse est effectuée en recoupant les comparaisons de ces différents résultats, afin de déterminer la solution optimale pour le projet.
1.1.5.6. Les limites de la simulation thermique dynamique des bâtiments
Une première limite des outils de simulation thermique dynamique consiste dans la validation des données d'entrée. La plupart des outils distribués sur le marché sont en effet validés au travers de travaux de recherche soit en comparaison avec des cellules tests, soit en comparaison entre logiciels. La robustesse des données de sortie dépend plus de la pertinence des données d'entrée que du logiciel utilisé. Parmi les hypothèses particulièrement délicates à valider et à obtenir, les données météorologiques sont importantes. Leur sélection demande de se projeter sur l'analyse qui va être faite : il n'existe pas de fichier météorologique idéal. En fonction de l'analyse qui doit être menée, une sélection des données météorologiques pertinentes à utiliser doit être effectuée. Par exemple, si l'ambition du calcul par simulation thermique dynamique est d'établir un bilan prévisionnel de consommation réaliste, on s'attachera à sélectionner un fichier météorologique qui corresponde à une moyenne des années précédentes
Une autre limite de la simulation thermique dynamique réside dans les hypothèses de base de ce type de calcul qui est du modèle de zone. En effet, on considère qu’une zone représente la plupart du temps un local ou un groupement de locaux définis par une température d'air unique quelle que soit
la position à l'intérieur de cette zone. Par conséquent on ne tient pas compte des phénomènes de stratification à l'intérieur d'une zone ni des phénomènes convectifs localisés qui pourraient avoir lieu suite à un échauffement sur une paroi par exemple. Cette limite pose de véritables difficultés lorsqu’on est amené à modéliser des volumes importants type atrium.
La modélisation des transferts d'air entre des zones et l'extérieur et / ou entre zones est un élément délicat. Dans la plupart des logiciels, les transferts d'air sont définis comme des saisies par l'utilisateur et doivent être définies au préalable. Cette façon de procéder ferme la porte à la modélisation des phénomènes aléatoires et non prévisibles telle que la ventilation naturelle par l'ouverture des fenêtres ou des transferts d'air par convection naturelle, comme par exemple dans un atrium. Certains logiciels disposent d'algorithmes simplifiés de calcul de transfert d’air entre zones et / ou entre zones et l'extérieur.
1.2. Les différents systèmes de climatisation
Au cours des temps, l’homme a cherché à se protéger des rigueurs du climat. Avec le développement des techniques, des moyens ont été créés puis perfectionnés dans le but d’améliorer le confort à l’intérieur des constructions, en corrigeant les effets du climat. Un apport de chaleur est nécessaire dans les locaux des régions froides (chauffage) et une évacuation de chaleur (climatisation) pour ceux des régions chaudes.
Actuellement, il existe une variété de systèmes de climatisation. On peut les classer en deux grands groupes : les systèmes de climatisation à eau glacée et les systèmes à détente directe. Ces derniers seront développés dans la suite.
Dans tous les cas, les systèmes de climatisation fonctionnent pour la plupart sur le principe de la machine frigorifique.
1.2.1. Présentation de la machine frigorifique
La machine frigorifique est le système utilisé pour produire le froid par changement d’état. Dans ce système, le changement d’état d’un fluide appelé fluide frigorigène ou réfrigérant est mis à profit pour déplacer la chaleur d’un milieu froid vers un milieu chaud. Elle est composée principalement comme indiqué sur la figure n°1 de quatre éléments qui sont : un évaporateur, un condenseur (tous deux échangeurs), un compresseur et un détendeur.
Figure 1 : Machine frigorifique [8]
Les différentes étapes du fluide frigorigène dans la machine frigorifique.
Dans l’évaporateur, il se produit un échange de chaleur entre le fluide frigorigène et l’enceinte à climatiser par le biais d’un fluide caloporteur. Cet échange de chaleur se produit sur deux étapes : une vaporisation du fluide frigorigène suivie d’une surchauffe du fluide frigorigène. Au cours de la vaporisation qui se produit à température et pression constantes, le fluide se vaporise en prenant de chaleur sous forme latente de l’enceinte. Par contre, au cours de la surchauffe, la température du fluide augmente de quelques degrés.
Au niveau du compresseur, le fluide subit trois différentes étapes : aspiration, compression et refoulement. En effet, le fluide est aspiré à basses
pression et température. Grâce à une compression isentropique, le fluide reçoit de l’énergie mécanique qui élève sa pression et sa température. Sous forme de gaz à haute pression et haute température, le fluide frigorigène est refoulé et conduit vers le condenseur.
Admis au condenseur à haute température et à haute pression, le fluide frigorigène cède de la chaleur au milieu extérieur, par le biais d’un fluide caloporteur, sur trois étapes successives : une désurchauffe, une condensation et un sous-refroidissement. Au cours de la désurchauffe, le fluide frigorigène perd de la chaleur sensible et sa température diminue de quelques degrés. Il cède ensuite de la chaleur par condensation à pression et température constantes. Il subit enfin un sous-refroidissement qui fait baisser sa température de quelques degrés. Le fluide sort donc du condenseur à l’état liquide à haute pression puis convoyer vers le détendeur.
Dans le détendeur, le fluide frigorigène subit une détente isenthalpique. Il est renvoyé donc à l’évaporateur à basse température et basse pression. Et le cycle recommence.
1.2.2. Les systèmes à détente directe
Les systèmes de climatisation à détente directe sont les systèmes pour lesquelles le transfert entre l’espace à refroidir et le fluide frigorigène se fait directement c’est-à-dire sans passer par un fluide caloporteur intermédiaire. En effet le fluide frigorigène joue également le rôle de fluide caloporteur.
Quatre différents systèmes de climatisation à détente directe sont communément utilisés dans le bâtiment. Il s’agit de : les systèmes MONOBLOC ou WINDOW, les systèmes SPLIT, les systèmes MULTISPLIT STANDARD et plus récemment les systèmes VRV. Les deux premiers systèmes sont des systèmes unitaires tandis que les deux derniers sont des systèmes centralisés.
1.2.2.1. Les systèmes de climatisation window ou climatiseur fenêtre
Ce sont des appareils de forme parallélépipédique qui contiennent sous un même bloc tous les éléments de la machine frigorifique, de régulation et autres. Les deux échangeurs de chaleur devant être séparés l’un à l’intérieur de la chambre à climatiser et l’autre à l’extérieur, ces climatiseurs sont souvent installés dans les vantaux de fenêtres (à guillotine). Ils sont donc appelés des climatiseurs de fenêtres d’où leur nom. Ils offrent des capacités variant entre 1000 7000 /ℎ. Certains modèles vont jusqu’à 10000 /ℎ. Ces systèmes sont conçus pour être installés sans travailler les tuyauteries. Le contrôle de la température s'effectue à l'aide d'un thermostat électrique à même l'appareil. Le ventilateur à 3 vitesses permet d'ajuster le degré de refroidissement et de déshumidification de l'air. L'air est projeté directement dans la pièce à 1 ou 2 mètres de l'appareil. Un filtre primaire permet de retirer une partie des poussières...
Figure 2: Climatiseur fenêtre ou window [9]
1.2.2.2. Système de climatisation split ou mono-split
On trouve des modèles de puissance frigorifique de 2 à 10 [kW].Contrairement aux systèmes de climatisation window, les split sont des systèmes de climatisation généralement constitués de deux parties : une unité intérieure généralement l’évaporateur et une unité extérieure ou groupe condenseur (comprenant le compresseur et le condenseur et le détendeur). Le seul élément bruyant d’un système de climatisation étant le compresseur, ces systèmes sont très silencieux. A l’installation, les deux unités sont reliées entre elles par les tuyauteries du fluide frigorigène et des câbles électriques.
Contrôle des systèmes mono-split
Les systèmes mono-split fonctionnement généralement suivant le mode de régulation TOR (Tout Ou Rien). Cette régulation est réalisée via un thermostat d’ambiance. Le compresseur ayant une seule vitesse arrête automatiquement de fonctionner lorsque la température de consigne (température de confort) est atteinte. Il reprend son fonctionnement lorsque la température intérieure du bâtiment augmente et atteint une valeur prédéfinie. Ainsi le compresseur ne fonctionne pas en plein temps. Ces systèmes sont également généralement pourvus d’un détendeur capillaire calibré pour envoyer une quantité donnée de fluide dans l’évaporateur. Il faut noter cependant l’apparition depuis quelques années des systèmes mono-split dits INVERTER. Sur ces systèmes la régulation n’est pas TOR. En effet, ces systèmes permettent de faire varier la vitesse de rotation du compresseur suivant la demande en froid, ce qui permet de réaliser des économies d’énergie par rapport aux appareils classiques fonctionnant en Tout ou Rien.
Figure 3: Système de climatisation mono-split [10]
Figure 4 : Régulation INVERTER [10]
Les systèmes mono-split au Bénin
Les mono-split sont les systèmes de climatisation les plus utilisés dans les bâtiments au Bénin. Les principales marques retrouvées sont SHARP, SAMSUNG, LG, AIR-FROID, AIRWELL, Airpoint, Westpoint… La plupart fonctionnent suivant la régulation TOR et sont donc équipées de détendeur de type capillaire. Les unités intérieures sont généralement de type mural, parfois plafonnier et rarement de type cassette.
Figure 5: Unités extérieures d’un bâtiment érigé à Cotonou dont des locaux sont climatisés par des systèmes mono-split
1.2.2.3. Les systèmes multi-split standards
Les multi-split standards sont des systèmes de climatisation qui fonctionnent suivant le même principe que les mono-split. Cependant les multi- split sont composés d’une unité extérieure et de plusieurs (2 à 5) unités intérieures. Chaque unité intérieure dispose de sa propre liaison frigorifique bitube avec l'unité extérieure. Il existe plusieurs variantes de systèmes multi- split. Il existe certains dont la distribution du fluide frigorigène dans les différentes unités intérieures est faite via un seul détendeur installé dans l’unité
extérieure. Pour d’autres, l’unité extérieure comporte autant de compresseurs que d’unités intérieures. Ces systèmes peuvent être réversibles, les unités intérieures fonctionnent alors toutes simultanément en mode chaud ou froid.
Certains modèles permettent cependant le fonctionnement indépendant de chaque unité, certaines fonctionnant en mode froid, d'autres en mode chaud [11].
Figure 6: a. Multi-split à un seul compresseur b. Multi-split à plusieurs compresseurs [11]
1.2.2.4. Les systèmes à Volume de Réfrigérant Variable (VRV) La technologie des systèmes VRV est relativement récente puisqu’elle a été inventée en 1982 par le constructeur japonais DAIKIN qui l’a introduit sur le marché européen sous l’appellation VRV (Variable Refrigerant Volume) dès 1987. Cependant plusieurs autres fabricants se sont intéressés à ces systèmes. Aujourd’hui, les principaux fabricants proposant cette technologie sont Toshiba, Mitsubishi electric, Samsung, Fujitsu, Technibel, Sanyo et Airwell.
Différentes terminologies sont donc attribuées à ces systèmes. Dépendant du fabricant, ils sont aussi appelés : VRF (Variable Refrigerant Flow) ou DRV (Débit
de Réfrigérant Variable) ou DVM (Digital Variable Multi) [12]. On retiendra l’abréviation VRV pour la suite du document.
Les systèmes VRV sont des systèmes de climatisation à détente directe.
Semblable aux systèmes multi-split standard, ces systèmes sont constitués d’une unité extérieure reliée à plusieurs unités intérieures dont le nombre peut aller jusqu’à 64 unités intérieures. Cependant les systèmes VRV sont plus complexes que les systèmes multi-split standards définis précédemment. Comme le montre la figure 7, sur ces systèmes, il n’y a pas une séparation de lignes frigorifiques pour les unités intérieures mais les unités intérieures sont toutes raccordées aux seules et mêmes lignes frigorifiques grâce à des séparateurs appelés Refnets.
Ces systèmes ont donc la particularité d’avoir des lignes frigorifiques très longues pouvant aller à une soixantaine de mètres.
Figure 7: Systèmes VRV [8]
Les variantes de systèmes VRV rencontrées sur le marché mondial
Les systèmes VRV peuvent être utilisés suivant trois modes différents : mode froid, mode chaud et mode récupération d’énergie c’est-à-dire simultanément froid et chaud. Afin de desservir ces différents modes, on distingue deux types de systèmes VRV. Il s’agit des systèmes VRV : Heat Pump type VRF (HP-VRF) ou VRV de type pompe à chaleur ou Heat Recovery type VRF (HR-VRF) ou VRV à récupération de chaleur. Les systèmes HP-VRF encore appelé systèmes VRV à deux tubes (l’unité extérieure est muni de deux tubes : un tube pour la ligne liquide et un tube pour la ligne d’aspiration) permettent de produire soit uniquement du froid soit uniquement de la chaleur à un instant donné [13].
Figure 8: Description schématique des HP-VRF [13]
Quant aux systèmes HR-VRF ou à trois tubes (un tube pour la ligne liquide, un tube pour la ligne d’aspiration et un tube pour les gaz chauds), ils peuvent fonctionner suivant plusieurs modes différents : production exclusive de chaleur,
production exclusive de froid, production majoritaire de froid, production majoritaire de chaleur et production équitable de froid et de chaud dans les différentes zones d’un bâtiment. Les trois derniers modes sont opérés par une récupération de chaleur grâce à une unité de récupération de chaleur.
Fonctionnement et contrôle des systèmes VRV
La terminologie VRV vient de la capacité de ces systèmes à ajuster continuellement le débit de fluide frigorigène admis au niveau de chaque unité intérieure afin de maintenir la température de confort.
Cette régulation est réalisée à deux niveaux. Chaque unité intérieure est munie de son propre détendeur électronique dont l’ouverture est commandée par un microprocesseur recevant des informations de capteurs thermiques installés dans les unités intérieures.
Figure 9: Description schématique d’un HR-VRF en mode de production majoritaire de froid. [13]
Elle permet de contrôler la surchauffe à la sortie des unités intérieures. Dans l'unité extérieure se trouve un ou plusieurs compresseur(s) hermétique(s) à vitesse variable (compresseur scroll ou autres compresseurs rotatifs), avec une régulation INVERTER, c’est-à-dire à vitesse variable par réglage de la fréquence d'alimentation. En pratique, une sonde est placée sur la pression d'aspiration du compresseur. Cette pression est maintenue constante par action sur la vitesse du compresseur. Automatiquement, la température d'évaporation est maintenue constante. Ainsi, si la charge thermique du bâtiment augmente, la surchauffe augmente, le détendeur s’ouvre davantage, le débit de fluide réfrigérant augmente et la vitesse du compresseur augmente pour maintenir la pression. Si la puissance frigorifique est importante, une cascade de deux (ou trois) compresseurs est réalisée. Mais un seul travaille à vitesse variable. Le deuxième est régulé en "tout ou rien". Au démarrage, seul le compresseur INVERTER travaille. Dès que la charge dépasse la limite de puissance de ce compresseur, le deuxième compresseur est enclenché pour reprendre la charge et le compresseur INVERTER recommence à moduler à partir de 0 %. Avec ce type de cascade, le compresseur INVERTER fonctionne sans arrêt et s’use plus vite que les autres. Pour éviter cela certaines unités extérieures sont équipées de plusieurs compresseurs INVERTER permettant ainsi un fonctionnement à tour de rôle [14]. Des associations de deux unités extérieures sont parfois réalisées afin de réaliser les cascades.
Les unités intérieures sont également munies de ventilateurs à 02 ou 03 vitesses qui permettent de faire varier le débit d’air traité et donc faire une optimisation du système.
Fluide frigorigène utilisée dans les systèmes VRV
Les premiers modèles de systèmes VRV utilisaient le fluide R22 de la famille des HCFC ((Hydro Chlorofluorocarbure). Cependant, puisque ce fluide est amené à disparaître du fait de son pouvoir de réchauffement élevé, d’autres fluides frigorigènes sont utilisés dans les systèmes VRV. Le fluide frigorigène le plus utilisé actuellement dans les systèmes VRV est le fluide R410a [12].
Les systèmes VRV au Bénin
Les systèmes VRV sont de plus en plus utilisés au Bénin. Quelques sites de systèmes VRV installés ou en cours d’installation sont retrouvés dans la ville de Cotonou. On y retrouve deux marques principales : AIRWELL et DAIKIN.
Figure 10: Unités extérieures de systèmes VRV de marque DAIKIN en cours d’installation sur un chantier au cœur de la ville de Cotonou.
Figure 11: Une unité intérieure de type cassette d’un système VRV de marque AIRWELL installé dans la ville de Cotonou.
1.3. Analyse de coût de cycle de vie (ACCV)
Au début des années 90, est apparue la nécessité de mettre en œuvre des approches multicritères (consommation de matières et d’énergies, émissions dans l’air et dans l’eau, déchets), prenant en compte l’ensemble des étapes du cycle de vie des produits, de leur fabrication à leur élimination finale en passant par leur phase d’utilisation : les écobilans devenus plus tard analyse de cycle de vie. L’analyse de cycle de vie est donc définie comme un outil permettant de quantifier les impacts d’un « produit » (qu’il s’agisse d’un bien, d’un service voire d’un procédé), depuis l’extraction des matières premières qui le composent jusqu’à son élimination en fin de vie, en passant par les phases de distribution et d’utilisation, soit « du berceau à la tombe» [15]. Elle ne prend en compte ni le volet économique ni le volet social des impacts du système étudié. S’inscrivant dans le même concept de ‘cycle de vie’, d’autres outils d’analyse telle l’analyse de coût de cycle de vie sont donc utilisés à ces fins.
L’analyse de coût de cycle de vie ou l’analyse économique de cycle de vie est une dimension économique ou la « la sœur économique » de l’analyse de cycle de vie. Elle est définie comme l’évaluation économique technique qui permet de déterminer le coût cumulé d’un produit tout au long de son cycle de vie. Généralement, elle est réalisée en interne ou en privé et ne prend donc pas en considération les coûts publics tels la pollution de l’air, la sécurité énergétique, les coûts environnementaux reliés à la transmission et à la distribution. Le coût cumulé est défini globalement comme la somme du coût d’acquisition, du coût d’exploitation et du coût de démantèlement.
Elle est particulièrement utilisée lorsqu’il s’agit de faire une comparaison entre deux systèmes énergétiques de même nature mais différents en ce qui concerne les coûts initiaux et d’exploitation afin de choisir celui qui permet de maximiser l’économie. Puisque les systèmes à rendement élevé ont des coûts élevés à l’achat mais permettent de diminuer le coût d’exploitation et d’entretien, l’analyse de coût de cycle de vie peut être utilisée pour voir si, par exemple, l’incorporation d’un système de climatisation à rendement élevé sera rentable ou pas. Par conséquent, l’analyse de coût de cycle de vie permet aux décideurs d’avoir une image financière totale d’un projet afin de trier le projet le plus efficace.
Selon le concept de ‘’la valeur du temps d’argent ‘’, la valeur d’une somme d’argent obtenue aujourd’hui n’est pas la même que la valeur de cette même somme d’argent obtenue dans le futur. Prenant cela en considération, l’analyse de coût de cycle de vie exige que les différents coûts intervenant dans son exécution soient actualisés c’est-à-dire utiliser les valeurs actuelles des coûts futurs.
1.3.1. Les bases de la notion de coût de cycle de vie 1.3.1.1. La période d’étude ou le ‘cycle de vie’
La période d’étude d’un projet est la période de temps sur laquelle les coûts du projet seront examinés et influenceront les décisions découlant de l’analyse. La performance d’une analyse de coût de cycle de vie est basée sur le choix de la période d’étude. Une période d’étude trop longue ou trop courte mènerait à un résultat inadéquat. Pour faire une comparaison entre deux systèmes, il faut faire une analyse de cycle de vie à chacun d’eux en se basant sur la même période d’étude.
1.3.1.2. Taux d’actualisation
Une somme d’argent reçue aujourd’hui n’est pas évaluée de la même manière qu’une somme d’argent à une date ultérieure. L’actualisation permet de ramener tous les coûts à un temps commun. Afin de ramener tous les flux de trésorerie au même pied d’égalité pour ce qui concerne l’année d’évaluation qui est l’année de référence ou l’année d’analyse, l’analyse de coût de cycle de vie exige une actualisation de tous ces flux. Le taux d’actualisation est «le coût d'opportunité du capital investi, c'est à dire le rendement qu'il serait possible d'obtenir en investissant ailleurs le même capital ».
1.3.1.3. Inflation
L’inflation est la réduction de la valeur ou du pouvoir d’achat de l’argent sur une période. Ceci est le résultat de l’augmentation graduelle du prix des biens due aux activités économiques.
1.3.2. Calcul du coût de cycle de vie
La formule générale utilisée pour calculer le coût de cycle de vie est :
= (1 + )
CCV = le coût total de cycle de vie d’un système
= est la somme des coûts relevés incluant les coûts initiaux et les coûts futures.
N = Nombre d’années dans la période d’étude et
d = Taux d’actualisation utilisé pour actualiser la valeur du coût.
Pour le calcul du coût de cycle d’un bâtiment ou d’un système utilisé dans le bâtiment, le coût de cycle de vie est calculé de la façon suivante :
= + – + + + &
= le coût total de cycle de vie d’un système
= Coût d’investissement actualisé,
= Coût de remplacement actualisé,
= Valeur résiduelle moins le coût de cession actualisée,
= Coût de la consommation énergétique actualisée,
= Valeur actualisée du coût de l’eau
& =Valeur actualisée des coûts d’opération n’utilisant pas de
combustibles, coût de la maintenance et coût de réparations.
Lorsque l’objectif est de faire une comparaison entre deux systèmes de climatisation, on joint à cette valeur estimée pour chaque alternative des critères d’analyse économique d’investissement. Parmi ces critères, nous avons :
Le critère de la valeur actuelle nette, le critère d’indice de profitabilité et le critère du délai de récupération [16].
1.3.3. Le critère de la valeur actuelle nette
Le critère de la valeur actuelle nette traduit la différence entre la valeur actuelle des bénéfices générés et la valeur actuelle des investissements sur une période d’étude.
Par exemple, lorsqu’il s’agit de faire une comparaison entre deux systèmes de climatisation utilisés dans le bâtiment, l’un étant considéré comme le système de base (BC) et l’autre, le système alternatif (A), la valeur actuelle nette du projet peut être évaluée de la sorte :
: = (∆ + ∆ + ∆ & ) − (∆ + ∆ – ∆ )
: = Valeur actuelle nette,
ΔE = − , économie sur le coût consommation énergétique d’énergie due au système alternatif,
ΔW = − , économie sur coût de consommation d’eau due au système alternatif,
& = & − & , économie sur les coûts de maintenance et de réparation,
∆ = − , augmentation du coût initial d’acquisition du système alternatif sur le système de base,
∆ = − , augmentation du coût de remplacement,
∆ = − , augmentation de la valeur résiduelle.
Tous ces coûts sont actualisés.
Le critère de la valeur actuelle nette VAN est adéquat pour faire une comparaison économique entre un système alternatif A à un système de base BC. Lorsque la valeur actuelle nette est positive, ceci signifie que le système alternatif n’est pas efficient comparé au système de base. Par contre, la valeur
actuelle nette est négative, le système alternatif est dit plus efficient que le système de base. La valeur actuelle nette est en fait la différence entre le coût de cycle de vie du système alternatif et le coût de cycle de vie du système de base [16].
= −
1.3.4. Le critère d’indice de profitabilité
Le critère d’indice de profitabilité est un critère d’analyse économique d’un projet qui permet d’exprimer la relation entre les encaissements et les investissements d’un projet.
La formule utilisée pour évaluer l’indice de profitabilité pour faire une comparaison entre deux systèmes utilisés dans le bâtiment, l’un étant considéré comme le système de base (BC) et l’autre, le système alternatif (A) est :
: =∆ + ∆ + ∆ &
∆ + ∆ – ∆
: = indice de profitabilité du projet,
ΔE = − , économie sur le coût consommation énergétique d’énergie due au système alternatif,
ΔW = − , économie sur coût de consommation d’eau due au système alternatif,
& = & − & , économie sur les coûts de maintenance et de réparation,
∆ = − , augmentation du coût initial d’acquisition du système alternatif sur le système de base,
∆ = − , augmentation du coût de remplacement,
∆ = − , augmentation de la valeur résiduelle.
Tous les coûts sont actualisés [16].
1.3.5. Critère du délai de récupération
Il existe deux types de critères de délai de récupération fréquemment utilisé en analyse économique. Il s’agit des critères de délai de récupération simple et de délai de récupération actualisé. Ces critères permettent de connaître le nombre d’années qu’il faut pour que les investissements soient compensés par les bénéfices. Le critère de délai de récupération simple, le plus utilisé, n’utilise par les flux de trésorerie actualisés dans son analyse. Ainsi, il ne prend pas en compte les changements de prix (par exemple la hausse du prix de l’énergie) durant le délai de récupération. Le délai de récupération simple d’un projet est généralement plus court que son délai de récupération que le délai de récupération actualisé. Le critère de délai de récupération actualisé est le critère préféré parce qu’il exige que les flux de trésorerie de chaque année soient actualisés avant le cumul. Si le délai de récupération actualisé est inférieur à la période d’étude alors le projet est généralement rentable.
Par exemple, lorsqu’il s’agit de faire une comparaison entre deux systèmes utilisés dans le bâtiment, l’un étant considéré comme le système de base (BC) et l’autre, le système alternatif (A), le délai de récupération peut être évalué de la manière suivante :
∆ + ∆ + ∆ & − ∆ + ∆ )
(1 + ) ≥ ∆
∆ = − , économie sur le coût consommation énergétique d’énergie due au système alternatif évalué en année t
∆ = − , économie sur coût de consommation d’eau due au système alternatif évaluée en année t,
∆ & = & − & , économie sur les coûts de maintenance et de réparation évaluée en année t,
∆ = − , augmentation du coût initial d’acquisition du système alternatif sur le système de base,
∆ = − , augmentation du coût de remplacement évaluée en année t,
∆ = − , Augmentation de la valeur résiduelle évaluée en année t,
d = Taux d’actualisation utilisé pour actualiser la valeur du coût
Cette formule est valable aussi bien pour le calcul du délai de récupération simple que pour le calcul du taux de récupération actualisé [16].
1.4. Revue bibliographique
Des études sur le bâtiment utilisant la simulation thermique sont publiées. Dans ces publications, la simulation thermique dynamique est utilisée pour faire aussi une analyse de l’enveloppe des bâtiments, de l’isolation des bâtiments.
Au nombre de ces études, R. Guechchati et Al. ont fait à l’aide du logiciel TRNSYS une simulation thermique dynamique du bâtiment du centre psychopédagogique ‘SAFAA’. L’étude visait l’introduction des matériaux isolants dans le bâtiment afin d’améliorer le confort thermique et de réduire l’énergie consommée. Ils ont conclu entre autres que l’isolation de la toiture et l’isolation interne des murs avec 6 cm de polystyrène expansé 035 et l’utilisation du double vitrage permet de réduire de 13,34 % la consommation énergétique du bâtiment [17].
