Comment optimiser les systèmes CVC pour qu'ils répondent aux besoins réels d'utilisation, permettent des économies d'énergie et offrent un environnement sain et confortable aux occupants du bâtiment ?
L'énergie dans les bâtiments
L'économie d'énergie est un enjeu majeur pour de nombreuses entreprises du secteur du bâtiment. Le chauffage, la ventilation et la climatisation (CVC) représentant une part importante de la consommation énergétique d'un bâtiment tout au long de son cycle de vie, les technologies choisies et utilisées doivent être au cœur des stratégies d'économie d'énergie. Les produits de ventilation, de chauffage et de climatisation sont de plus en plus performants, grâce à la législation et au développement de nouvelles technologies pour leurs composants. Toutefois, tout en adoptant ces nouvelles technologies performantes, il est essentiel de veiller à ce que les technologies existantes soient utilisées de la manière la plus intelligente et la plus efficace possible.
Les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) sont généralement conçus pour une utilisation optimale du bâtiment. Les systèmes de refroidissement sont dimensionnés pour les fortes chaleurs estivales et un ensoleillement intense, les systèmes de chauffage pour les journées les plus froides de l'année et les systèmes de ventilation pour les taux d'occupation maximum. C'est idéal pour concevoir des bâtiments résilients, prêts à affronter toutes les conditions. Mais est-ce ainsi qu'ils sont utilisés en pratique ?
Les systèmes conçus pour des charges de pointe seront très rarement, voire jamais, utilisés à ces niveaux. La majeure partie de leur durée de vie, ils fonctionneront à une fraction de leur charge nominale. Cet écart entre les charges de pointe nominales et les charges réelles d'exploitation est considérable et, comme nous le verrons, il ne cesse de s'accroître.
L'écart de performance actuel et futur
Deux facteurs vont accentuer encore davantage l'écart entre les points de conception et de fonctionnement optimaux.
Les bâtiments sont aujourd'hui utilisés de manière plus flexible, notamment pour les bureaux et les commerces, car les entreprises et leurs employés bénéficient de possibilités de travail flexibles. Un système de ventilation et de climatisation d'un immeuble de bureaux conçu pour une occupation maximale en 2020 sera rarement utilisé à ce niveau en 2023 et au-delà.
Le réchauffement climatique a déjà des répercussions sur les phénomènes météorologiques extrêmes, et même avec des changements importants des facteurs en cause, on s'attend à une augmentation de ces événements à l'avenir. L'Europe devrait connaître des étés plus chauds et plus secs. Ce phénomène, combiné à l'effet d'îlot de chaleur urbain qui accentue les températures estivales par des chaleurs importantes dans les zones où se concentrent de nombreux bureaux et bâtiments commerciaux, ainsi qu'à la nécessité de concevoir des solutions d'atténuation de la chaleur à l'échelle de la ville et de la rue, risque d'éloigner encore davantage les pics de consommation énergétique des bâtiments, pour lesquels ils sont conçus, de leur fonctionnement quotidien.
Les concepteurs de bâtiments doivent intégrer les nouvelles façons d'utiliser les bâtiments ainsi que les risques futurs liés aux conditions météorologiques extrêmes dans la conception actuelle des bâtiments, que ce soit au stade du développement ou de la rénovation.
Identifier les gains d'efficacité dans l'écart de performance
Lorsqu'un système de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) fonctionne à charge partielle, son rendement est généralement meilleur. Les centrales de traitement d'air (CTA) fonctionnant à mi-vitesse consomment moins du quart de leur puissance absorbée. Un refroidisseur ou une pompe à chaleur fonctionnant à charge partielle optimise l'utilisation de son échangeur de chaleur, ce qui lui permet d'atteindre un rendement supérieur. Mais est-ce vraiment le cas avec la technologie actuelle ?
Si nous pouvons contrôler nos CTA pour qu'elles ne fournissent que la quantité d'air nécessaire aux occupants du bâtiment, grâce à la ventilation à la demande (VAD), les serpentins de refroidissement et de chauffage dimensionnés pour une capacité maximale peuvent contrôler la température de l'air frais en utilisant beaucoup moins d'énergie.
Les serpentins des ventilo-convecteurs ou des poutres froides qui desservent les espaces intérieurs n'ont pas besoin de fonctionner à pleine charge, car ces unités sont généralement sélectionnées pour une occupation maximale et dans des conditions estivales ou hivernales optimales.
Il nous faut ensuite prendre une décision concernant ces serpentins qui ne nécessitent pas leur pleine capacité. La solution classique consiste à réduire le débit du fluide frigorigène ou caloporteur à l'aide d'une vanne. Ce moyen simple de régulation locale est standard sur la quasi-totalité des systèmes. Cependant, une gestion plus intelligente de la connexion entre le refroidisseur/pompe à chaleur et le serpentin permet, en outre, d'optimiser la température du fluide alimentant ce dernier. Un serpentin de refroidissement conçu pour fonctionner à 6 °C à pleine capacité n'a pas besoin de cette température à 50 % de sa capacité.
La modification de la température de l'eau alimentant les serpentins vise à améliorer l'efficacité du refroidisseur/de la pompe à chaleur. Augmenter d'un degré la température de l'eau sortant du refroidisseur accroît son efficacité d'environ 3 %. De même, abaisser d'un degré la température d'une pompe à chaleur augmente son efficacité de façon similaire.
Ainsi, l'analyse de la demande des serpentins assurant le confort des pièces, qu'ils soient intégrés à la centrale de traitement d'air ou situés dans l'espace lui-même, révèle qu'ils peuvent fonctionner à une température d'eau optimale la majeure partie du temps. En effet, des calculs récents effectués sur des centrales de traitement d'air couplées à des pompes à chaleur montrent que la température de l'eau peut être optimisée pendant plus de 95 % du temps de fonctionnement, permettant ainsi d'économiser plus de 20 % d'énergie de refroidissement et plus de 30 % d'énergie de chauffage. Ce résultat est obtenu grâce à une gestion plus intelligente du système.
Ce type de régulation de capacité assure un excellent confort dans la pièce ainsi que des économies d'énergie, en réduisant les variations de température et les courants d'air, lorsqu'il est correctement contrôlé.
Refroidissement passif et gratuit
Si le refroidisseur dispose d'un système de refroidissement naturel, l'optimisation de la température de l'eau a un impact encore plus important sur son rendement. Le refroidissement naturel consiste à refroidir le circuit d'eau directement par l'air extérieur, sans passer par le circuit de refroidissement à détente directe du refroidisseur. Généralement, un certain niveau de refroidissement naturel est disponible lorsque la température ambiante est inférieure d'un degré Celsius à la température de retour de l'eau. Plus l'écart entre la température ambiante et celle de l'eau est important, plus le refroidissement naturel est efficace, jusqu'à ce que le refroidisseur puisse assurer la totalité du refroidissement nécessaire grâce à cette fonction. Chaque degré supplémentaire au-dessus de la température de l'eau de refroidissement augmente considérablement la durée de refroidissement naturel, permettant ainsi de réaliser d'importantes économies d'énergie.
Nous pouvons également exploiter le refroidissement naturel du sol grâce à une pompe à chaleur géothermique. Les systèmes géothermiques captent la chaleur à basse température du sol via un circuit de fluide caloporteur et la multiplient par une pompe à chaleur pour produire un chauffage efficace et performant. De nombreuses pompes à chaleur peuvent également fonctionner en mode refroidissement, assurant un refroidissement efficace en évacuant la chaleur vers le sol par le biais du circuit de fluide. Ce type de système est idéal pour le refroidissement passif en cas de charge partielle : en court-circuitant la pompe à chaleur et en refroidissant directement le système grâce à la température plus basse du sol, le refroidissement est extrêmement efficace. Tout comme pour le refroidissement naturel, l’optimisation de la température de l’eau en fonctionnement à charge partielle permet au système de fonctionner en refroidissement passif le plus longtemps possible, optimisant ainsi les économies d’énergie.
Contrôle et intelligence
Pour ce faire, il nous faut un système de contrôle capable de reconnaître la charge requise au niveau des serpentins et d'utiliser cette information pour optimiser en conséquence les températures des refroidisseurs/pompes à chaleur. L'intégration d'une intelligence embarquée dans les refroidisseurs, les pompes à chaleur, les centrales de traitement d'air et les unités de climatisation est indispensable. Il est essentiel de comprendre les limites de chaque produit, leurs limites de fonctionnement et de savoir quand ne pas optimiser. De plus, un système de contrôle de niveau supérieur doit assurer une communication efficace entre tous ces composants. Enfin, les économies d'énergie sont réalisées en utilisant les composants standards du système, sans investir spécifiquement dans des équipements plus performants, mais en optimisant la gestion du système existant.
Que les systèmes sur lesquels nous travaillons soient des systèmes existants installés dans le cadre d'un projet de rénovation ou un nouveau développement utilisant des produits de pointe performants, les principes d'économie d'énergie supplémentaire en fonctionnement à charge partielle restent applicables comme moyen efficace et durable de réduire les coûts d'exploitation.
Date de publication : 26 avril 2023
