VENTILATION ET CLIMATISATION
Install Magazine 948 – mars 2018
Refroidir à l’aide de systèmes par rayonnement
Potentiel des systèmes réversibles
Schéma de la fonction chauffage et refroidissement avec by-pass.
Mode chauffage et refroidissement d’une PAC réversible.
Déroulement du mode chauffage et refroidissement sur une année.
En raison de la bonne isolation de l’enveloppe du bâtiment, les gains calorifiques créent de plus en plus de besoins frigorifiques, et pas uniquement en plein été. Le refroidissement à l’aide d’un système par rayonnement peut permettre d’accroître le confort. Il peut dès lors être pertinent de recourir à un système de chauffage par rayonnement réversible, comme le chauffage par le sol. La chaleur qui est issue du processus de refroidissement peut alors par exemple être utilisée pour l’eau chaude sanitaire. L’article de la BDH (association allemande de l’industrie du chauffage) décrit les possibilités en la matière. Un certain nombre de principes sont tout d’abord présentés ; ensuite, dans une deuxième partie, l’expert Frank Hermann revient sur des questions pratiques.
Inversion du flux thermique
Le fonction refroidissement est basée sur une température inférieure. Nait alors un flux thermique de la pièce vers l’élément de construction (sol, parois), étant donné qu’il affiche une température de surface plus basse. Le refroidissement et le chauffage s’effectuent via le même système d’émission ; la seule chose qui change, c’est la direction du flux thermique. Le vecteur de chaleur (plus concrètement dit, l’eau de chauffage) assure alors la recharge et décharge. En mode refroidissement, le local fonctionne comme une source de chaleur, qui est thermiquement déchargée en conséquence de la différence de température avec le vecteur de chaleur. Un réservoir de chaleur adéquat se révèle alors nécessaire ; il peut s’agir d’un ballon tampon pour le stockage de froid qui soit thermiquement déchargé par une ou plusieurs sources de froid. De par la faible différence de température entre l’eau de refroidissement, l’air intérieur et la masse du bâtiment, on perçoit plus le système par rayonnement comme une contribution au confort thermique et à une plus grande efficacité énergétique, que comme un refroidissement complet. Dans ce contexte, le refroidissement par rayonnement peut accroître le sentiment de confort des habitants.
Contrôle du point de rosée
Lorsqu’on inverse le flux thermique pour le refroidissement par rayonnement, la question de la température de retour maximale ne se pose pas. Celle-ci est déterminée en fonction des zones de température sur le corps humain, mais doit aussi tenir compte de la protection de la structure du bâtiment contre les problèmes d’humidité. Lorsque la température de surface d’un composant de construction est trop basse, le risque de formation de condensation apparaît. On peut éviter cela en surveillant le point de rosée.
Ce dernier contrôle l’humidité relative à la surface du composant ou à des points critiques de l’installation (seuil dynamique). Lorsqu’on risque de passer sous le point de rosée, le mode refroidissement se coupe, afin d’éviter tout dégât par l’humidité. Le point de rosée se situe ainsi à 18°C de température de surface, pour une humidité relative de 60% et une température de l’air de 26°C.
Conversion entre chauffage et refroidissement
La conversion hydraulique pour le mode froid doit être intégrée entre le distributeur du circuit d’émission et le ballon tampon. Normalement, le ballon tampon sera aussi nécessaire pour le mode chauffage, y compris en été (pour la production d’ECS). Durant la saison de chauffe, les gains calorifiques internes apportent leur contribution au chauffage. En été, ces gains créent toutefois des problèmes de confort, et en conséquence un besoin de refroidissement, surtout en plein cœur de l’été. La puissance frigorifique maximale par mètre carré diffère selon le type de surface (sol, paroi, plafond) et n’est pas la même que la puissance calorifique de la surface en question (voir tableau 1).
La conversion hydraulique fait partie intégrante du système et doit être dimensionnée en fonction de toute l’installation. Aussi bien la fonction chauffage que la fonction refroidissement sont basées sur une régulation centralisée qui commande les pompes et les organes de régulation sur base des données de température des capteurs. Le contrôle du point de rosée est une sécurité intégrée dans l’unité de régulation.
Refroidissement actif et passif
Le froid peut être produit de deux manières : soit passivement via des sondes et des collecteurs géothermiques, soit activement via des groupes frigorifiques ou des PAC réversibles. Nous parlerons donc de refroidissement passif ou actif.
Le refroidissement passif a naturellement besoin d’une source de froid naturelle, ne consommant pas d’énergie pour produire du froid. Cela se passe en principe via un échangeur de chaleur avec le sol ; et il faut que la différence de température entre le sol et la température ambiante soit suffisamment grande. Plus cette différence de température est importante et constante, plus la qualité de la source de froid est élevée, et donc meilleur est le fonctionnement frigorifique. Concrètement, on a uniquement besoin d’un échangeur de chaleur et d’un groupe de pompe pour que le système puisse fonctionner sans générateur de chaleur.
En cas de refroidissement passif, on a besoin d’un système qui produise du froid. Il peut par exemple s’agir d’une PAC réversible qui chauffe en hiver et refroidit en été. La chaleur issue du processus de refroidissement peut être utilisée à d’autres fins. Le refroidissement actif permet d’atteindre de manière précise et constante des puissances frigorifiques déterminées. Contrairement au refroidissement passif, on ne doit ici pas uniquement tenir compte de la consommation des circulateurs, mais aussi de l’énergie motrice du refroidisseur.
Les avantages du refroidissement passif sont : des frais d’investissement et de fonctionnement minimes, ainsi qu’une synergie potentielle (appui de la régénération de la source de chaleur en été). L’inconvénient est une puissance de refroidissement limitée, qui est totalement déterminée par la qualité de la source de froid. Dans beaucoup de cas, cela peut toutefois suffire pour assurer le confort dans l’habitation, tant qu’il n’y a pas de charges thermiques spéciales dans le bâtiment. La puissance frigorifique limitée dépend de l’utilisation d’une source de froid naturelle. L’utilisateur doit se contenter d’un léger refroidissement.
Pour le refroidissement actif, la conclusion est la suivante : ses avantages s’expriment le mieux lorsqu’une puissance frigorifique bien déterminée est nécessaire, par exemple dans des bureaux ou salles informatiques. Le refroidissement actif peut par ailleurs apporter une contribution importante à la production d’ECS. Désavantage : des coûts supérieurs en termes d’investissement et d’utilisation.
Exigences relatives à une source de froid
Les exigences relatives à une source de froid diffèrent en fonction du type de refroidissement (actif ou passif). Fondamentalement, une source de froid doit permettre une différence de température suffisamment grande pour amorcer le flux thermique. Dans le cas d’une source de froid naturelle, on doit également tenir compte de la vitesse à laquelle elle va à nouveau se débarrasser de la chaleur absorbée (régénération) pour pouvoir continuer à fonctionner en tant que source de froid.
Une source de froid classique fait partie intégrante d’une installation de chauffage géothermique. Comme la PAC peut fonctionner de manière réversible, du refroidissement actif est également envisageable. Les flux thermiques sont alors inversés par rapport au mode chauffage. Dans le cas de PAC uniquement destinées au chauffage, il est toutefois encore possible d’aboutir à un fonctionnement frigorifique en combinaison avec un système par rayonnement. En utilisant les bons matériaux de construction et en faisant attention aux gains thermiques lors de la conception, les besoins frigorifiques peuvent être fortement réduits. Un refroidissement passif par rayonnement peut alors suffire pour garantir le confort thermique en été.
Conclusion
Étant donné l’importance croissante du refroidissement des bâtiments, on doit tenir compte de la possibilité de fonctionnement réversible du système d’émission. Lors de la conception du système, on doit donc non seulement considérer la situation hivernale, mais aussi la situation estivale. Avec une PAC géothermique, on a la possibilité de refroidir tant de manière passive qu’active. On donne à la nature et on extrait de celle-ci en fonction de la direction du flux thermique au cours de l’année. Afin de permettre également le refroidissement passif avec d’autres générateurs de chaleur, il faut développer des sources froides adaptées, qui peuvent aussi être combinées avec des chaudières à la biomasse, des chaudières à condensation…
Questions pratiques de Frank Hartmann
Les besoins frigorifiques des bâtiments constituent un thème central dans le climat intérieur. Doit-on maintenant systématiquement calculer des déperditions thermiques et une charge frigorifique pour apporter du confort ?
FH : Il arrive en effet souvent que la charge frigorifique des bâtiments soit aussi importante que les déperditions thermiques, et devienne un paramètre de conception aussi pertinent. Alors qu’on rencontre de plus en plus de systèmes de chauffage à basse température, le défi consiste désormais à ne pas réduire à néant les efforts d’économie d’énergie réalisés du côté chauffage, en créant une demande frigorifique en été.
Pourtant je ne pense pas qu’on doive pour autant calculer à la fois la demande calorifique et la demande frigorifique pour chaque bâtiment. Il vaut mieux mener une approche intégrale de la conception entre l’architecture, la physique du bâtiment et les équipements techniques, depuis le début du projet. La BDH soutient cette approche. Dans les maisons unifamiliales, il est possible de traverser l’été sans système frigorifique spécifique, en optant pour le bon matériel, en surveillant les risques de surchauffe, en prévoyant des pare-soleil… On observe par ailleurs que le chauffage par le sol est de plus en plus utilisé de manière réversible pour le refroidissement à l’aide d’une source de froid naturellement disponible.
Beaucoup de bâtiments non résidentiels, comme les bureaux ou les écoles, sont néanmoins utilisés de manière bien plus intensive. La charge frigorifique est alors également d’un autre ordre, et conduit beaucoup plus rapidement à des malaises thermiques pour les utilisateurs. Dans certains cas (par exemple en raison d’un microclimat), en raison du mode de construction et de l’intensité de l’utilisation, il est parfois souhaitable de réaliser un calcul détaillé de la charge frigorifique.
Quels sont les exigences aujourd’hui imposées aux bâtiment en matière de confort thermique et y a-t-il une différence entre des habitations et des bâtiments non résidentiels ?
FH : Alors que dans les habitations, la charge frigorifique reste plutôt limitée, et a en priorité affaire avec l’optimalisation du confort, la situation est tout autre dans les bâtiments non résidentiels, en raison de profils d’utilisation différents. Dans l’architecture actuelle, on recourt de plus en plus souvent à de grandes parties vitrées afin de laisser entrer un maximum de lumière du jour. Se crée alors un exercice d’équilibre entre d’une part une part maximale de lumière du jour, et d’autre part une protection suffisante contre la surchauffe pour le confort des utilisateurs.
Dans les bâtiments résidentiels, l’accent est mis sur la demande calorifique, et le système d’émission (la plupart du temps du chauffage par le sol) est aussi à ce titre surdimensionné. La fonction frigorifique peut alors offrir un confort supplémentaire en été, et elle est dès lors reprise dans la conception. Les bâtiments non résidentiels comme les bureaux, mais très certainement aussi les écoles (qui sont trop souvent oubliées) exigent toutefois que l’on calcule tant la demande en chaleur que la demande en froid. C’est pourquoi, pour un tel bâtiment, on doit établir un profil détaillé d’après le lieu, le mode de construction et l’utilisation, afin de pouvoir déterminer avec précision la charge frigorifique.
Quels types de refroidissement de confort existe-t-il et que cela signifie-t-il pour les équipements techniques ?
FH : On doit opérer une différence fondamentale entre le rafraîchissement et le refroidissement de confort. Ceci ne doit pas être confondu avec le refroidissement passif ou actif. Le rafraîchissement est obtenu lorsque le système d’émission est dimensionné pour un fonctionnement en mode chauffage. La puissance frigorifique n’est ici pas calculée avec précision ; elle correspond habituellement à ce que le système peut délivrer, au sein des limites du dimensionnement prévu pour le mode chauffage. La température intérieure ne sera abaissée que de quelques degrés (environ 3K) et doit uniquement être perçue comme un confort supplémentaire.
Si on désire atteindre une puissance frigorifique donnée, par exemple pour garantir une température intérieure maximale de 26°C, la demande en froid doit être calculée, afin de dimensionner le système d’émission en fonction de cela. Pour les tubes, cela se traduit normalement par un plus petit entraxe. Si cela ne devait pas être suffisant, on peut augmenter la surface de rayonnement en activant des parties de parois ou du plafond. Cette solution se révèle très souvent pratique, car elle ne nécessite pas la pose de systèmes frigorifiques supplémentaires.
Cela a-t-il avoir avec la différence entre refroidissement passif et actif ?
FH : Non. Le refroidissement passif et actif n’ont pour commencer rien avoir avec la puissance frigorifique ; il s’agit juste de savoir si le refroidissement se passe sans consommation d’énergie supplémentaire, en utilisant une source froide issue de l’environnement, ou si alors on utilise un appareil qui va produire activement du froid (refroidisseur, PAC réversible…). Avec le refroidissement passif, on peut assurer aussi bien le rafraîchissement que le refroidissement de confort. Cela dépend de la charge frigorifique du bâtiment, des paramètres de dimensionnement et de la puissance de la source de chaleur. On peut par ailleurs concevoir un système de refroidissement actif de manière à ce qu’il ne produise que du rafraîchissement. La flexibilité de ces systèmes répond aux diverses exigences de la méthode de construction moderne.
Quels sont les systèmes radiants les mieux adaptés au refroidissement ?
Qu’en est-il des autres surfaces comme les murs ou le sol ?
FH : On peut effectivement également utiliser ces surfaces pour le refroidissement. Tout comme pour le chauffage, on doit faire attention au revêtement, surtout celui du sol. Ce dernier fonctionne comme une résistance thermique dans les deux directions, de sorte qu’il faut utiliser un facteur de correction lors du dimensionnement. Les trois systèmes sont possibles ; on doit seulement tenir compte des puissances potentielles. Cet effet est déjà connu en chauffage, où grosso modo un sol carrelé a une résistance thermique plus faible qu’un parquet en bois.
Rédaction: Frank Hartmann
Illustrations: BDH
