Des actions énergétiques pour optimiser ses installations de chauffage et de climatisation
C’est à travers un livret que les établissements TA HYDRONICS ont publié un livret dans lequel figure « 20 faits énergétiques pour l’optimisation des installations de chauffage et de climatisation ».
Si il n’y a pas de grandes espérances dans la future loi de transition énergétique, les préoccupations grandissantes de millions de foyers face à la facture énergétique ne cessent de croître. Pauvre transition.
Une raison simple et ludique pour repenser l’efficacité énergétique de nos logements.
En effet, les installations de chauffage et de climatisation représentent, à elles seules, 50% de leur consommation d’énergie.
L’infrastructure du bâtiment, l’installation de chauffage et de climatisation et l’éducation des utilisateurs forment à eux trois les grands champs pour actionner les points stratégiques pour frapper vite et fort !
Différents points stratégiques permettent d’agir de manière efficace et immédiate.
Production
Chaudières et systèmes de refroidissement sont directement affectés par la température de retour d’eau dans l’installation, par les poussières ou les bulles d’air présentes dans l’eau.
TA Hydronics s’attaque à ces problèmes en permettant au système de fonctionner efficacement à la température idéale. Nos solutions de maintien de pression et de qualité d’eau s’assurent qu’il n’y a pas de dépôt sur les échangeurs de chaleur et que le transfert thermique optimal peut être atteint.
Distribution
La plupart des pompes fonctionnent avec un débit et une hauteur manométrique plus élevés que nécessaire. Si le système n’est pas correctement mis sous pression, le risque de cavitation de la pompe est élevé.
TA Hydronics répond à ces deux défis. Nos solutions de réglage de la pression différentielle optimisent le rendement des pompes à vitesse variable et nos appareils de maintien de pression protègent la pompe de la cavitation.
Ces solutions peuvent réduire la consommation électrique de la pompe de 40%.
Émission
De légères différences de températures ambiantes peuvent avoir un impact important sur l’efficacité énergétique. Dans un système de chauffage, une température ambiante trop élevée de 1°C peut causer un gaspillage d’énergie compris entre 6 et 11%. Dans un système de refroidissement, 1°C trop bas, peut conduire à un gaspillage d’énergie compris entre 12 à 18%.
TA Hydronics offre la précision requise à chaque fois. Grâce à notre expertise, à nos méthodes d’équilibrage et à notre gamme complète de commandes thermostatiques, aucune zone du bâtiment ne sera surchauffée ou sous-refroidie.
Mais quelles actions énergétiques pour ne pas perdre une seule occasion d’économiser l’énergie. Permettre dans chaque application de faire les bons choix, de démontrer le potentiel d’économie d’énergie à réaliser, d’investir dans l’effort pour l’environnement et de prouver l’efficacité de votre savoir-faire.
Production
Optimisation du système dans la production :
Action N°1
1 °C d’abaissement de la température d’eau de départ des groupes de froid augmente la consommation énergétique de 4 %.
Lorsque les pompes sont surdimensionnées et les circuits non équilibrés, un point de mélange se crée entre l’eau de départ et l’eau de retour des groupes de froid. En raison de cette incompatibilité des débits, la température de l’eau de départ est plus haute que la valeur calculée et les unités terminales ne sont pas en mesure de fonctionner au maximum de leur puissance, provoquant un désagrément pour les occupants.
Pour compenser cette incompatibilité, on peut abaisser la consigne des groupes de froid, mais cela augmente la consommation énergétique.
D’après la documentation technique des fabricants de groupes de froid, un abaissement de la température d’eau de départ de 1°C, augmente la consommation énergétique de 4% environ.
Action N°2
Une température de retour trop basse réduit le COP des groupes de froid jusqu’à 15%.
Une température de retour inférieure à la valeur de calcul peut provenir de différents problèmes hydrauliques, notamment :
• Un débit incontrôlé qui traverse un tuyau de bipasse, créant un mélange entre l’arrivée d’eau froide et le retour.
• L’utilisation de vannes de régulation à 3 voies au lieu de vannes de régulation à 2 voies lorsque cela est possible.
• L’installation est non équilibrée et les unités terminales sont globalement en sur-débit.
• La hauteur manométrique des pompes est mal ajustée.
Une température de retour trop basse réduit le ΔT = Ts – Tr (Ts : Température de départ ; Tr : Température de retour) et par conséquent la différence moyenne logarithmique entre le fluide frigo-porteur (eau) et le fluide frigorigène, réduisant ainsi le coefficient de performance jusqu’à 15%.
Action N°3
Dans les circuits de refroidissement, la corrosion et l’encrassement des échangeurs peut faire perdre jusqu’à 5 % de rendement aux groupes de froid et engendrer une augmentation de la perte de charge pouvant aller jusqu’à 10%.
Dans les échangeurs de chaleur, la corrosion et l’encrassement des tuyaux agissent comme un isolant thermique et diminuent le transfert de chaleur.
L’impact thermique de l’encrassement est souvent exprimé en résistance Rf, dont une approximation est : Rf = d/lf, d étant l’épaisseur et lf la conductivité thermique. Les pertes de charge vont également augmenter provoquant une surconsommation électrique des pompes.
Action N°4
Les sur-débits constatés dans les installations de chauffage ont un impact sur le rendement des chaudières à condensation en réduisant la période de condensation jusqu’à 20%.
Afin d’obtenir le meilleur rendement des chaudières à condensation, la température de l’eau de retour doit être maintenue en dessous du point de rosée des fumées. Le DT de l’installation doit donc être maintenu le plus grand possible. Cela ne pourra se faire qu’en ayant une régulation modulante stable et précise des unités terminales et en évitant les sur-débits provoqués par le déséquilibre hydraulique.
Dans un circuit en sur-débit, la température de retour est anormalement élevée. Le nombre de jours de capacité de condensation diminue alors jusqu’à 20%. Si on estime à 15% l’économie d’énergie due à la condensation, l’effet du sur-débit est estimé à 3% de la consommation énergétique de la chaudière.
Action N°5
1 mm de dépôt de tartre provoque une augmentation de la consommation énergétique annuelle jusqu’à 9 %.
Un système de maintien de pression inadéquat (mal dimensionné, de mauvaise qualité, etc.) oblige à faire régulièrement l’appoint d’eau afin de compenser les fuites des soupapes de sécurité provoquées par les surpressions successives. L’eau d’alimentation contient du tartre qui se dépose principalement sur les surfaces les plus chaudes (échangeur de la chaudière) du circuit de chauffage.
Ce dépôt se comporte comme un isolant qui agit sur le transfert thermique et la perte de charge. Il en résulte une perte de rendement de la chaudière et une augmentation de la consommation énergétique. De plus, une cavitation locale est créée par les dépôts de tartre qui endommagent considérablement la chaudière. Outre le problème du tartre, l’oxygène contenu dans l’eau d’appoint provoque la corrosion et le dépôt de magnétite dans tout le circuit de chauffage.
Distribution
Optimisation du système dans la distribution
Action N°6
En froid, le coût de fonctionnement des pompes (distribution à débit constant) représente de 7 à 17% de la consommation énergétique globale.
La consommation électrique des pompes est directement proportionnelle au débit d’eau, à la hauteur manométrique et au rendement. En froid, l’énergie fournie au circulateur et transférée à l’eau, doit être compensée par le groupe de froid. C’est pourquoi, l’énergie électrique des pompes doit être payée deux fois : au niveau du circulateur et au niveau du groupe de froid.
Consommation des pompes ≈ C0 + (Hauteur manométrique x Débit / Rendement global)
La formule ci-dessous donne une estimation de la part représentée par la consommation des pompes par rapport à la consommation énergétique saisonnière de l’installation fonctionnant à débit constant :
Cpr = (H/∆Tc) x (0,235/(Sc x ηp x ηm)x (COP + ηm) ≈ 3,34 x(H/∆Tc)
Soit :
Cpr : Coût de fonctionnement du circulateur en % de la consommation pour le refroidissement
H: Hauteur manométrique (mCE)
ηp : Rendement du circulateur
ηm : Rendement du moteur
Sc : Rapport entre la puissance de refroidissement saisonnier moyenne et la puissance maximale nécessaire
ΔTc : Différence nominale de température de l’eau
Exemple :
Si H = 25 mCE (250 kPa) et ΔTc = 5,5°C, le coût de fonctionnement du circulateur représente 15,2% de la consommation énergétique totale (Sc = 0,4 ; ηp = 0,75 ; ηm = 0,92 ; Coefficient de performance saisonnier COP = 3).
Remarque : Une étude récente montre qu’en chauffage, la consommation de la pompe représente 1,5% de la consommation énergétique dans les bâtiments tels que immeubles de bureaux, écoles et hôpitaux en Suède. Efficiency of building related pump and fan operation, thèse de doctorat soutenue par Caroline Markusson, École polytechnique de Chalmers, mai 2009.
Action N°7
L’énergie électrique nécessaire au fonctionnement des pompes peut être réduite facilement de 40% en procédant à l’équilibrage hydraulique des circuits.
Les coûts de fonctionnement des pompes sont proportionnels au produit de la hauteur manométrique par le débit. Généralement, les circuits non équilibrés fonctionnent globalement en sur-débit pour compenser les sous-débits locaux. On observe couramment un débit de distribution de 50% supérieur à la valeur de calcul*.
L’équilibrage amène également la possibilité d’optimiser la consigne de hauteur manométrique. Les réductions de hauteur manométrique varient beaucoup d’un projet à l’autre mais les concepteurs sur-dimensionnent toujours les pompes d’au-moins 10% par mesure de sécurité.
Pour une installation fonctionnant avec un sur-débit de 30% et une hauteur manométrique supérieure de 10%, l’équilibrage des circuits permettra de réaliser immédiatement une économie de 40% sur la consommation électrique des pompes.
Action N°8
Compenser un sous-débit de 20%, dans certaines unités terminales, par l’augmentation de la hauteur manométrique des pompes, conduit à une surconsommation électrique de 95%.
Il arrive souvent que la hauteur manométrique des pompes soit augmentée dans le but de compenser des sous-débits à certains points du circuit. Pour compenser un sous-débit de 20% dans certaines unités terminales, il faut augmenter le débit total de 25% (0,8 x 1,25 = 1). Comme la perte de charge du circuit augmente avec le carré du débit, la hauteur manométrique doit être majorée de 56% (1,25 x 1,25) pour obtenir l’accroissement de débit requis.
Pour obtenir une telle augmentation de la hauteur manométrique, on procède généralement au remplacement de la roue de la pompe ou on installe un modèle plus puissant. En supposant que les rendements respectifs de la pompe et du moteur restent inchangés, comme les coûts de pompage électrique sont proportionnels au produit de la hauteur manométrique par le débit, on obtient une surconsommation de 1,25 x 1,56 = 1,95, soit de 95% supérieure à la consommation normale.
Action N°9
Un circuit de chauffage ou de climatisation bien équilibré peut faire économiser jusqu’à 35% de la consommation d’énergie.
Par la force des choses, les unités terminales (batterie ventilée, radiateur, unité de traitement d’air) proches du circulateur travaillent en sur-débit, ce qui provoque des sous-débits dans d’autres unités terminales. Par exemple, dans les circuits de chauffage, il arrive souvent que les pièces proches de la chaudière et de la pompe soient en sur-débit et par conséquent surchauffées, tandis que les pièces éloignées atteignent difficilement la température prescrite. L’écart de température ambiante peut facilement atteindre 2°C à 4°C.
Cette situation provoque également un débit total plus important que nécessaire et augmente la consommation électrique du circulateur ainsi qu’un mauvais transfert de puissance aux interfaces. Cela conduit, la plupart du temps, à mettre en service plus d’unités de production (chaudières, groupes de froid) qu’il n’est nécessaire et dégrade leurs rendements.
Ces effets cumulés peuvent provoquer une surconsommation de 10% à 35%
Exemple de calcul en chauffage
Écart moyen de température ambiante : 2°C - Impact sur la consommation : 12% à 22% (Fait N°12)
Surconsommation du circulateur : 40% (Fait N°7) - Impact sur la consommation : 0,2% à 0,6%
Baisse du rendement de la chaudière à condensation : - Impact sur la consommation : 1% à 3% (Fait N°4)
Total : 13,1% à 24,8%
Exemple de calcul en froid
Écart moyen de température ambiante : 1°C - Impact sur la consommation : 12% à 18% (Fait N°13)
Surconsommation du circulateur : 40% (Fait N°7) - Impact sur la consommation : 2,8% à 6,8% (Fait N°6)
Baisse du rendement de la chaudière à condensation : - Impact sur la consommation : 5% à 15% (Fait N°1)
Total : 18,7% à 35,0%
Action N°10
Une augmentation de la température de l’eau de départ de 1°C représente 3% de déperdition thermique supplémentaire de la tuyauterie.
Pour corriger les problèmes hydrauliques, ou compenser une température ambiante trop basse ou trop haute, il arrive que l’on augmente (dans le cas du chauffage) ou diminue (dans le cas du refroidissement), la température de l’eau de départ. Cela à pour effet de surchauffer ou de sur-refroidir les pièces aux endroits les plus favorisés des bâtiments. Cela aura également un effet sur les pertes ou les gains de chaleur dans la tuyauterie, réduisant ainsi le rendement global du système climatique.
En chauffage, en supposant une température moyenne d’eau de 50°C et une tempé- rature à l’extérieur du tuyau de 20°C, la perte de chaleur augmente de 3% pour chaque degré de température d’eau supplémentaire par rapport à la valeur de calcul. Pour compenser une température ambiante trop basse de 1°C, il faut augmenter la température de l’eau d’environ 4°C (selon les conditions de calcul), ce qui entraîne une augmentation des per tes dans la tuyauterie de 12 % !
Pm = (∆T/40) x (3 + 5 x(de/(3 , 5 + 0 , 0 0 3 6 x (l/λ)))
Formule simplifiée pour calculer les pertes de chaleur dans la tuyauterie
Soit :
Pm: Pertes de chaleur dans la tuyauterie, par mètre (W/m)
∆T: Différence entre la température de l’eau et la température ambiante
de: Diamètre extérieur de la tuyauterie (mm)
l: Épaisseur de l’isolant (mm)
λ: Conductivité de l’isolant (W/m.K)
Action N°11
Du fait de la corrosion et de l’encrassement des tuyaux, la consommation électrique des pompes augmente jusqu’à 35%* au cours des premières années de fonctionnement des installations de chauffage ou de refroidissement.
La perte de charge dans la tuyauterie, souvent appelée perte de charge linéaire, dépend :
- Du diamètre intérieur du tuyau
- De la rugosité du tuyau
- De la densité et la viscosité de l’eau (fluide caloporteur)
- Du débit
La présence d’oxygène, pour cause d’un mauvais maintien de pression, provoque des phénomènes de corrosion. L’encrassement dû à la mauvaise qualité de l’eau et à la trop faible vitesse d’écoulement en certains endroits de l’installation altère fortement la tuyauterie. Cela entraîne une augmentation de la perte de charge des tuyauteries de +15% à +70% au cours des premières années, puis de +150% à +2400% au bout de 20 à 50 ans.
Pour compenser cette augmentation de la perte de charge, la hauteur manométrique doit être augmentée proportionnellement. Du coup, la consommation électrique des pompes augmente fortement également.
* Par exemple : En supposant que la perte de charge due à la tuyauterie représente 50% de la perte de charge totale, une augmentation de 70% de la perte de charge dans la tuyauterie provoque une augmentation de 35% de la consommation électrique de la pompe pour obtenir le même débit.
Émission
Optimisation du système d’émission
Action N°12
En chauffage, une température ambiante trop élevée de 1°C fait augmenter de 6 à 11% la consommation énergétique de l’installation.
La consommation énergétique du chauffage est directement liée à la différence de température entre l’ambiant et l’extérieur.
La surconsommation engendrée par une augmentation de la température ambiante peut être estimée par la formule suivante :
S% =100 / (Sc x (tic – tec– ai))
S% : Surconsommation en % par degré de température ambiante plus bas
Sc : Ratio entre la puissance moyenne annuelle et la puissance nominale
tic : Température ambiante de calcul
tec : Température extérieure de calcul
ai : Gain thermique exprimé en degré de température ambiante
Exemple :
Pour tic = +20°C, tec = -10°C, ai = 2°C et Sc = 0,4
La surconsommation est de : S = 9%
Une température ambiante stable et correcte est un des moyens les plus efficace de limiter la consommation énergétique.
Action N°13
Une température ambiante trop basse de 1°C fait augmenter de 12 à 18% la consommation énergétique annuelle de installation de climatisation.
En climatisation, si la température ambiante est de 23°C au lieu de 24°C (1°C trop bas), cela crée une surconsommation énergétique directement liée à la charge thermique du bâtiment.
Cette surconsommation peut être estimée par la formule suivante :
S% = 100 / (Sc x (tec – tic + ai))
S% : Surconsommation en % par degré de température ambiante plus bas
Sc : Ratio entre la puissance moyenne annuelle et la puissance nominale
tic : Température ambiante de calcul
tec : Température extérieure de calcul
ai : Gain thermique exprimé en degré de température ambiante
Exemple :
Pour tic = +23°C, tec = 35°C, ai = 4°C et Sc = 0,4
La surconsommation est de S = 16%
Une température ambiante stable et correcte est un des moyens les plus efficace de limiter la consommation énergétique.
Action N°14
Dans les installations régulées en “Tout ou Rien”, l’interactivité hydraulique peut impacter la consommation énergétique jusqu’à 7%.
Dans les systèmes à débit variable qui utilisent des vannes de régulation 2 voies en mode “Tout ou Rien”, lorsque certaines vannes sont fermées, la perte de charge dans la tuyauterie chute, créant une augmentation de la pression disponible pour les circuits qui sont encore ouverts. Ceci crée un sur-débit qui agit sur la consommation électrique du circulateur ainsi que sur la température de retour des groupes de froid ou des chaudières à condensation.
À 50% de la charge, un système “Tout ou Rien” peut provoquer un sur-débit jusqu’à 50%* supérieur au débit nominal. Ceci engendre une surconsommation du circulateur pendant la saison de refroidissement pouvant aller jusqu’à 3%* du coût énergétique total.
La température de retour est également impactée : 1,5°C à 2°C à 50% de la charge, provoquant une baisse moyenne du coefficient de performances des groupes de froid allant jusqu’à 4% (Fait N°2).
Au total, ces deux phénomènes créent une surconsommation estimée à 7%, à laquelle on pourrait ajouter la surconsommation liée à la déviation de température ambiante. Seule l’application d’une méthodologie d’équilibrage appropriée permettra d’obtenir les débits corrects pour toutes les unités terminales et d’éviter l’interactivité hydraulique.
Action N°15
Une régulation centralisée des températures, combinée à une programmation individuelle pièce par pièce, permet d’économiser jusqu’à 20% sur la consommation énergétique.
Il est possible d’économiser de l’énergie en abaissant (chauffage) ou en augmentant (refroidissement) la température ambiante pendant les périodes de non-occupation (ou pendant la nuit). Plus la période d’abaissement est longue, plus les économies d’énergie sont importantes. Cette formule donne une estimation des économies d’énergie réalisables grâce à l’abaissement de température :
Esaving % = 100 – (((tsetback x (100 – (Tset – Tsetback) x Esaving (1°C)) + tset x 100)/ 24)
tsetback (heures) : Durée de la période d’abaissement
tset (heures) : Période de température normale
tsetback (°C) : Température d’abaissement nocturne
tset (°C) : Température ambiante normale
Esaving (1°C) (%) : Économie réalisée en abaissant de 1°C la température ambiante
Soit une pièce maintenue à 20°C de 8 h à 18 h (10 heures) et une température d’abaissement nocturne de 3°C inférieure (17°C) pendant le reste du temps (14 heures). Supposons que chaque degré représente une économie de 10% (voir Fait N°14), l’économie d’énergie est de 17,5%*.
Action N°16
Chaque heure de démarrage du chauffage plus tôt que nécessaire coûte 1,25% de consommation énergétique en plus.
Si l’installation de chauffage ou de climatisation n’est pas correctement équilibrée, certaines pièces mettent beaucoup plus longtemps à atteindre la température requise après la période d’abaissement nocturne. Cette situation incite certains à démarrer leur installation plus tôt que nécessaire, ce qui augmente la consommation énergétique. Si, à cause d’un problème hydraulique, le démarrage s’effectue 1 h plus tôt, l’augmentation de la consommation sera de +1,25%*.
Dans certains bâtiments, en raison d’une grande difficulté à atteindre une température ambiante confortable après la période d’abaissement nocturne, il a été décidé d’annuler la programmation du régulateur avec, pour conséquence, une augmentation de la consommation pouvant atteindre 20% !
Action N°17
En comparaison avec des robinets manuels, les robinets thermostatiques permettent une économie d’énergie pouvant atteindre 28%.
Prenant en compte le comportement thermique du bâtiment (maison individuelle), les variations climatiques extérieures, le type de chaudière et le comportement des occupants, l’Université de Dresde a réalisé une étude comparant une installation équipée de robinets manuels avec une installation équipée de robinets thermostatiques.
Considérant :
- Un régime de température 90°C/70°C
- Un bâtiment isolé selon le standard Allemand en 1982
- Une chaudière à condensation
L’économie d’énergie peut atteindre 28% si on remplace les robinets manuels ouverts à 100% (débit nominal) par des robinets thermostatiques. Pour un régime de température 70°C/55°C, l’économie est de 19%.
Action N°18
La présence d’air dans les radiateurs peut réduire de 80% la puissance thermique.
La présence d’air dans l’eau doit être réduite au maximum afin de limiter la corrosion, le risque de cavitation et le bruit. Sa présence a aussi pour effet de réduire la puissance des unités terminales.
L’imagerie thermique révèle que la création de poches d’air gêne la circulation de l’eau dans les radiateurs et réduit considérablement la puissance émise.
Face à la situation désagréable créée par la perte de puissance du radiateur, les utilisateurs augmentent la température de départ de la chaudière et le débit du circulateur. Cela augmente de manière considérable la consommation du système de chauffage (voir les Faits 4, 8 et 12).
Action N°19
En remplaçant une ancienne tête thermostatique (antérieure à 1988) par un modèle récent, on peut économiser jusqu’à 7% sur la consommation énergétique.
L’université de Dresde (Allemagne) a réalisé une étude portant sur les économies pouvant être obtenues en remplaçant les robinets thermostatiques antérieurs à 1988 par des modèles récents. L’étude conclut qu’il est possible d’abaisser la température ambiante moyenne en remplaçant les anciens robinets thermostatiques par de nouveaux tout en conservant le même niveau de confort. Ce moyen plus performant de régulation de la température ambiante permet de faire des économies qui dépendent de la température de calcul de l’installation de chauffage (voir tableau ci-dessous).
|
Température nominale |
Economie d’énergie |
|
90°C/70°C/20°C |
7% |
|
70°C/55°C/20°C |
5% |
Action N°20
Le réglage pièce par pièce de la température ambiante dans le cas d’un plancher chauffant permet d’économiser jusqu’à 20% sur la consommation énergétique.
Les courbes (ci-dessous) montrent que les valeurs nominales de la température ambiante dans les zones d’usage principales sont très proches de la consigne de 20°C dans le cas d’un réglage pièce par pièce de la température ambiante.
En l’absence d’un dispositif de réglage local, la température ambiante est plus élevée de 1,5 à 2 K. (extrait de l’étude mentionnée ci-dessous).
Cet écart de la température ambiante entraîne une hausse de la consommation énergétique pouvant aller jusqu’à 20% (Fait N°12) !
