Cours_Batiment_MPons..

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Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Énergétique du bâtiment :
Ventilation
et quelques équipements
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M. Pons
CNRS-LIMSI , Rue J. von Neumann,
BP133, 91403 Orsay Cedex
http://perso.limsi.fr/mpons
Master 2 DFE
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Organisation
• Deuxième partie
• Notions de confort thermique
• Ventilation, mouvements d’air
• Quelques équipements
 Chauffe-eau thermodynamique
Et Pompes à Chaleur (PAC)
 Centrales de Traitement d’Air (CTA)
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Pourquoi penser à d’autres chauffe-eau ?
• Qu’est-ce qu’un chauffe-eau ? réservoir d’eau, plus système de
chauffage, plus isolation, plus régulation de température.
• Système de chauffage = électrique ou à combustible (gaz, fuel …)
• Quels sont les besoins en eau chaude sanitaire (ECS) ?
Quantité = 40 litres/jour/personne.
Températures : chaude = 55°C (en tenant compte de la chaleur
dissipée par le ballon et dans les canalisations) ; réseau à 15°C ;
• Consommation énergétique journalière 4 personnes – 100 m2.
= 4x40x4185x40 / 3600 = 7440 Wh, soit 27 kWh/m2/an.
= plus de la moitié de la consommation d’un Bâtiment Basse
Consommation (BBC) neuf [50 kWh/m2/an].
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Qu’est-ce qu’un chauffe-eau thermodynamique ?
• C’est un chauffe-eau qui utilise un cycle dit thermodynamique
pour réduire sa consommation d’énergie.
• Sont nommés thermodynamiques un certain nombre de
procédés faisant travailler un fluide entre deux températures,
deux pressions, et souvent deux états (phases), dans un cycle
associant des transformations élémentaires (relativement) bien
définies, telles que isothermes, isobares, adiabatiques,
isochores, isenthalpes, etc.
• Ici, le fluide est un fluide très utilisé dans les réfrigérateurs,
climatiseurs, et congélateurs, le R134A.
R134A = C2H2F4 : No ozone depletion. Mais GWP important.
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Le concept - 1
• Récupérer de la chaleur perdue dans le bâtiment,
la revaloriser (augmenter son niveau de température) grâce à une
pompe à chaleur, et utiliser
la chaleur ainsi produite pour chauffer l’eau chaude sanitaire.
• Première question : l’énergie récupérable existe-t-elle dans la
maison ? En supposant que la chaleur fournie par le chauffe-eau
à l’ECS est soustraite à l’air extrait tout au long des 24 heures,
à quel T sur l’air extrait cette énergie correspond-elle ?
• Application numérique :
cas d’une famille de 4 personnes avec débit de ventilation égal à
135 m3.h-1.
• Est-ce que ça peut fonctionner ?
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Le concept - 2
•
•
•
•
Air extrait après récupération de chaleur : à moins que 10°C
Besoin de chauffer l’eau à 55°C
Transfert non-spontané, donc utilisation d’une pompe à chaleur
Principe d’une pompe à chaleur :
Condenseur
Détendeur
Qf
Tf
Evaporateur
• Extraire de la chaleur à basse
température
Tc
• céder de la chaleur à haute température
• en utilisant de l’énergie mécanique.
CompresseurW
m
• Le cycle est plus efficace
quand le fluide subit des
changements de phase
liquide-vapeur
(condensation, évaporation)
Qc
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Le diagramme p-h du R134A
•
•
•
•
h = enthalpie
p = pression
Courbe noire : équilibre
liquide vapeur
Iso-composition, dans le
domaine liquide-vapeur
Isotherme (température)
•
Isochore (densité)
•
Isentropique (entropie)
•
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Quelques transformations fondamentales - 1
•
Chauffage (->) ou
refroidissement (<-)
isobare
•
Changement de pression
sans échange d’énergie
avec l’extérieur
(quel sens ?)
•
Compression,
sans échange de chaleur
(adiabatique)
ou avec
(refroidissement
ou chauffage).
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Quelques transformations fondamentales - 2
•
Compressions …
1. … adiabatique réversible
 entropie s = constante ;
1i 1r
•
2. … avec chauffage ;
isentropique 
0
•
h1i  h0
h1r  h0
3. … avec refroidissement.
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Définition des échanges de chaleur
T [°C]
• Diagramme T-h.
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• 1. Production d’eau chaude
•
R134A -Q-> ECS
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• 2. Extraction de chaleur
de l’air rejeté à l’extérieur
• Air extrait -Q-> R134A
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0±1
-10
h
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TD : Calcul du cycle suivi par le R134A
• Avec …
• les températures (condensation, évaporation …) données en
planche précédente (Définition des échanges de chaleur),
• le R134A à la sortie de l’évaporateur à l’état de vapeur saturée,
• et un rendement isentropique de la compression = 0,8 :
• Q_1 : Positionner les quatre transformations du cycle sur le
diagramme pression-enthalpie fourni.
• Q_2 : Pour 1 kg de R134A cyclé, quelle est l’énergie fournie par
le compresseur ? Et quelle est l’énergie reçue par l’eau chaude ?
Quel est le COA (Heating-COP) du cycle ?
• Q_3 : Quel serait le débit de R134A pour que la pompe à chaleur
fournisse 310 W à l’eau chaude ?
• Q_4 : De combien serait refroidi un débit d’air de 135 m3.h-1 ?
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Refroidissement de l’air extrait
• L’air extrait du bâtiment peut être ainsi refroidi
jusqu’à des températures proches de 0°C.
• Que peut-il se passer lorsque
l’air intérieur est ainsi refroidi ?
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L’air humide
•
•
•
•
Qu’est-ce que “l’air humide” ?
Combien de degrés de liberté (règle des phases) ? Lesquels ?
Y a-t-il des limites aux choix possibles ?
Pression partielle vapeur d’eau
pw
xw

ptot xw  0.622
• Taux d’humidité relative
pw
w% 
Psat (T )
• Enthalpie
h  2502  xw  (1.005  1.90  xw )  (T  273.15)
v  c  2 
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Mise en présence d’air non-saturé
et d’eau liquide à la même temperature
• Que se passe-t-il ? Masse ? Énergie ?
• Variation d’enthalpie ?
dxw  2502  (1.9  4.185)(T  273.15)   1.005  1.9 xw  dT  0
dxw  2502  1.9(T  273.15)   1.005  1.9 xw  dT  4.185(T  273.15) dxw
dh  4.185(T  273.15)dxw  0
v  c  2 
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Le diagramme psychrométrique
(de l’air humide, de Carrier )
Humidité absolue
[g_H2O/g_air_sec]
1 graduation = 0,001 g/g
-> Pression partielle
Humidité relative
[%] + courbe
saturation
Enthalpie [kJ/kg]
Température
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Zone de confort dans diagramme air humide
Entre
18 et 26°C
Entre
30% et 52%
d’humidité
relative
(à 26°C)
À 0°C, quelle
teneur en eau
maximale ?
Si 20°C à 50 %
xw = 0,0074 g/g
h = ?? kJ
0°C
T
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En continuation du TD
• Quelle puissance thermique supplémentaire
pourrait ainsi être récupérée sur l’air extrait ?
(135 m3.h-1 air sec)
• Quels facteurs liés à l’occupation peuvent
augmenter / diminuer cette énergie récupérée ?
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Organisation
• Deuxième partie
• Notions de confort thermique
• Ventilation, mouvements d’air
• Quelques équipements
 Chauffe-eau thermodynamique
Et Pompes à Chaleur (PAC)
 Centrales de Traitement d’Air (CTA)
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Quelques données thermophysiques [en USI]
pour les conditions standard (25°C, 1,013×105 Pa)
Conductivité
k
[W.m -1.K -1 ]
Chaleur
spécifique cp
Masse
volumique 
[J.kg -1.K -1 ]
[kg.m -3 ]
Viscosité
dynamique 
[kg.m -1.s -1 ]
Air
0,026
1006
1,18
18,2 x 10-6
Eau (liq.)
0,6
4180
1000
903 x 10-6
870 (?)
Liq. : 1200
Vap. : 4,25
R134A
(C2H2F4)
273  111  T 
• Viscosité dynamique de l’air :
  17.1  106 


(formule de Sutherland)
T  111  273 
2/3
[kg.m-1.s-1 ]
Quelques sites web utiles :
www.aicvf.org/ - www.ffie.fr/ - www.uecf.fr/
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