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6.2 Evaluation de la puissance de chauffage et des besoins en énergie

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L’estimation de la puissance se base en principe sur le bilan thermique d’un local unique: à l’état stationnaire les flux de chaleur qui pénètrent ainsi que ceux qui sont générés dans un local s’équilibrent avec les flux de chaleur qui sortent vers l’extérieur. Un bâtiment entier est ainsi constitué d’un système de locaux qui s’influencent mutuellement.

Flux de chaleur au travers du bâtiment respectivement d'un local
Fig. 6.1: Flux de chaleur au travers du bâtiment respectivement d’un local

En admettant que durant une période de chauffage tous les locaux sont maintenus, à l’aide d’un dispositif de régulation du chauffage, à une température fixée, la puissance de chauffage momentanée Φh s’obtient séparément pour chaque local en posant:

(6.1)

Dans les locaux non chauffés, la puissance de chauffage Φh = 0. La température ambiante s’établira à un niveau permettant de maintenir l’équilibre des flux de chaleur. Ces températures ambiantes doivent être introduites comme inconnues du système. Pour des locaux chauffés à des valeurs de consigne, ce sont les différentes puissances de chauffage qui sont traitées comme inconnues. La résolution conduit ensuite à un système d’équations avec autant d’inconnues que de locaux. En mode estival les installations de chauffage sont déclenchées et toutes les températures ambiantes doivent être traitées comme variables. Cependant, par climatisation complète on règle thermostatiquement la température des locaux ou groupes de locaux ce qui peut conduire à nouveau à fixer les températures des locaux à des valeurs (maximales) déterminées.

Pour estimer les besoins mensuels ou annuels d’énergie d’un bâtiment, il suffit souvent de considérer le bâtiment en entier et de comptabiliser uniquement les flux de chaleur qui traversent l’enveloppe du bâtiment (surface d’enveloppe des volumes chauffés). Le flux de chaleur par transmission et renouvellement d’air est alors décrit par un coefficient de transfert thermique spécifique H (EN ISO 13789 [6.6]):

(6.2)

Pour obtenir le coefficient de transfert thermique HT on procède, pour chaque condition de température extérieure θe, à une somme sur tous les éléments de construction i, sur tous les ponts thermiques linéaires k ainsi que sur tous les ponts thermiques ponctuels j.

(6.3)

(6.4)

6.2.1 Calcul détaillé des besoins en énergie pour une période Δt

Le calcul des besoins en énergie s’effectue sur la base de la norme EN ISO 13790 [6.7].

Déperditions par transmission QT

(6.5)

Les déperditions par transmission au travers d’éléments enterrés nécessitent une attention particulière en raison de la multidimensionnalité marquée des flux de chaleur (ponts thermiques), du grand nombre de réservoirs de chaleur impliqués (air extérieur, air intérieur, air du sous-sol, terrain) ainsi que de la capacité thermique élevée du terrain (voir à ce propos les chapitres 2.3.6 et 6.4.2).

Déperditions par renouvellement d’air QV

(6.6)

Apports de chaleur Qg

(6.7)

  • Apports de chaleur internes par les personnes QiP
(6.8)

  • Apports de chaleur internes par électricité QiEL
(6.9)

Les conditions normales d’utilisation rapportées à la surface de référence énergétique AE sont résumées au Tab. 6.7.

  • Apports de chaleur solaires QS
(6.10)

Apports de chaleur utiles Qug

(6.11)

Taux d’utilisation ηg

Le taux d’utilisation ηg indique la part des apports de chaleur qui est utilisable pour le chauffage, c’est-à-dire qui procure une diminution des besoins de chaleur pour le chauffage. Ce taux d’utilisation des apports de chaleur dépend du rapport des apports sur les déperditions ainsi que de l’inertie thermique du bâtiment. Il est calculé sur la base de ces formules (voir aussi Fig. 6.2):

(6.12)

Tab. 6.3: Constantes pour la détermination du taux d’utilisation des apports de chaleur

Taux d'utilisation des apports de chaleur pour différentes constantes de temps du bâtiment
Fig. 6.2: Taux d’utilisation des apports de chaleur pour différentes constantes de temps du bâtiment [6.2]

Influence de l’inertie thermique

Le moteur qui permet à un corps de chauffe de délivrer de la chaleur est constitué par la différence de température entre la surface chauffante et l’air du local. Si la température du local augmente à cause d’autres apports de chaleur, la distribution de chaleur par le chauffage est influencée. Ceci signifie qu’un effet d’autorégulation peut être observé dont l’ampleur dépend fortement de la température des surfaces du système de chauffage.

Les systèmes fonctionnant avec de basses températures de distribution présentent des propriétés d’autorégulation nettement meilleures.

Le paramètre déterminant est la capacité thermique effective selon EN ISO 13786 chiffre 7.2.2, sans prise en compte de la résistance thermique RSi pour des oscillations de température ayant des périodes de 24 h. La capacité thermique est rapportée à la surface de référence énergétique AE de façon à pouvoir fournir des valeurs de calcul simplifiées.

La capacité thermique sert au calcul de la constante de temps τ = C/H. H est le coefficient de transfert thermique spécifique du bâtiment (voir formule 6.2). C est la capacité thermique de l’espace chauffé selon EN ISO 13786 [6.12]:

(6.13)

La constante de temps est employée pour le calcul du taux d’utilisation des apports de chaleur. Comme ce taux d’utilisation ne dépend que légèrement de la constante de temps, la capacité thermique par unité de surface de référence énergétique C/AE peut être remplacée par les valeurs approchées du Tab. 6.4.

Tab. 6.4: Capacité thermique rapportée à la surface de référence énergétique (valeurs de calcul) selon SIA 380/1 [6.2]

Pour un bâtiment comprenant différents types de construction et devant être calculé avec un modèle à zone unique, la constante de temps peut être obtenue par une moyenne pondérée par la surface de référence énergétique.

L’estimation des besoins de chaleur pour le chauffage repose sur l’hypothèse d’un réglage idéal qui ajuste les températures de toutes les pièces aux valeurs de consigne et qui réagit rapidement aux apports de chaleur variables. Une majoration de la température de la pièce (Δθi,ctr) est employée pour décrire l’effet d’une régulation non idéale sur les besoins de chaleur pour le chauffage (Tab. 6.5).

Influence de la régulation du chauffage

La régulation de chauffage est actuellement en principe réalisée par une commande de la température de circulation asservie aux conditions météorologiques. Comme normalement la température extérieure de l’air est mesurée du côté nord, la présence de rayonnement solaire ne provoque pas de réduction de la puissance de chauffage. Une réaction efficace aux apports de chaleur est ainsi seulement possible avec une régulation par pièce.

L’utilisation de vannes thermostatiques sur les corps de chauffe conduit, pour autant qu’elles soient bien positionnées et réglées, à un effet comparable à celui d’une régulation de la température par pièce.

Tab. 6.5: Majoration Δθi,ctr de la température ambiante (Valeurs de calcul) selon SIA 380/1 [6.2]

Besoins de chaleur pour le chauffage Qh

(6.14)

Attention aux unités d’énergie! En fonction du type de paramètre d’entrée, les quantités d’énergie sont exprimées en Wh, kWh ou respectivement J, MJ (1 kWh = 3,6 MJ).

Pour les calculs des besoins de chaleur selon SIA 380/1, toutes les quantités de chaleur sont rapportées à la surface de référence énergétique AE du bâtiment et sont exprimées en MJ/m2.

Besoins de chaleur pour l’eau chaude sanitaire QWW

(6.15)

Le bilan énergétique d’un bâtiment peut être visualisé sour la forme d’un diagramme des flux d’énergie. On y distingue l’énergie finale et l’énergie utile (voir Fig. 6.3).

Fraction utile η

Les déperditions par transformation et distribution qui ont lieu lors de la conversion d’énergie finale en énergie utile sont prises en compte par ce que l’on appelle une fraction utile:

(6.16)

(6.17)

(6.18)

Tab. 6.6: Valeurs indicatives pour la fraction utile [6.2]

Tab. 6.7: Conditions normales d’utilisation pour les calculs selon SIA 380/1 [6.2]

Diagramme des flux d'énergie
Fig. 6.3: Diagramme des flux d’énergie

6.2.2 Jours de chauffage et degrés-jours

Les déperditions de chaleur par transmission et renouvellement d’air durant une période de temps Δt déterminée sont proportionnelles à (θi – θe) · Δt. Pour évaluer les besoins de chaleur annuels pour le chauffage, on additionne ces produits sur la durée de la saison de chauffage (c’est-à-dire sur le nombre de jours de chauffage JC). On prend également en compte le fait que l’installation de chauffage est enclenchée uniquement lorsque la température extérieure moyenne journalière θe est inférieure à une valeur dénommée limite de chauffage θg (voir [6.8]).

(6.19)

(6.20)

Evolution annuelle de la température extérieure avec visualisation de l'aire
Fig. 6.4: Evolution annuelle de la température extérieure avec visualisation de l’aire (l’intégrale) représentative des DJ20/12

Par conséquent il apparaît que les degrés-jours (DJ) représentent un paramètre simple et souvent employé pour le calcul des besoins en énergie des bâtiments chauffés. Ce paramètre correspond à l’aire (l’intégrale) comprise sous la courbe (θi – θe(t)) pour toutes les valeurs θe(t) ≤ θg. En principe une température extérieure de θg = + 12 °C est considérée comme limite de chauffage (→ DJ20/12). D’autres températures limites peuvent être posées selon l’inertie du bâtiment, son isolation thermique, la part des apports de chaleur gratuits ou l’affectation particulière du local (par exemple: pour un bâtiment solaire passif θg < 10 °C; pour un bâtiment léger et mal isolé thermiquement θg > 12 °C; pour une chambre à coucher θi ≈ 16 °C; pour les salles de bains/WC θi ≈ 22 °C).

Le nombre de jours de chauffage ne peut par contre être déterminé qu’à l’aide de la courbe annuelle de la température extérieure ou alors en utilisant la courbe de fréquence cumulée de la température extérieure moyenne journalière (voir annexes 9.14, 9.15). Cette courbe indique, pour une température donnée, le nombre de jours dans l’année durant lesquels la température est inférieure à cette valeur. Contrairement à la courbe annuelle de température, la courbe de fréquence cumulée permet de prendre en compte directement les températures moyennes journalières extrêmes. Cette représentation offre en outre l’avantage de pouvoir simplement déterminer les degrés-jours pour n’importe quelle température ambiante intérieure, même partiellement variable, et n’importe quelle limite de chauffage.

Courbe de fréquence cumulée de la température extérieure et aires représentatives des DJ pour deux locaux chauffés différents
Fig. 6.5: Courbe de fréquence cumulée de la température extérieure et aires représentatives des DJ pour deux locaux chauffés différents (Zurich SMA)

6.2.3 Apports solaires

On peut distinguer deux types d’apports solaires:

  • Les apports directs au travers des fenêtres
  • Les apports indirects au travers d’éléments ensoleillés mais non transparents (murs, toits)

Pour les calculs des besoins de chaleur pour le chauffage, les apports directs sont considérés (voir chapitre 6.2.1) alors que les apports indirects sont souvent négligés. Ceci peut conduire à d’importantes erreurs sur le calcul des déperditions de chaleur par transmission, en particulier pour des bilans mensuels [6.23].

Pour des murs équipés d’une isolation transparente, les apports provoqués par le rayonnement solaire absorbé doivent être pris en compte car ils atteignent des ordre de grandeurs significatifs. Un mur massif construit avec une isolation transparente devient un mur collecteur.

Mur équipé d'une isolation transparente
Fig. 6.6: Mur équipé d’une isolation transparente (TIM)

Le rayonnement solaire échauffe l’absorbeur constitué par la surface extérieure du mur tandis que ce dernier stocke la chaleur et la fournit avec retard au local intérieur. Grâce aux bonnes propriétés thermiques de l’isolation transparente, seule une petite part de la chaleur emmagasinée est perdue vers l’extérieur. Ainsi, le bilan thermique de ce type de mur absorbeur est souvent positif, c’est-à-dire les apports solaires excèdent les déperditions. Selon le type de système de mur et l’orientation, le gain se situe 50–400 MJ/m2 · a sur le Plateau suisse.

Une protection contre la surchauffe que ce mur collecteur peut procurer doit être considérée avec une attention particulière car les températures de l’absorbeur peuvent facilement atteindre 80–90 °C. Une protection solaire extérieure telle qu’un store à rouleau ou à lamelle est par conséquent indispensable pour protéger l’isolation transparente et le mur en été. Les éléments polycarbonates en nid d’abeilles ou capillaires actuellement utilisés tolèrent des températures maximales ne dépassant pas 90 °C.

Le modèle simplifié suivant peut être utilisé pour établir un bilan thermique mensuel (voir [6.10]):

(6.21)

Tab. 6.8: Paramètres caractéristiques de matériaux TIM
gB Taux de transmission d’énergie globale ou le rayonnement direct
gD Taux de transmission d’énergie globale ou le rayonnement diffus

En général le bilan énergétique de façades TIM est positif pour les orientations Est-Sud-Ouest (voir Fig. 6.7).

Bilan énergétique sur la saison de chauffage d'un mur en brique de 32 cm d'épaisseur avec 12 cm de TIM
Fig. 6.7: Bilan énergétique sur la saison de chauffage d’un mur en brique de 32 cm d’épaisseur avec 12 cm de TIM (ΛTIM = 0,73 W/(m2 · K), g = 0,7) [6.22]

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2018-09-24T18:06:02+00:00
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