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6.5 Puissance de refroidissement à installer

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Pour évaluer la puissance de refroidissement à installer dans un local ou un bâtiment entier, des modèles de calcul instationnaires doivent être employés. Selon son inertie – masse d’accumulation thermique des surfaces entourant la pièce – le local a besoin d’une plus courte ou d’une plus longue phase transitoire (voir Fig. 6.11) pour atteinde un régime permanent (fluctuations périodiques de la température).

Comportement transitoire d'un local
Fig. 6.11: Comportement transitoire d’un local

Pour le régime permanent, des modèles de calcul simplifiés peuvent être appliqués. L’évaluation de la puissance de refroidissement à installer se fonde sur un bilan des flux de chaleur dans le local prenant en compte les grandeurs représentées à la figure 6.12.

Flux de chaleur dans un local
Fig. 6.12: Flux de chaleur dans un local

Les états transitoires doivent être étudiés à l’aide de programmes de simulation dynamiques (voir Chapitre 6.6).

La puissance de refroidissement d’un local se compose d’une part de charges internes et d’autre de charges externes:

(6.37)

où:

(6.38)

Les charges internes sont déterminées par la densité d’occupation et le degré de technicité. Des valeurs indicatives sont rassemblées dans les tableaux 6.12 à 6.14.

Tab. 6.12: Dégagements de chaleur par les personnes dans les bureaux (par m2 de surface utile)

Tab. 6.13: Dégagements de chaleur par les appareils dans les bureaux (par personne)

Tab. 6.14: Dégagements de chaleur par l’éclairage (par m2 de surface utile)

(6.39)

On compte positivement les flux de chaleur entrant dans la pièce et négativement ceux qui en sortent. Le débit d’air à fournir pour le refroidissement se calcule comme suit:

(6.40)

Pour la détermination des charges internes telles que les dégagements de chaleur par les personnes, l’éclairage et les appareils, un Facteur de simultanéité doit être pris en compte. Le cahier technique SIA 2024 spécifie des valeurs de référence pour des bureaux typiques (voir Fig. 6.13–6.15).

Evolution journalière du facteur de présence dans les bureaux
Fig. 6.13: Evolution journalière du facteur de présence dans les bureaux (bureau individuel, collectif ou paysagé)

L’effet d’accumulation thermique des éléments massifs peut être pris en compte soit par des calculs instationnaires ou par des modèles simplifiés comme par exemple l’utilisation de facteurs d’accumulation ou de différences de températures équivalentes (différences de températures virtuelles selon SIA 382/2 respectivement ASHRAE [6.24]).

Evolution journalière du facteur d'utilisation des appareils dans les bureaux individuels et collectifs
Fig. 6.14: Evolution journalière du facteur d’utilisation des appareils dans les bureaux individuels et collectifs (3–6 places de travail)

Evolution journalière du facteur d'utilisation des appareils dans les bureaux paysagés
Fig. 6.15: Evolution journalière du facteur d’utilisation des appareils dans les bureaux paysagés

6.5.1 Preuve du besoin de refroidissement

Selon la norme SIA 382/1 [6.4], un refroidissement mécanique devient nécessaire lorsque la température ambiante dépasse nettement la limite supérieure de 26,5 °C durant les périodes d’utilisation (voir limites du domaine d’utilisation à la Fig. 1.29, chapitre 1.2). Des températures supérieures à cette limite ne doivent pas être enregistrées plus de 100 heures par année. Cette exigence est valable pour les périodes d’utilisation y compris les jours caniculaires (température extérieure maximale journalière supérieure à 30 °C).

Pour apporter la preuve du besoin de refroidissement, des modèles de simulation dynamiques détaillés (voir chapitre 6.6) doivent êre employés avec les conditions aux limites suivantes:

  • Pas de temps: 1 heure ou moins
  • Données climatiques: Design Reference Year (DRY) du cahier technique SIA 2028 [6.32], année moyenne de référence ou année chaude de référence
  • Protection solaire: exigences sur les valeurs g selon figures 6.16 et 6.17. Le dispositif de protection solaire est fermé quand l’irradiance solaire globale sur la façade dépasse 90 W/m2
  • Charges internes: les charges thermiques indiquées dans le cahier technique SIA 2024 [6.29] doivent être utilisées
    • Personnes: part convective 50 %, part radiative 50 %, seule la part sensible du dégagement de chaleur par les personnes est déterminante, valeurs en fonction de l’activité d’après le cahier technique SIA 2024 [6.29] et le tableau 1.10 au chapitre 1.2
    • Eclairage: niveaux d’éclairement d’après le cahier technique SIA 2024 [6.29]. Eclairage artificiel asservi à l’éclairage naturel séparément pour la zone jusqu’à 5 m de la façade et le reste de la surface du local. Part convective 30 %, part radiative 70 %
    • Appareils: profils des charges selon le cahier technique SIA 2024 [6.29] part convective 80 %, part radiative 20 %
  • Débit de ventilation:
    • Aération par les fenêtres durant la période d’utilisation avec un débit plus élevé si θe < θi et θi > 22 °C. Autrement uniquement débit de ventilation minimal hygiéniquement nécessaire (30 m3/h par personne)
    • Aération intensive par les fenêtres hors de la période d’utilisation (na = 3 h–1), quand θe < θi et θi > 22 °C. Autrement débit de ventilation constant de 0,3 m3/(hm2)
    • Ventilation mécanique: débit de ventilation hygiéniquement nécessaire de 30 m3/h par personne durant la période d’utilisation. Hors de cette période débit augmenté à na = 3 h–1, si la différence de température entre le local et l’air extérieur est d’au moins 4 K et que la température ambiante du local dépasse 24 °C. Autrement débit de ventilation constant de 0,3 m3/(hm2)
  • Période d’utilisation: fixée selon les conditions d’utilisation standard indiquées dans le cahier technique SIA 2024 [6.29]
  • Durée de fonctionnement: l’installation fonctionne une heure avant le début de la période d’utilisation et s’arrête une heure après cette période. L’installation fonctionne sans interruption durant la pause de midi.
  • Période de calcul: 15 avril au 15 octobre (l’année 1987 sert à déterminer les jours de la semaine)
  • Décompte: les températures ambiantes du local durant la période de fonctionnement doivent être ordonnées selon les maxima journaliers de la température de l’air extérieur, en prenant en compte les jours caniculaires

Le taux de surface vitrée fg d’un bâtiment, d’une façade ou d’une toiture correspond au rapport de la somme des surfaces vitrées Ag sur la somme des surfaces de façade AF respectivement de toiture AR.

Exigences sur les valeurs g des fenêtres en façade
Fig. 6.16: Exigences sur les valeurs g des fenêtres en façade (vitrages et protections solaires) en fonction du taux de surface vitrée et de l’orientation selon la norme SIA 382/1 [6.4]

Exigences sur les valeurs g des lanternaux
Fig. 6.17: Exigences sur les valeurs g des lanternaux (vitrages et protections solaires) selon la norme SIA 382/1 [6.4]

6.5.2 Principes pour la planification

Dans le climat suisse, les charges externes peuvent être suffisamment réduites par des moyens de protection solaire pour que généralement on puisse renoncer au refroidissement des locaux. Pour éviter le recours systématique au refroidissement mécanique, les principes suivants doivent être considérés:

  • Protection solaire efficace des surfaces de fenêtre par l’utilisation de dispositifs extérieurs pour parvenir à des valeurs g basses avec de faibles apports de chaleur secondaires
  • Minimisation des charges internes par l’utilisation d’appareils économes en électricité ou directement refroidis (par exemple: centres informatiques)
  • Utilisation optimale de l’éclairage naturel ainsi que commande et régulation de l’éclairage artificiel en fonction des besoins
  • Construction massive (m > 300 kg/m2) par la mise en œuvre de plafonds et planchers en béton sans couvertures thermiques
  • Dispositions des fenêtres appropriées favorisant un bon renouvellement d’air naturel (par exemple: aération traversante); des fenêtres protégées des intempéries et résistantes aux infractions permettent en plus une aération nocturne efficace des locaux (refroidissement naturel nocturne de 1 à 3 K).

La puissance de refroidissement d’un local dépend avant tout des charges internes et de la possibilité d’aération par les fenêtres. La norme SIA 382/1 [6.4] considère qu’un refroidissement est nécessaire, selon les circonstances, en fonction des charges thermiques internes journalières:

Tab. 6.15: Détermination de la nécessité du refroidissement en fonction des charges internes

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