A la recherche d'économies d’énergie jusque dans les moindres recoins

Il est vrai que les produits de ventilation, de chauffage et de refroidissement deviennent progressivement plus efficaces, sous l'impulsion de la législation et du développement de nouvelles technologies dans les composants. Mais tout en évoluant vers de nouvelles technologies efficaces, il faut s'assurer que la technologie existante est utilisée de la manière la plus intelligente et la plus efficace possible.

En règle générale, les systèmes CVC sont conçus pour être utilisés dans des conditions climatiques les plus défavorables : les systèmes de refroidissement sont développés pour les températures estivales maximales tandis que les systèmes de chauffage sont conçus pour les jours les plus froids de l'année. Quant aux systèmes de ventilation, ils sont conçus et basés sur des niveaux d'occupation les plus élevés. C'est un excellent moyen de concevoir des bâtiments résistants, prêts à faire face à toutes les conditions. Mais est-ce qu'ils sont vraiment exploités ainsi dans la réalité ?

Les systèmes conçus pour ces charges de pointe ne sont que très rarement utilisés dans ces conditions, voire jamais. Pendant la majeure partie de leur durée de vie, ils fonctionneront à une fraction de la charge nominale. Cette disparité entre les charges prises en compte lors de la conception des équipements et les charges d'exploitation réelles est très importante et, comme nous le verrons, elle ne fait que s'accentuer.

L'écart de performance entre aujourd’hui et demain

Deux facteurs vont rendre encore plus extrême la différence entre les charges de pointe et les charges d'exploitation :

• Les bâtiments sont aujourd'hui utilisés de manière plus flexible, en particulier les bureaux et les applications tertiaires, car les employés se voient offrir des possibilités de travail flexible. Un système de ventilation et de refroidissement d'un immeuble de bureaux conçu pour une pleine occupation en 2020 verra rarement la même occupation en 2023 et au-delà.
• Le réchauffement climatique a déjà un impact sur les conditions météorologiques et on s'attend à ce que les événements météorologiques extrêmes se multiplient à l'avenir. L'Europe devrait connaître des étés plus chauds et plus secs. Si l'on ajoute à cela l'effet d'îlot thermique urbain, qui aggrave les températures estivales par des conditions de forte chaleur dans les zones où sont situés de nombreux bureaux et bâtiments commerciaux, ainsi que la réflexion sur la manière d’atténuer le niveau de chaleur dans les milieux urbains, il est probable que les charges de pointe pour lesquelles les systèmes de construction sont conçus soient encore plus éloignées de l'exploitation quotidienne des bâtiments.

Nous devons donc intégrer la transformation des bureaux qui reflète nos nouvelles habitudes de travail ainsi que les risques futurs de conditions météorologiques dans la conception actuelle des bâtiments, que ce soit en rénovation ou dans le neuf. 

Trouver l'efficacité dans l'écart de performance

Lorsqu'un système CVC fonctionne à charge partielle, il est généralement plus efficace. Les centrales de traitement de l'air (CTA) fonctionnant à la moitié de la vitesse du ventilateur utilisent moins d'un quart de la puissance absorbée. Un refroidisseur ou une pompe à chaleur fonctionnant à charge partielle tire le meilleur parti de son échangeur de chaleur, ce qui lui permet de fonctionner à des rendements plus élevés. Cependant, est-ce suffisant avec le concentré de technologie dont nous disposons ?

Si nous pouvons contrôler nos CTA pour qu'elles ne fournissent que la quantité d'air nécessaire aux occupants du bâtiment, en utilisant la ventilation contrôlée à la demande (DCV), les batteries de refroidissement et de chauffage qui sont dimensionnés pour une pleine capacité peuvent contrôler la température de l'air frais en utilisant beaucoup moins d'énergie.

Les batteries des ventilo-convecteurs ou des poutres froides qui desservent les espaces intérieurs n'ont pas non plus besoin de fonctionner à pleine charge puisque ces unités sont généralement sélectionnées pour une occupation complète et aux heures de pointe de l'été ou de l'hiver.

Nous devons alors prendre une décision concernant ces batteries qui n'ont pas besoin de fonctionner à pleine capacité. La solution traditionnelle consiste à réduire le débit du liquide de refroidissement ou de chauffage à l'aide d'une vanne. Il s'agit d'une manière simple de contrôler localement et elle est standard dans presque tous les systèmes. Mais si nous instillons un peu plus d'intelligence au niveau du raccordement entre le refroidisseur/la pompe à chaleur et la batterie, nous pouvons optimiser la température du liquide qui alimente la batterie. En effet, pour le refroidissement, cette dernière a été conçue pour utiliser de l'eau à 6 degrés Celsius à 100 % de sa capacité. Elle n’aura donc pas besoin de cette température à 50 % de sa capacité.

La température de l'eau alimentant les batteries étant ainsi modifiée, l’efficacité des équipements augmente : en effet, accroître d'un degré la température de l'eau en sortie d'un refroidisseur permet d’augmenter son efficacité d'environ 3 %. Le fonctionnement d'une pompe à chaleur à une température inférieure d'un degré augmente son efficacité dans des proportions similaires.

Ainsi, lorsque nous analysons la demande des batteries qui contrôlent le confort dans les pièces, que ce soit au niveau la CTA ou dans les pièces, il est possible de les faire fonctionner à une température d'eau optimisée la plupart du temps. En fait, des calculs récents effectués sur des CTA connectées à des pompes à chaleur montrent que la température de l'eau peut être optimisée pendant plus de 95 % du temps de fonctionnement, ce qui permet d'économiser plus de 20 % de l'énergie de refroidissement et plus de 30 % de l'énergie de chauffage. Il suffit pour cela de contrôler le système de manière plus intelligente.

Ce type de contrôle et d’optimisation offre toujours un grand confort dans la pièce ainsi que des avantages liées au poste énergétique, en réduisant les variations de température et les courants d'air dans la pièce, lorsqu'il est correctement contrôlé.

Refroidissement passif et freecooling

Si le refroidisseur dispose d'un freecooling, l'optimisation des températures de l'eau a un effet encore plus important sur les rendements. On parle de freecooling lorsque le circuit d'eau de refroidissement est refroidi directement par l'air extérieur plutôt que par le circuit du refroidisseur. Le freecooling est généralement possible lorsque la température de l'air ambiant est inférieure d'un degré Celsius à la température de l'eau de retour. La quantité de freecooling augmente avec la différence entre la température ambiante et la température de l'eau, jusqu'à ce que le refroidisseur puisse fournir tout le refroidissement nécessaire en utilisant sa fonction freecooling. Chaque fois que nous augmentons la température de l'eau de refroidissement, le nombre d'heures pendant lesquelles nous pouvons obtenir du free-cooling augmente considérablement, ce qui permet d'économiser d'énormes quantités d'énergie.

Nous pouvons également utiliser le refroidissement naturel disponible dans le sol en utilisant une pompe à chaleur/un refroidisseur géothermique. Les systèmes géothermiques recueillent la chaleur de basse qualité dans le sol à l'aide d'une boucle de fluide canalisé et la multiplient à l'aide d'une pompe à chaleur pour produire un chauffage efficace et rentable pour nos espaces. De nombreuses pompes à chaleur peuvent également fonctionner en mode refroidissement, en rejetant la chaleur dans le sol par l'intermédiaire de la boucle du fluide souterrain. Ce type de système est parfait pour le refroidissement passif dans une situation de charge partielle, car le fait de contourner la pompe à chaleur et de refroidir le système directement en utilisant la température plus basse du sol est un moyen de refroidissement extrêmement efficace. Comme pour le freecooling, l'optimisation de la température de l'eau en cas de charge partielle permet au système d'être en refroidissement passif le plus longtemps possible, ce qui permet encore d'économiser de l’énergie.

Contrôle et intelligence

Pour ce faire, nous devons disposer d'un système de contrôle capable de reconnaître la charge requise au niveau des batteries et d'utiliser cette information pour optimiser les températures du refroidisseur/de la pompe à chaleur en conséquence. Une intelligence intégrée dans les refroidisseurs, les pompes à chaleur, les unités de traitement de l'air et les terminaux est nécessaire. Il est essentiel de comprendre les limites des différents produits, ainsi que leurs limites de fonctionnement, et de savoir quand il ne faut pas optimiser.

De plus, un système de contrôle très avancé doit communiquer efficacement entre toutes les parties du système. Par ailleurs, les économies d'énergie sont réalisées en utilisant les composants courants de tout système CVC, sans avoir à investir dans des équipements plus efficaces en particulier. Le système contrôle ce que nous possédons déjà et ce, d'une manière plus intelligente.

Qu'il s'agisse de systèmes existants installés dans le cadre d'un projet de rénovation ou d'un nouveau développement utilisant de nouveaux produits à la pointe de l'efficacité, les principes d'économie d'énergie en fonctionnement à charge partielle s'appliquent toujours comme un moyen efficace et durable pour réduire les coûts d'exploitation.

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