Charges Thermiques et Sélection du Système

Charges Thermiques et Sélection du Système

Comprendre les Charges Thermiques et Sélection du Système

Vous êtes un ingénieur en thermique des bâtiments chargé de concevoir un système de chauffage, ventilation et climatisation (CVC) pour un nouveau bâtiment de bureaux situé à Lyon, France.

Données du Bâtiment :

  • Superficie totale : 2000 m² sur 4 étages.
  • Hauteur sous plafond : 3 mètres.
  • Isolation conforme à la RT 2012.
  • Vitres double vitrage, = 1.6 W/m²K.
  • Occupation : 10 personnes par étage pendant les heures de travail (08h00 – 18h00).

Données Climatiques :

  • Températures moyennes : -1°C en janvier et 28°C en juillet.

Instructions :

  1. Calcul des Charges Thermiques :
    • Calculez les charges thermiques maximales pour l’hiver et l’été en considérant les apports internes, les déperditions et les gains.
    • Charge due aux occupants : 100 W par personne
    • Charge due aux équipements électroniques : 5 W/m²
    • 20% de la surface est occupée par des fenêtres
  2. Sélection du Système CVC :
    • Proposez un type de système CVC basé sur les résultats des calculs.
    • Justifiez votre choix en termes d’efficacité énergétique, de coût et de facilité de maintenance.
  3. Évaluation des Performances Énergétiques :
    • Estimez la consommation énergétique annuelle du système proposé.
    • Comparez cette consommation avec celle d’un système standard pour évaluer les économies d’énergie.

Correction : Charges Thermiques et Sélection du Système

1. Calcul des Charges Thermiques

A. Charge due aux occupants :

  • Il y a 10 personnes par étage et 4 étages, donc 40 personnes au total.
  • Charge par personne : 100 W

Charge totale due aux occupants:

\[ = 40\, \text{personnes} \times 100\, \text{W/personne} \] \[ = 4000\, \text{W} \]

B. Charge due aux équipements électroniques :

  • Surface totale du bâtiment = 2000 m\(^2\)
  • Charge par mètre carré = 5 W/m\(^2\)

Charge totale due aux équipements:

\[ = 2000\, \text{m}^2 \times 5\, \text{W/m}^2 \] \[ = 10000\, \text{W} \]

C. Déperditions/gains par les murs et fenêtres :

  • Supposons que 20% de la surface est occupée par des fenêtres.

Surface des fenêtres

\[ = 0.20 \times 2000\, \text{m}^2 \] \[ = 400\, \text{m}^2 \]

  • \(U\) pour les fenêtres double vitrage = 1.6 W/m\(^2\)K
  • Température intérieure en hiver = 22°C, extérieure = -1°C; \(\Delta T\) en hiver = 23 K
  • Température intérieure en été = 22°C, extérieure = 28°C; \(\Delta T\) en été = 6 K

Charge en hiver:

\[ = 400\, \text{m}^2 \times 1.6\, \text{W/m}^2\text{K} \times 23\, \text{K} \] \[ = 14720\, \text{W} \]

Charge en été:

\[ = 400\, \text{m}^2 \times 1.6\, \text{W/m}^2\text{K} \times 6\, \text{K} \] \[ = 3840 W \]

D. Pertes/gains de ventilation :

  • Volume du bâtiment:

\[ = 2000\, \text{m}^2 \times 3\, \text{m} \] \[ = 6000\, \text{m}^3 \]

  • \(Q_{\text{vent}}\) en hiver:

\[ = 0.33 \times 6000\, \text{m}^3 \times 23\, \text{K} \] \[ = 45540\, \text{W} \]

  • \(Q_{\text{vent}}\) en été

\[ = 0.33 \times 6000\, \text{m}^3 \times 6\, \text{K} \]

\[ = 11880\, \text{W} \]

E. Total des Charges Thermiques :

Charge totale en hiver:

\[ = 4000\, \text{W} + 10000\, \text{W} + 14720\, \text{W} + 45540\, \text{W} \] \[ = 74260\, \text{W} \]

Charge totale en été:

\[ = 4000\, \text{W} + 10000\, \text{W} + 3840\, \text{W} + 11880\, \text{W} \] \[ = 29720\, \text{W} \]

2. Sélection du Système CVC

Pour un bâtiment de cette taille et ces caractéristiques, un système de type VRV (Volume de Réfrigérant Variable) serait approprié.

Ce système permet une régulation précise de la température dans différentes zones du bâtiment et offre une haute efficacité énergétique, particulièrement importante pour les bâtiments de grande taille.

De plus, le système VRV peut être facilement intégré dans un bâtiment existant, ce qui est idéal pour des rénovations ou des améliorations.

3. Évaluation des Performances Énergétiques

La consommation énergétique annuelle dépend de nombreux facteurs, y compris l’efficacité du système VRV, les habitudes d’utilisation, et la maintenance.

Supposons une efficacité de 3.5 (coefficient de performance ou COP) pour le système VRV :

  • Consommation en hiver:

\[ = \frac{\text{Charge en hiver}}{\text{COP}} \] \[ = \frac{74260 \text{ W}}{3.5} \] \[ \approx 21217 \text{ W} \]

  • Consommation en été:

\[ = \frac{\text{Charge en été}}{\text{COP}} \] \[ = \frac{29720 \text{ W}}{3.5} \] \[ \approx 8491 \text{ W} \]

Comparaison avec un système standard ayant un COP de 2.5 :

  • Consommation en hiver (système standard):

\[ = \frac{74260 \text{ W}}{2.5} \] \[ \approx 29704 \text{ W} \]

  • Consommation en été (système standard)

\[ = \frac{29720 \text{ W}}{2.5} \] \[ \approx 11888 \text{ W} \]

Ainsi, le système VRV permettrait des économies significatives en termes de consommation énergétique comparé à un système standard.

Charges Thermiques et Sélection du Système

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