Applications et étude des différentes possibilités de couplage

Le chapitre 2 a permis le choix et l’amélioration d’un modèle de PAC air-air existant en vue de son intégration dans le modèle de bâtiment Comfie. Il intègre la modélisation du comportement de ces PAC dans leur fonctionnement à pleine charge, et à charge partielle dans les conditions aux sources nominales et non-nominales. Le modèle de givrage a été amélioré en vue de prendre en compte l’influence de l’humidité relative de l’air sur les performances du système. La modélisation de l’influence de l’humidité dans les plages de températures hors givrage a également fait l’objet d’une amélioration. Un modèle de régulation du ventilateur de l’unité extérieure a également été proposé en vue de prendre en compte les variations de débit au niveau de l’unité extérieure en fonction du taux de charge lorsque les systèmes de PAC étudiées sont équipées de compresseurs contrôlés par inverter. Les résultats du modèle de PAC à pleine charge ont été validés par rapport au modèle de PAC air-air détaillé du laboratoire d’Oak Ridge. Le modèle à charge partielle est basé sur des résultats de tests de l’institut de recherche suédois SP, qui propose une série de points de fonctionnement à charge partielle sur plus d’une vingtaine de PAC air-air. Le modèle de dégivrage a été paramétré par rapport aux résultats de plusieurs travaux de la littérature. On dispose ainsi d’un modèle global, sensible aux principaux paramètres influençant la consommation et les performances des PAC air-air. Il a été implémenté en langage Pascal dans le modèle de bâtiment Comfie qui permet le calcul des performances saisonnières de ces systèmes dans leur mise en œuvre conventionnelle, mais également couplés à des sources d’air tempérées intégrées au bâtiment. Le chapitre 3 contient une présentation de l’ensemble des modèles de sources d’air tempérées utilisé dans ce chapitre à des fins de couplage avec la source froide du modèle de PAC sélectionné. Le couplage entre le modèle de bâtiment et le modèle de PAC y est également présenté. Ce modèle est nécessaire pour prendre en compte la perturbation des débits de renouvellement d’air lors du couplage de la source froide de la PAC et des sources d’air tempéré. Le modèle d’humidité de l’air ajouté au modèle de bâtiment y est également détaillé. Pour chacune des sources d’air tempéré une étude de sensibilité a permis de mettre en avant les paramètres primordiaux venant influencer le comportement dynamique de chacune d’entre elles, ainsi que des zones chauffées adjacentes. Ainsi la température des zones dépendent principalement : (a) du débit de renouvellement d’air ; (b) des caractéristiques constructives ; (c) de la région climatique, et de l’orientation. Le chapitre 4 a utilisé le modèle global d’enveloppe + PAC pour étudier le comportement et les performances de ces systèmes couplés à une source froide d’air idéale. On entend par idéale, une source dont la température est augmentée d’un écart -197- Chapitre 5 – Applications et étude des différentes possibilités de couplage constant par rapport à la température extérieure. Ce chapitre a également été l’occasion d’étudier l’influence du dimensionnement des PAC sur leur performance saisonnière. Plusieurs paramètres influençant le comportement du système de PAC ont pu être mis en avant : (a) la technologie et le type de régulation (marche-arrêt ou inverter) ; (b) le dimensionnement (c) la région climatique qui influence à la fois la température de la source froide et les besoins de chauffage, et donc la puissance délivrée par la PAC. Tous ces paramètres ont été étudiés de façon découplée sans tenir compte des interactions possibles entre le modèle d’enveloppe et le modèle de PAC. Le présent chapitre propose une série d’applications sur le couplage des sources d’air tempérées avec la source froide d’une PAC air-air. Les différents modèles utilisés dans ces applications ont été présentés aux chapitres précédents. Les deux types de configurations envisagées au chapitre 1 font l’objet de plusieurs applications séparées en deux points étudiés l’un après l’autre dans la suite du présent chapitre :  Le couplage indirect : l’unité extérieure de la PAC est située à l’extérieur et sa source froide est alimentée par divers sources d’air tempérées par l’intermédiaire d’un réseau de distribution et de ventilateurs supplémentaires. Les débits sont contrôlés soit par une régulation tout ou rien, soit par le ventilateur de l’unité extérieure de la PAC.  Le couplage direct : l’unité extérieure de la PAC est placée directement à l’intérieur d’une zone, et le débit de renouvellement d’air de la zone est contrôlé par le débit du ventilateur de l’unité extérieure de la PAC Le nombre de paramètres et de couplages qu’il est possible de réaliser est élevé. Il faut à la fois faire le choix de la source, de la technologie de pompe à chaleur, du dimensionnement, du type de couplage, ou encore de la région climatique. Une vision globale de l’ensemble des paramètres est proposée à la figue 118. Une sélection de ces configurations est étudiée dans le présent chapitre. Elles s’appliquent à l’étude de cas d’une maison individuelle ancienne ayant subie une série d’améliorations au niveau de son enveloppe. La géométrie et les caractéristiques constructives après réhabilitation restent figées pour les différentes configurations. Le chapitre commence par l’étude de la réhabilitation d’une maison individuelle de constructeur dans le climat de Trappes. Cette maison construite avant la première réglementation thermique a subi depuis plusieurs améliorations. L’étude retrace l’ensemble des états par lesquels est passée la maison, jusqu’à sa dernière réhabilitation datant de 2007. Pour les besoins de l’étude, la maison après réhabilitation est réutilisée et complétée par certains systèmes (véranda, capteurs à air, façade double peau, -198- Chapitre 5 – Applications et étude des différentes possibilités de couplage échangeur air-sol) en vue d’étudier plusieurs configurations de couplage avec la source froide d’une PAC air-air. S’en suit l’étude des configurations de couplage indirect, puis direct, pour des versions mono-sources et multi-sources. La sensibilité sur la région climatique est étudiée pour quatre climats français :(a) Nancy (climat tempéré continental) ; (b) Trappes (climat tempéré continental) ; (c) Rennes (climat tempéré océanique) ; (d) Nice (climat méditerranéen).

Étude de cas

Présentation 

Une maison de constructeur a été choisie pour cette étude. A l’origine il s’agissait d’une maison de plain pied construite sur vide sanitaire d’une surface habitable initiale de 70 m2. Le procédé de construction est à ossature métallique habillée à l’extérieur par des petites dalles minces de béton et à l’intérieur par une cloison de doublage, avec interposition d’une lame d’air, caractéristique d’une construction industrielle. Elle était équipée d’une chaudière fioul à air pulsé, de fenêtres à simple vitrage, et la ventilation du logement se faisait de façon naturelle. Depuis sa construction en 1971, plusieurs agrandissements et améliorations sont venus la compléter :  1982 : Extension en « L » (en pointillés figure 121), en construction traditionnelle (parpaing et briques) ;  1987 : Isolation des murs extérieurs de l’enveloppe par injection de billes de polystyrène (PSE) dans le vide d’air séparant les dalles minces de béton des plaques de plâtre intérieures ;  1987 : Remplacement des vitrages, passage du simple au double vitrage classique ;  1987 :.Changement de système de production de chauffage : mise en place de convecteurs électriques ;  1997 : Isolation des combles par déroulement de 20 cm de laine de roche ;  1999 : Installation d’une ventilation mécanique contrôlée (VMC) ;  2007 : Réhausse et changement de pente pour aménagement des combles (figure 122), isolation par l’extérieur, mise en place d’une VMC double flux et installation d’une PAC air-air avec soufflage en plénum. Elle dispose après agrandissement de 4 chambres, d’un séjour/salon, d’une cuisine et de deux salles de bains pour une surface habitable totale de 135 m2. Pour les besoins de l’étude le modèle d’enveloppe de la maison après réhabilitation est complété d’une véranda et de capteurs à air exposés au Sud et à l’Est.

Modélisation de l’enveloppe avec Pléiades+Comfie 

La Géométrie 

Les pièces chauffées sont regroupées dans une unique zone considérée comme thermiquement homogène. Les combles perdus, le vide sanitaire, la véranda, la façade double peau, et les capteurs à air sont modélisés comme des zones thermiques non chauffées. Les plans 2D sont d’abord saisis avec le logiciel Alcyone, permettant une visualisation 3D du projet. La géométrie est ensuite exportée vers le logiciel Pléiades+Comfie pour définir le modèle d’enveloppe.

Les caractéristiques constructives 

On considère la maison existante avant réhabilitation, comme la maison de 1999. La maison après réhabilitation correspond à la maison de 2007. 

Avant rénovation

 État initial, 1971, la maison est de forme rectangulaire est dispose d’une surface habitable de 70 m2. Les caractéristiques thermiques des parois de l’enveloppe sont données au tableau 23 et 24.En 1987, la maison s’agrandit avec une extension en « L » de 15 m2. Les murs extérieurs de la partie existante sont isolés par insufflation de bille de polystyrène dans la lame d’air de 8 cm. Les fenêtres sont également remplacées.

Ponts thermiques

Dans le cas de la maison avant travaux de 1971, les ponts thermiques sont considérés comme négligeables. Pour la maison après isolation des murs par insufflation de billes de polystyrène, les ponts thermiques sont considérés forfaitairement sur l’ensemble des liaisons entre parois verticales avec une valeur de 0,7.W.m-1 .K-1 , ce qui correspond à des ponts thermiques non traités. Cette valeur est ramenée à 0,1.W.m-1.K-1 pour des murs extérieurs isolés par l’extérieur. De ce cas, les fenêtres ont été ramenées dans le plan de l’isolant, réduisant les ponts thermiques des entourages de fenêtres, considérés alors comme négligeables.