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Comment exploiter un système : la régulation et les techniques d’exploitation
Un système de climatisation et un système de chauffage sont installés dans un bâtiment pour assurer le confort des usagers du bâtiment. La majorité des systèmes permettent d’assurer ce confort en contrôlant la température d’air intérieur. Cette température peut être mesurée à l’aide d’une sonde de température judicieusement positionnée dans la zone à climatiser, ou bien encore au niveau du conduit de l’air extrait. Cette dernière solution permet alors de connaître la température de la zone traitée en admettant que l’air est suffisamment mélangé à l’intérieur de la zone. Les systèmes de traitement de l’air permettent alors de modifier la température intérieure jusqu’à atteindre la consigne désirée. La consigne locale peut être modifiée de façon centrale par l’exploitant au niveau d’un régulateur ou de façon locale par les usagers.
L’architecture spécifique d’un réseau de climatisation et de chauffage implique l’utilisation d’un système de production de chaleur et de froid. Ces systèmes doivent être exploités et régulés afin d’atteindre le plus bas niveau de consommation tout en respectant le confort des occupants. Par exemple, l’optimisation énergétique d’un bâtiment doit prendre en compte le moment à partir duquel la production de froid et celle de chaud doivent être arrêtées pour supprimer toute dépense inutile à un niveau central. D’une part, les auxiliaires associés pourront être mis à l’arrêt ainsi que le groupe de production d’eau glacée ou la chaudière pour limiter la consommation due aux veilles. Et d’autre part, pour certains systèmes à architecture spécifique, il s’agit d’éviter la production de chaud et de froid sur des intervalles de temps resserrés.
Le contrôle local de la température permet quant à lui d’assurer le confort de l’occupant. La notion de respect du confort de l’occupant peut être définie à l’aide de norme en utilisant des limites de confort [EN15251]. Ces limites nous autorisent à élaborer de nouvelles stratégies permettant de limiter les consommations d’un bâtiment.
Les règles d’exploitation influencent directement la production d’eau glacée en intervenant sur la demande de froid comme sur la demande de chauffage. De plus la charge thermique, donc indirectement la production de froid, est dépendante des éléments suivants :
Le climat
Les charges internes
Les caractéristiques géométriques et thermiques du bâtiment
La définition des modes d’exploitation est donc une problématique qui a des conséquences sur la consommation des bâtiments. Celle-ci peut être examinée d’un point de vue réglementaire, dans une phase de conception mais également en phase d’exploitation pour un système de climatisation existant.
Comprendre l’architecture locale d’un réseau de distribution d’eau
Nous rappelons que nous avons défini les constituants d’un réseau local comme ceux utilisés afin de transférer l’énergie d’un bout à l’autre du circuit d’eau indépendamment de l’usage de la chaleur ou du froid.
Nous proposons de décomposer cette architecture en deux réseaux de distribution :
Le circuit primaire comprend un réseau d ’eau et les évaporateurs des groupes de production. C’est la partie du réseau qui est dédiée à la production d’eau glacée.
Le circuit secondaire comprend un réseau et les échangeurs utilisés pour l’émission. C’est la partie du réseau qui est dédiée à distribuer l’eau glacée en la répartissant entre les différentes zones thermiques.
Chacun de ces deux circuits peut être équipé d’un système de pompage. Nous distinguerons donc deux cas : un système de pompage unique pour l’ensemble du circuit et un système de pompage au niveau des circuits primaire et secondaire.
Architecture du réseau d’eau glacée à une pompe
Dans ce type d’architecture il n’y a pas de découplage hydraulique entre la production située dans le circuit primaire et l’utilisation située dans le circuit secondaire.
Régulation locale pour une architecture deux tubes
Pour les unités terminales à deux tubes, le régulateur local doit agir différemment selon que la batterie est alimentée en eau chaude ou en eau glacée : le signe de la pente de sa caractéristique doit s’inverser entre le fonctionnement été et hiver. Le changement peut être télécommandé par un moyen de distribution d’ordres centralisés zone par zone. Ce changement de pente peut être également réalisé au moyen d’un contact électrique commandé par une sonde de contact. Cette sonde mesure la température d’eau qui alimente la batterie. Sur la Figure 1-13, nous avons représenté la sonde de contact placée en amont de la vanne trois voies. Le signal électrique est ensuite transmis à un régulateur qui compare cette information à une loi d’eau pour définir le mode d’utilisation et donc sélectionner la température de consigne de la pièce (été-hiver). Cette température de consigne est enfin comparée à l’information d’une sonde de température ambiante pour commander la mise en marche du ventilateur et l’ouverture de la vanne.
Analyser un réseau de distribution d’eau dans un bâtiment
La complexité d’un bâtiment soumis à différents apports internes ou externes rend la mise en place d’une architecture de réseau spécifique nécessaire pour traiter les charges thermiques par zone et donc d’assurer le confort en tout point du bâtiment. Cette mise en place doit comprendre un organe de découplage hydraulique entre le circuit primaire et le circuit secondaire. Dans un but d’économie d’énergie il est envisageable de considérer l’ajout d’un système de contrôle de débit adapté aux charges thermiques du bâtiment. Nous exposons quatre types d’architecture dans les paragraphes suivants.
Système à débit constant au primaire et au secondaire
Une architecture à débit constant au niveau du primaire et du secondaire permet de maintenir une température d’entrée d’eau constante au niveau du circuit secondaire à pleine charge ou à charge partielle. Ce type d’architecture est représenté sur les deux schémas suivant pour un montage en vanne 3 voies (V3V) et un montage en vanne deux voies (V2V).
Organe de découplage
Organe de découplage
Dans un montage à V3V tout comme à V2V, le débit du circuit primaire et du circuit secondaire doivent être compatibles. C’est-à-dire qu’à pleine charge ou à charge partielle le débit du circuit primaire doit être légèrement supérieur à celui du secondaire pour assurer le transfert de l’énergie du primaire vers le secondaire. Nous reviendrons sur ce point au paragraphe 1.9.5.4.
Système de pompage à débit variable au secondaire
Pour un système de pompage à débit variable dans le circuit secondaire uniquement, des vannes deux voies doivent obligatoirement être installées afin d’assurer la régulation de la puissance échangée par les échangeurs ( Figure 1-16 et Figure 1-17). Nous n’évoquons ici que l’utilisation d’un variateur de fréquence afin de faire varier la vitesse de rotation de la pompe et donc son débit. En effet, il est possible de rencontrer un système de régulation pilotant une vanne deux voies placée en parallèle de la pompe (Figure 1-18). Cependant ce type de régulation n’est pas énergétiquement optimal et est donc à proscrire.
Comprendre l’installation du réseau de distribution
L’analyse des schémas typiques d’un réseau de distribution d’eau glacée montre l’existence de deux circuits plus ou moins élaborés : le circuit primaire et le circuit secondaire où sont respectivement localisés l’unité de production frigorifique et les échangeurs de chaleur. L’assemblage de ces deux circuits de distribution, via un organe de découplage, est installé afin de garantir le transfert de l’énergie entre la production et l’émission. Il est donc nécessaire d’examiner et de comprendre les moyens techniques permettant d’assurer ce transfert vers toutes les zones thermiques du bâtiment quelles que soient leurs conditions de fonctionnement.
Equilibrage du réseau et interférences hydrauliques
Les caractéristiques de transfert thermique des échangeurs varient fortement en fonction du débit. La conception de l’architecture d’un réseau et de sa régulation implique intrinsèquement que le débit nominal ne peut être respecté sans la mise en place d’un équilibrage adéquat. Par exemple, la mise en parallèle d’échangeurs dans un circuit d’eau induit généralement une variation de débit entre les différentes branches raccordées.
Mais le fonctionnement non nominal de l’installation par la régulation de débit accentue également la mauvaise répartition des débits.
Les deux phénomènes suivants doivent être distingués :
La mauvaise répartition des débits en régime de fonctionnement nominal
Des interférences hydrauliques pendant le fonctionnement de l ’installation (en dehors du régime nominal)
Les définitions associées sont données dans le paragraphe suivant.
Définition
Selon [Fridmann09], « une installation est hydrauliquement équilibrée lorsque tous les débits de branches sont égaux aux débits souhaités, c’est-à-dire aux débits calculés en régime nominal de fonctionnement, celui-ci étant le régime de fonctionnement pour lequel l’installation est dimensionnée ». L’équilibrage du réseau ne peut donc être vérifié que lorsque toutes les vannes de régulation du circuit sont ouvertes à 100% et la pompe fonctionne à son régime maximal. Partant de cette définition, il est alors possible de parler d’interférences hydrauliques « lorsque le « réglage » d’un circuit dérivé modifie la répartition des pressions dans le circuit principal et donc des débits dans les autres circuits dérivés ».
Dans cette définition, le « réglage » peut être entendu comme une action manuelle sur les organes de réglages mais également comme l’action continue des organes de régulation. Une interférence hydraulique pourra être alors détectée lors des opérations d’équilibrage ou pendant le fonctionnement de l’installation.
Compte tenu de ces définitions certains organes ont un rôle spécifique :
Les régulateurs de pression différentielle (par la régulation de débit au moyen de pompes ou par bipasse) ainsi que les vannes de réglage placées en parallèle pour un montage en V3V, permettent de supprimer les interférences hydrauliques.
Définitions existantes de la température d’inversion et de la température de non climatisation
Des définitions différentes peuvent être données par les fabricants et d’autre part par les exploitants.
Les fabricants [CIAT1] définissent le mode été/hiver à l’aide de la règle suivante : le groupe produira du froid dès que la température intérieure sera supérieure à la consigne de température. La production de chaud est contrôlée de manière antagoniste par rapport à celle de froid. Cette définition a pour objet l’exploitation d’un système de climatisation de type split-system. Comme celui-ci, d’autres systèmes de climatisation existants sont implantés et contrôlés localement grâce à une sonde de température introduite dans la zone climatisée. En pratique cette définition des fabricants n’est donc pas opératoire à elle seule pour des systèmes plus complexes. Il faut alors la compléter par la description des systèmes pour savoir comment sont gérés les différentes consignes et les différents équipements.
Nous proposons donc d’examiner si l’application d’une consigne pour définir le mode chaud et le mode froid est envisageable pour les systèmes utilisant l’air extérieur comme air primaire c’est à dire par rapport aux systèmes à eau glacée aux paragraphes 1.1.2 et 1.1.3.
Pour un système à deux tubes, le passage du mode été au mode hiver correspond à la température d’inversion de la zone considérée. Cette température assure le bon fonctionnement de ce type de système. Le changement étant généralement effectué manuellement par l’exploitant deux fois par an. Ainsi, un inconfort des occupants peut apparaitre dans certaines zones du bâtiment et ce en particulier en période d’intersaison. Ainsi il existe une température de non-climatisation correspondant à une certaine température extérieure en dessous de laquelle le refroidissement n’est pas nécessaire [ASHRAES04].
Pour un système quatre tubes, le mode chaud et le mode froid peuvent apparaître selon la charge thermique de chaque zone. Ainsi, la production de chaud ou celle de froid peuvent être assurées toute l’année. Pour un système quatre tubes parfaitement conçu, le confort doit être respecté toute l’année. Dans ce cas la détermination de la température de non climatisation permettrait d’éteindre les équipements de production et de distribution de froid.
Choix d’une machine de production
Sélection de la puissance thermique du groupe de production
Comme la charge thermique des différentes zones du bâtiment n’est pas simultanée, il n’est pas rare que les calculs de dimensionnement amènent le concepteur à aboutir à un surdimensionnement des échangeurs par rapport à la production. Un coefficient de foisonnement (F) peut ainsi être introduit comme dans [CFPavril09] à l’aide de la formule suivante. ൌ ±
Dans [CFPavril09] un ordre de grandeur de grandeur pour ce coefficient :
̱ ͲǤͺͲ Ǣ ͲǤͻͲ pour les bâtiments de surface inférieure à 1000 m²
̱ ͲǤ Ͳ Ǣ ͲǤͺͲ pour les bâtiments de surface comprise entre 1000 à 15000 m²
̱ ͲǤͷͲ Ǣ ͲǤ Ͳ pour les bâtiments de surface supérieure à 15000 m²
Synthèse des méthodologies de détection de défauts de maintenance
Après avoir établi un ensemble de règles, une recherche causale est utilisée afin d’identifier les conséquences d’un défaut de maintenance de l’installation.
Dans ce cadre, la détection dynamique de défauts permet de détecter et de diagnostiquer « automatiquement » les défauts afin de mettre en place des actions curatives et correctives. Cependant elle requiert une instrumentation importante qui peut être intégrée dans différentes parties opératives du système.
De la même manière, un suivi régulier de l’installation permet également de diagnostiquer l’installation et donc de détecter des défauts de maintenance.
Mais ces deux méthodes de détection de défaut utilisées s’appuient sur une méthode de d’analyse des causes et des effets. Cette dernière méthodologie est à examiner selon sa temporalité :
Une détection Causes-Effets statique : le suivi régulier de paramètres permet de détecter à l’aide d’indicateurs des déviations et de rechercher ce qui en est la cause afin d’identifier une opportunité énergétique.
Une détection Causes-Effets dynamique : le suivi en temps réel de paramètres permet de détecter des déviations à l’aide d’indicateurs et de rechercher ce qui en est la cause afin d’identifier une opportunité énergétique.
Une méthode de récupération de données complète cette méthodologie afin de la rendre applicable sur le terrain. De plus, il est nécessaire de définir un référentiel de valeur pour chacun des indicateurs de détection.
D’autre part, une méthodologie de benchmarking peut permettre de formuler un indicateur de périodicité d’actions préventives. Il pourrait être intégré aux outils utilisés par les sociétés d’exploitation dans les logiciels de Gestion de la Maintenance Assistée par Ordinateur (GMAO). A travers la construction d’une procédure de détection, nous avons également souligné l’importance des moyens techniques et humains nécessaires à l’identification d’une opportunité en fonction de la disponibilité des informations (mesures de référence)
L’inspection technique des réglages et des paramètres de régulation : une méthode d’identification d’opportunités ?
L’inspection des réglages et des paramètres de régulation consiste à identifier sur le terrain ces réglages et paramètres pour les comparer aux différentes règles que nous avons évoquées au chapitre 1.
Ces règles sont donc des benchmarks. Sans établir cette « échelle de référence » nous ne pourrions pas appliquer cette méthodologie d’inspection.
Par exemple, il peut être nécessaire d’examiner si une bande morte est bien utilisée (cf. chapitre 1, paragraphe 1.2.2).
La méthode de mesure
Des compteurs de temps de fonctionnement et des compteurs d’énergie peuvent avoir été mis en place dans un bâtiment. Cette information peut être utilisée pour déterminer si l’usage de l’équipement est « cohérent » avec le type d’usage du bâtiment. Sans la définition de cette cohérence nous ne pouvons pas appliquer cette méthode de mesures.
Synthèse de la méthodologie d’inspection
Nous notons que ces méthodologies ne peuvent pas être appliquées isolément. L’inspection relève donc plus d’une méthodologie de récupération de données que d’une méthodologie d’identification de défauts ou d’améliorations.
Pourtant nous avons également montré que celle-ci a un intérêt si elle est améliorée.
En effet elle permet de récupérer des indicateurs essentiels dans l’identification des causes d’inefficacité.
Nous avons mis en évidence que la méthode d’inspection visuelle pourrait permettre d’identifier les défauts d’entretien. L’inspection documentaire pourrait permettre d’analyser « la conformité » des informations techniques avec des « règles de dimensionnement et d’exploitation », mais également pourrait permettre d’identifier si la « meilleure efficacité technique » a été mise en place. L’inspection technique des réglages et des paramètres de régulation pourrait permettre de vérifier si les règles d’exploitation sont appliquées conformément « aux règles de l’art ».
L’utilisation de la méthodologie d’inspection réglementaire pourrait donc permettre de compléter la méthode Causes-Effets statique en utilisant les indicateurs récupérés in-situ. Ainsi, cette méthode améliorée permettra d’identifier les causes d’inefficacité en s’appuyant sur la définition de références.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 DE LA CONCEPTION A L’EXPLOITATION DES SYSTEMES DE CLIMATISATION A EAU GLACEE
1.1 RECONNAISSANCE D’UN SYSTEME : TYPOLOGIE D’UN SYSTEME
1.2 COMMENT EXPLOITER UN SYSTEME : LA REGULATION ET LES TECHNIQUES D’EXPLOITATION
1.3 COMPRENDRE LA REGULATION ET L’ARCHITECTURE CENTRALE DE LA DISTRIBUTION D’EAU
1.4 COMPRENDRE L’ARCHITECTURE LOCALE D’UN RESEAU DE DISTRIBUTION D’EAU
1.5 COMPRENDRE LA REGULATION DE L’EMISSION
1.6 ANALYSER UN RESEAU DE DISTRIBUTION D’EAU DANS UN BATIMENT
1.7 COMPRENDRE L’INSTALLATION DU RESEAU DE DISTRIBUTION
1.8 EXPLOITER LES RESEAUX DE DISTRIBUTION D’EAU GLACEE
1.9 DE LA CHARGE THERMIQUE AU DIMENSIONNEMENT DES EQUIPEMENTS
1.10 LA MAINTENANCE D’UNE INSTALLATION
1.11 LE CONFORT THERMIQUE DES OCCUPANTS
1.12 SYNTHESE DE LA BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE 2 ETABLISSEMENT D’UN REFERENTIEL D’OPPORTUNITES ENERGETIQUES
2.1 METHODE POUR ETABLIR UN REFERENTIEL D’OPPORTUNITES ENERGETIQUES
2.2 ANALYSE D’UNE LISTE D’OPPORTUNITES
2.3 L’EFFICACITE DE LA DISTRIBUTION, UNE OPPORTUNITE D’ECONOMIE D’ENERGIE ?
2.4 L’EFFICACITE DE LA PRODUCTION, UNE OPPORTUNITE D’ECONOMIE D’ENERGIE ?
2.5 L’EFFICACITE DE L’EMISSION, UNE OPPORTUNITE D’ECONOMIE D’ENERGIE ?
2.6 LA MAITRISE DU BESOIN THERMIQUE DU BATIMENT
2.7 SYNTHESE DES OPPORTUNITES ENERGETIQUES
CHAPITRE 3 COMMENT IDENTIFIER DES OPPORTUNITES ENERGETIQUES ?
3.1 METHODOLOGIE DE BENCHMARKING
3.2 METHODES DE DETECTION DE DEFAUTS UTILISEES DANS LA MAINTENANCE
3.3 L’INSPECTION NORMATIVE DES INSTALLATIONS
3.4 FORMALISATION DE REFERENTIELS POUR L’IDENTIFICATION
3.5 SYNTHESE DES DIFFERENTES METHODOLOGIES D’IDENTIFICATION
CHAPITRE 4 METHODES ET PROCEDURES D’EVALUATION DES ECONOMIES D’ENERGIE
4.1 METHODES D’EVALUATION DES ECONOMIES D’ENERGIE
4.2 LES SERVICES ENERGETIQUES, UNE EVALUATION GARANTIE DE L’ECONOMIE D’ENERGIE ?
4.3 STRUCTURE ET CONTENU D’UNE PROCEDURE D’IDENTIFICATION D’ECONOMIE D’ENERGIE
4.4 SYNTHESE DES METHODES D’EVALUATION DES ECONOMIES D’ENERGIE
CHAPITRE 5 SELECTION D’OUTILS DE MODELISATION POUR L’EVALUATION DES ECONOMIES D’ENERGIE
5.1 TECHNIQUES DE MODELISATION POUR UNE EVALUATION DYNAMIQUE
5.2 MODELISATION DE L’ENVELOPPE
5.3 SELECTION D’UN OUTIL DE MODELISATION DYNAMIQUE
5.4 MODELISATION DU CONTROLE DES EQUIPEMENTS
5.5 MODELISATION D’UN MOTEUR POUR EVALUER DES ECONOMIES D’ENERGIE
5.6 MODELISATION DE LA DISTRIBUTION D’EAU / D’AIR POUR EVALUER DES ECONOMIES D’ENERGIE
5.7 MODELISATION D’UNE BATTERIE FROIDE
5.8 SYNTHESE DE LA SELECTION DE MODELES ET TECHNIQUES DE MODELISATION
CHAPITRE 6 APPLICATION DES METHODES POUR L’EXPLOITATION DU RESEAU D’EAU GLACEE
6.1 ANALYSE TECHNIQUE DES SOLUTIONS
6.2 PROCEDURE D’IDENTIFICATION DES OPPORTUNITES
6.3 RECHERCHE DE METHODES D’EVALUATION DES ECONOMIES D’ENERGIE
6.4 MISE AU POINT D’UNE BASE DE DONNEE D’EQUIPEMENTS ET DE BATIMENTS
6.5 METHODE D’EVALUATION DES ECONOMIES D’ENERGIE POUR LE CONTROLE D’UN SYSTEME 4 TUBES1526.6 METHODES D’EVALUATION DES ECONOMIES D’ENERGIE POUR L’EXPLOITATION DU DEBIT VARIABLE. 156
6.7 METHODES D’EVALUATION DE LA CONSOMMATION PRE-MODERNISATION
6.8 PROCEDURE D’IDENTIFICATION D’ECONOMIE D’ENERGIE POUR L’EXPLOITATION DU DEBIT VARIABLE 176
6.9 PROCEDURES D’IDENTIFICATION D’ECONOMIE D’ENERGIE POUR L’EXPLOITATION CENTRALE
CHAPITRE 7 APPLICATION DE STRATEGIES D’EXPLOITATION POUR ECONOMISER L’ENERGIE ET MAITRISER LE CONFORT DE L’OCCUPANT
7.1 INTERACTION ENTRE LE CONFORT ET L’EXPLOITATION D’UN SYSTEME DE CLIMATISATION
7.2 EVALUATION DE L’AMELIORATION DU CONFORT POUR LE CONTROLE D’UN SYSTEME DEUX TUBES
7.3 EVALUATION DES ECONOMIES D’ENERGIE POUR UNE EXPLOITATION HYBRIDE DE LA TEMPERATURE
7.4 SYNTHESE DES PROPOSITIONS
CHAPITRE 8 PROPOSITION DE BENCHMARKS PARAMETRES POUR UNE INSPECTION REGLEMENTAIRE
8.1 CRITIQUE DE L’APPROCHE REGLEMENTAIRE EXISTANTE DE LA PROCEDURE D’INSPECTION
8.2 VERS UNE EVALUATION QUANTITATIVE DE L’EFFICACITE ET DES CONCLUSIONS DE QUALITE
8.3 EVALUATION DE L’EFFICACITE D’UN GROUPE FRIGORIFIQUE
8.4 EVALUATION DE LA CONSOMMATION DES EQUIPEMENTS EN FONCTION DE LEURS SPECIFICITES DE CONCEPTION
8.5 EVALUATION QUANTITATIVE DE L’EFFICACITE DE L’EXPLOITATION
8.6 DEVELOPPEMENT D’UNE PROCEDURE D’EVALUATION DU SSEER D’UNE INSTALLATION EXISTANTE
8.7 UTILISATION D’UNE LISTE D’OPPORTUNITES ENERGETIQUES POUR LE DEVELOPPEMENT D’UNE PROCEDURE D’INSPECTION
8.8 SYNTHESE DE LA PROCEDURE D’INSPECTION REGLEMENTAIRE PROPOSEE CONCLUSIONS
REFERENCES
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