Le transfert thermique

La dégradation de l’environnement et de la couche d’ozone provoque des changements climatiques importants dans le monde : la fonte des glaciers, les grands froids, les canicules préoccupent aussi bien les pays développés que les pays en voie de développement. Le problème du réchauffement planétaire est de plus en plus inquiétant. Les recherches, quel que soit le domaine concerné, ont généralement pour but d’améliorer et de faciliter la vie de l’homme au quotidien mais ont également leur part de responsabilité dans ce bouleversement climatique.

La climatisation est un système contribuant à l’amélioration en matière de confort offert par notre environnement. La demeure est réchauffée en période hivernale et est rafraîchie en période estivale. Mais celle-ci est sujette à de nombreuses influences comme celle de l’air, du facteur humain, du degré d’ensoleillement et bien d’autres encore. Le facteur énergétique joue également un rôle important dans ce système. Le pétrole se raréfiant et le coût de la consommation d’électricité étant cher, les solutions que les énergies émergentes comme les énergies renouvelables offrent sont de plus en plus appréciées et adoptées. Faute de quoi, l’on fait en sorte de réduire de notre mieux cette consommation.

BASE DE LA THERMODYNAMIQUE

La Thermodynamique est la science qui étudie les comportements thermiques des corps, l’énergie et ses diverses transformations. Elle traite également des propriétés des systèmes dans lesquels interviennent des notions de température et de chaleur liées à des phénomènes mécaniques. Elle est basée sur deux principes fondamentaux :

❖ le 1er principe de la Thermodynamique est un bilan d’énergie stipulant la conservation d’énergie dans une transformation fermée, réversible ou non. Il énonce que : « Pour un cycle, le travail des forces extérieures et la chaleur (reçue ou cédée) restent dans un rapport constant : ? +? × ? = 0 (Principe d’équivalence explicité par JOULE) ». Alors, quelle que soit la transformation amenant le système à étudier d’un état initial 1 (x1, y1) à l’état final 2 (x2, y2), cette quantité reste invariante.

Remarques

➤pour un système au repos, ? + ? × ? = ? où ? : énergie interne
➤∆? +? × ∆? = ∆? tel que ∆? = −? × ∆? pour une transformation isobare (c’est-à-dire à pression constante) d’où l’on définit une fonction ? = ? + ?? appelée fonction enthalpie. Et on en conclut que toute transformation thermodynamique se traduit par une variation d’enthalpie.

❖ Le 1er principe ne met pas en exergue le sens de la transformation ni le fait qu’elle soit possible ou non, encore moins les sources de chaleur. En réalité, on a deux sources de chaleur : une source chaude fournissant une quantité de chaleur ?1 et une seconde, froide quant à elle, recevant la quantité de chaleur ?2 . Ainsi on a : ? + ? × (?1 − ?2) = 0 . Le 2nd principe (ou encore principe de CARNOT) dit que « le rapport de la quantité de chaleur échangée par un système avec la source chaude à la quantité de chaleur échangée avec la source froide est constant » .

LE TRANSFERT THERMIQUE

L’existence d’une différence de température entre deux corps ou deux surfaces distinctes d’un même corps est éliminée naturellement par échange de chaleur.

La conduction

La conduction est le transfert de chaleur au sein d’un corps (ou un milieu opaque) ou entre deux corps en contact direct. Ce transfert s’effectue sans qu’il y ait déplacement de matière, sous l’influence d’une différence de température A l’intérieur d’un corps, la transmission de chaleur par conduction s’accomplit :
♦ soit par les vibrations des atomes et des molécules
♦ soit via les électrons .

LA TECHNOLOGIE DU FROID

La technologie du froid englobe plusieurs domaines :
♦la surgélation ou congélation rapide
♦la congélation
♦la réfrigération (froid commercial ou domestique)
♦la climatisation (climatisation de confort ou pour les procédés industriels) .

Production de froid et fluide frigorigène

Nombreux sont les procédés d’obtention du froid (mélanges réfrigérants, sublimation de certains solides, détente d’un gaz comprimé, froid par sorption, vaporisation d’un liquide pur…). Pour cela, un fluide appelé « fluide frigorigène (FF)» est utilisé. Ce FF décrit un cycle fermé en quatre phases à travers le circuit constitué de quatre (4) organes principaux (définis plus bas) :
● compression du fluide gazeux
● condensation du fluide gazeux
● détente du fluide liquide
● et vaporisation du fluide liquide (production du froid) .

En climatisation, cette production du froid est acquise par évaporation d’un FF. Il faut veiller à choisir un FF présentant, globalement, le moins de dangers possibles (en terme de santé, d’incendie et d’environnement) mais aussi compatible avec des installations frigorifiques déjà existantes en ayant des critères thermodynamiques et satisfaisants, de bonnes propriétés de transfert de chaleur et de masse et être chimiquement stables et neutres à l’égard des constituants du circuit.

Classement des FF

Les FF peuvent être classés en deux (2) familles suivant leurs propriétés physico-chimiques. On distingue :

a. Les substances inorganiques pures
On y trouve principalement : l’eau (H2O-R718), l’ammoniac (NH3-R717) et le dioxyde de carbone (CO2- R744), en bref ceux de la série 700. Aujourd’hui encore, l’ammoniac est très largement employé et est surtout rencontré dans les installations de froid industriel de grande puissance.
b. Les substances organiques
Ce sont principalement des dérivées du méthane (CH4) et de l’éthane (C2H6). On y regroupe les corps purs, les mélanges de corps purs et les hydrocarbures.

❖ les corps purs : ce sont les hydrocarbures halogénés. L’utilisation de la plupart d’entre eux est désormais interdite (toxicité environnementale élevée), ils peuvent encore être classés en trois sous-groupes :
➨ CFC (chlorofluorocarbures) : remplacés par du fluor et du chlore, ils ont fini par être dépourvus d’hydrogène et dégradent considérablement la couche d’ozone. Dans les pays développés, leur production, vente et utilisation (ne serait-ce que pour la maintenance) est dès lors interdite et les installations où ils sont encore utilisés ayant besoin d’un appoint en FF devront être adaptés à recevoir un autre type de fluide.
➨ HCFC (hydrochlorofluorocarbures) : seconde génération des hydrocarbures halogénés, composés chimiques formés d’hydrogène, de chlore, de fluor et de carbone. Egalement très nocifs pour la santé et l’environnement, leur utilisation sera formellement interdite d’ici 2015.
➨ HFC (hydrochlorofluorocarbures) : troisième génération d’hydrocarbures halogénés, utilisés de nos jours dans les installations neuves (purs ou en mélange), ils contribuent à l’effet de serre mais ne détruisent pas la couche d’ozone.

❖ les mélanges de corps purs : comme les mélanges azéotropiques (série 500) et zéotropiques (série 400).
❖ les hydrocarbures : Le butane (R600), l’isobutane (R600a), le propane (R290), le cyclopropane (RC270),…sont les principaux hydrocarbures présents dans le domaine du froid. Il est à noter que leurs dangers d’inflammabilité sont importants.

c. Autres produits
Ce sont les alcools, les éthers oxydes, les amines aliphatiques et les composés trihalogénés (chlorés, fluorés ou bromés).

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I : RAPPEL DE THERMODYNAMIQUE APPLIQUEE A L’ETUDE
I.1. BASE DE LA THERMODYNAMIQUE
I.2. LE TRANSFERT THERMIQUE
I.2.1. La conduction
I.2.1.1. Cas du mur
a. Mur simple
b. Mur multicouche
c. Mur composé d’une association de parois (mur composite)
I.2.1.2. Cas d’un cylindre creux
a. Cylindre creux homogène
b. Cylindre creux hétérogène
I.2.2. La convection
I.2.2.1. Convection naturelle (libre)
a. Plaque verticale isotherme
b. Les corrélations empiriques
I.2.2.2. Convection forcée
a. Plaque plane
b. Conduite
I.2.3. Le rayonnement
I.3. LA TECHNOLOGIE DU FROID
I.3.1. Production de froid et fluide frigorigène
I.3.1.1. Classement des FF
a. Les substances inorganiques pures
b. Les substances organiques
c. Autres produits
I.3.1.2. Autres critères pour le choix des FF à utiliser
a. Le GWP
b. L’ODP
I.3.2. Les composants du circuit frigorifique
I.3.2.1. L’évaporateur
I.3.2.2. Le compresseur
I.3.2.3. Le condenseur
I.3.2.4. Les organes d’alimentation
I.3.3. Le diagramme de MOLLIER
CHAPITRE II : NOTIONS GENERALES SUR LA CLIMATISATION
II.1. DEFINITION
II.2. OBJECTIFS DE LA CLIMATISATION
II.3. LES DIFFERENTS SYSTEMES DE CLIMATISATION
II.3.1. Les installations « tout air »
II.3.1.1. Système à un seul conduit et à débit d’air constant (DAC)
II.3.1.2. Système à un seul conduit et à débit d’air variable (DAV)
a. Les centrales de traitement d’air unizone
b. Les centrales de traitement d’air « à détente directe »
II.3.1.3. Système à deux conduits
1I.3.2. Les installations mixtes « air/eau »
II.3.2.1. Systèmes à éjecto-convecteurs
II.3.2.2. Systèmes à ventilo-convecteurs
II.4. LES CLIMATISEURS
II.4.1. Découpe d’un climatiseur
II.4.2. Les divers types de climatiseurs
II.4.2.1. Les climatiseurs individuels
a. Climatiseur monobloc
b. Climatiseur à éléments séparés (Split System)
II.4.2.2. Les armoires de climatisation
II.4.2.3. Les climatisations centralisées (multi split system)
a. Climatisation centrale à eau glacée
b. Système à Volume de Réfrigérant Variable ou VRV
CHAPITRE III : PRESENTATION DU PROJET
III.1. INTERETS DE L’ETUDE
III.1.1. Intérêts socio-économiques
III.1.2. Intérêts technologiques
III.2. PRESENTATION DE LA ZONE D’ETUDES
III.2.1. Localisation
III.2.2. Données relatives aux locaux à climatiser
CHAPITRE I : LE BILAN THERMIQUE
I.1. PREREQUIS D’UN BILAN THERMIQUE
I.1.1. Données climatiques et géographiques de base
I.1.2. Conditions de mesure pour le calcul des apports
I.1.3. Règles de dimensionnement (Climatisation et chauffage)
I.1.3.1. Pour la climatisation
I.1.3.1. Pour le chauffage
I.1.4. Hypothèses de calculs
I.2. LES APPORTS THERMIQUES
I.2.1. Les apports internes
I.2.1.1. Apports dus aux personnes occupant le local
I.2.1.2. Apports dus à l’éclairage
I.2.1.3. Apports dus aux machines et / ou appareillages électriques
I.2.2. Les apports externes
I.2.2.1. Apports calorifiques par rayonnement solaire sur les vitrages
I.2.2.2. Apports calorifiques par rayonnement solaire à travers les parois
I.2.2.3. Apports par transmission dus aux parois extérieures et les vitrages
a. Apports par transmission dus aux vitrages
b. Apports par transmission dus aux parois
I.2.2.4. Apports dus au renouvellement d’air
I.3. RESULTAT DU CALCUL DES APPORTS
I.3.1. Apports thermiques des bureaux
I.3.1.1. Façade SE
I.3.1.2. Façade NO
I.3.2. Apports thermiques des appartements du quatrième étage et DUPLEX
I.3.2.1. Façade SE
I.3.2.2. Façade NO
I.3.3. Récapitulation des apports thermiques totaux
I.4. LES DEPERDITIONS THERMIQUES
I.4.1. Apports internes et externes
I.4.2. Les différentes déperditions
I.4.2.1. Déperditions par les parois donnant directement sur l’extérieur
I.4.2.2. Déperditions par les parois donnant sur les locaux non chauffés
I.4.2.3. Déperditions par renouvellement d’air
I.5. CALCUL DES DEPERDITIONS
I.5.1. Déperditions thermiques des bureaux
I.5.1.1. Façade SE
I.5.1.2. Façade NO
I.5.2. Déperditions thermiques des appartements et du DUPLEX
I.5.2.1. Façade SE
I.5.2.2. Façade NO
I.5.3. Récapitulation des déperditions thermiques totales
CHAPITRE II : TYPES POSSIBLES DE VRV A INSTALLER
II.1. TECHNOLOGIE INVERTER
II.2. VRV EN FROID SEUL
II.3. VRV II
II.4. VRV III
II.4.1. Principe général de fonctionnement
II.4.2. Les divers fonctionnements
II.4.2.1. Chaud et froid équilibrés
II.4.2.2. Chaud et froid déséquilibrés
II.4.2.3. Mode « tout froid » ou « tout chaud »
CHAPITRE III : CLIMATISATION PAR SYSTEME VRV III : DIMENSIONNEMENTS, CHOIX ET SELECTION DES COMPOSANTS
III.1. CHOIX DE LA DISPOSITION DES MODULES
III.2. PARAMETRES DE FONCTIONNEMENT DE L’INSTALLATION
III.2.1. Valeurs des paramètres de base
III.2.2. Exploitation du cycle frigorifique
III.3. COMPOSANTS DE L’INSTALLATION
III.3.1. Les unités extérieures
III.3.1.1. Principe
III.3.1.2. Caractéristiques techniques de l’U.E
a. Châssis et habillage
b. Le compresseur
c. L’échangeur de chaleur
d. Le ventilateur
e. Circuit de réfrigérant et système de récupération d’huile
III.3.2. Les unités intérieures
III.3.2.1 Principe
III.3.2.2. Les caractéristiques techniques des U.I.
III.3.3. Le circuit frigorifique
III.3.4. Le circuit électrique
III.3.5. Régulation et sécurité
III.4. NOMBRE D’UNITES A INSTALLER
III.4.1. Unités extérieures
III.4.2. Unités intérieures
III.5. CONSOMMATION EN ELECTRICITE DE L’INSTALLATION
CHAPITRE IV : SYSTEME DE VENTILATION ET D’HUMIDIFICATION
IV.1. GENERALITES
IV.1.1. Définition
IV.1.2. Finalités de la ventilation
IV.2. LES COMPOSANTS
IV.3. DIMENSIONNEMENT DU SYSTEME DE RENOUVELLEMENT D’AIR
IV.3.1. Les étapes de calcul
IV.3.2. Principe
IV.4. L’HUMIDIFICATEUR
IV.4.1. Influences de l’humidité relative
IV.4.2. Dimensionnement de l’humidificateur
IV.4.2.1. Le débit d’humidification
IV.4.3. Consommation en eau de l’humidificateur
IV.4.4. Aperçu du progiciel « SITRAKA_CLIM »
IV.4.4.1. Conditions à considérer pour le calcul
IV.4.4.2. Interface du progiciel
CHAPITRE V : ETUDE DES IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
V.1. NOTIONS SUR L’EIE
V.1.1. Quelques définitions relatives à l’EIE
V.1.1.1. L’environnement
V.1.1.2. L’impact environnemental
V.1.1.3. La pollution
V.2. EIE DU PROJET DE CLIMATISATION
V.2.1. Présentation et objectif du projet
V.2.2. L’EIE
V.2.2.1. Les impacts négatifs
a. Pollutions sonores
b. Pollution atmosphérique
c. Les rejets sur l’extérieur et évacuation des condensats
V.2.2.2. Les impacts positifs
V.2.2.3. Les mesures d’atténuation, de suppression et/ou de compensation prises
CONCLUSION
REFERENCES
ANNEXES

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