Recknagel Génie Climatique - 5e Éd [PDF]

Zitiervorschau

H. RECKNAGEL E. SPRENGER • E.-R. SCHRAMEK

GÉNIE CLIMATIQUE Sous la direction de

Ernst-Rudolf Schramek Université de Dortmund Préface à l’édition française de

Bertrand Montmoreau Président national de l’Association des ingénieurs en climatique, ventilation et froid (AICVF) Traduit de l’allemand par

Adélaïde Bodson Chantal Caradec Stephan Pastureau Nathalie Petit

Cet ouvrage est la traduction en langue française, par les éditions Dunod, de la 75e édition de l’ouvrage de H. Recknagel, E. Sprenger et E.-R. Schramek publié en langue allemande sous le titre : Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik Copyright © 2011 Oldenbourg Industrieverlag GmbH

Révision technique : Jean Lannaud, Jean Hrabovsky, Philippe Ménard, Jacques Bossard, Claude Fayet, Roland Hervé, André Regef (membres de l’AICVF) Les éléments de cette nouvelle édition ont été traduits par Nathalie Petit. L’éditeur a fait tout ce qui était en son pouvoir pour rendre l’utilisation de cet ouvrage aussi aisée que possible. Toute insuffisance à cet égard qui nous serait signalée sera rectifiée dans un prochain tirage.

© Dunod, Paris, 2007, 2013 pour la traduction française ISBN 978-2-10-070451-4

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

PRÉFACE À LA CINQUIÈME ÉDITION FRANÇAISE

C’est à Hermann RECKNAGEL (1869-1919) que l’on doit « Le Recknagel ». La première édition, sous forme d’un annuaire, date de 1897. Rapidement il est complété puis publié annuellement et devient un manuel du génie climatique. En Allemagne, continuellement mis à jour, il fait chaque année l’objet d’une nouvelle édition. Depuis sa première édition française, en 1980, le RECKNAGEL s’est aussi imposé en France comme un manuel du génie climatique. Il est devenu rapidement une des références de base pour les professionnels. Le manuel traite des phénomènes physiques fondamentaux de la climatique puis de ses applications en chauffage, ventilation, climatisation-conditionnement d’air et froid. La présente édition de Dunod aborde aussi bien les procédés traditionnels que les dernières avancées technologiques en matière de performance énergétique. Le RECKNAGEL nous fait aussi connaître des solutions plus particulièrement en usage outre Rhin. Pour cette cinquième édition française du RECKNAGEL, les Éditions Dunod ont demandé de nouveau à l’AICVF, Association des ingénieurs en climatique ventilation et froid, de valider la traduction française. Notre association de climaticiens a été très sensible à cet honneur. Les relecteurs, sous l’égide du comité technique, se sont efforcés de gommer les petites imperfections de la traduction et de rendre plus aisée sa lecture. En France, les installations de génie climatique doivent respecter les exigences de la réglementation thermique, RT 2012 aujourd’hui, et viser à terme les performances énergétiques de la future Réglementation 2020. Les logiciels de calcul, propres à la réglementation, peuvent parfois faire oublier les impératifs de la conception et du dimensionnement, c’est pourquoi le RECKNAGEL est un outil indispensable au bureau d’études ; il aide à concevoir des installations qui répondent au besoin de confort des occupants avec les meilleures solutions de performances énergétiques tout en satisfaisant à la réglementation thermique. Félicitations aux Éditions Dunod, qui proposent aux climaticiens de langue française cet outil de conception des installations de génie climatique. Bertrand MONTMOREAU Président national de l’Association des ingénieurs en climatique, ventilation et froid (AICVF)

V

PRÉFACE À LA PRÉCÉDENTE ÉDITION FRANÇAISE (2007)

C’est un honneur pour l’AICVF de vous présenter aujourd’hui la traduction française de la dernière édition du RECKNAGEL. Cet ouvrage, particulièrement apprécié des professionnels du génie climatique en général, et des bureaux d’études thermiques en particulier, est devenu, de longue date, le document européen de référence. Le choix d’une traduction, plutôt que d’une adaptation, du célèbre manuel allemand a paru préférable face à l’harmonisation grandissante des normes et des bonnes pratiques et à la convergence des préoccupations européennes. L’évolution rapide des technologies, permettant de mieux répondre aux aspirations de plus en plus exigeantes en termes de confort thermique, tout en respectant les objectifs de réduction de la consommation d’énergie et les enjeux du développement durable, sera également favorisée par cette vision européenne. Cette nouvelle édition s’inscrit aussi dans la démarche internationale menée de longue date par l’AICVF dans le cadre de REHVA et de CLIMAMED (le congrès des climaticiens proches de la Méditerranée). La France, de par sa position et sa diversité géographiques, doit jouer un rôle charnière pour unir les méthodes et les problématiques du génie climatique, du nord de l’Europe jusqu’au bassin méditerranéen. La traduction d’un ouvrage technique de cette importance, unique en son genre, représente un travail considérable, et nécessite une parfaite connaissance du génie climatique et de son vocabulaire. Le comité technique de l’AICVF est très heureux d’avoir pu être associé à ce challenge et de participer ainsi à une meilleure compréhension européenne du génie climatique et à la diffusion de son savoir-faire. Cette nouvelle édition du RECKNAGEL complète ainsi harmonieusement la bibliothèque du bon climaticien, notamment aux côtés des recommandations de l’AICVF. Elle s’inscrit parfaitement dans le rôle que notre association s’est fixé depuis bientôt cent ans, de réflexion, d’échange, de modernisation et de diffusion des techniques du génie climatique. Très bonne lecture à tous. Bertrand MONTMOREAU Président national de l’Association des ingénieurs en climatique, ventilation et froid (AICVF)

VI

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AVERTISSEMENT

Cet ouvrage renvoie à des normes et à des recommandations. Celles-ci peuvent avoir une origine : • allemande : normes DIN de l’Institut allemand de normalisation (Deutsches Institut für Normung), équivalent de l’Association française de normalisation (AFNOR), et recommandations (VDI, VDMA), issues d’organismes professionnels ; • européenne : normes EN adoptées par le Centre européen de normalisation (CEN) ; elles sont obligatoirement reprises par les instituts nationaux de normalisation (DIN ou AFNOR) en lieu et place des normes nationales ; • internationale : normes ISO ou CEI, reprises ou non par le CEN. Mode d’emploi pour trouver les normes françaises équivalentes des normes citées dans l’ouvrage : • normes ou recommandations d’origine allemande : interroger le site www.afnor.fr à la rubrique « Normes en ligne » : – à partir de l’indice DIN, VDI ou VDMA, rechercher l’indice ICS (International classification standard), – puis, à partir de l’indice ICS, faire une recherche avancée pour obtenir les normes françaises portant sur le même sujet. • normes d’origine européenne (DIN EN…) ou internationale (DIN EN ISO…) : la version française est publiée par l’AFNOR avec le même indice : NF EN… ou NF EN ISO… L’ouvrage donne également plusieurs exemples détaillés de calcul de coûts d’installation et d’exploitation. Ils sont à actualiser en fonction des conditions économiques du moment en tenant bien compte des prix de la main-d’œuvre, des produits de construction, des équipements ainsi que des tarifs des énergies et de l’incidence des conditions climatiques du lieu considéré. Association des ingénieurs en climatique, ventilation et froid (AICVF)

VII

AVANT-PROPOS À LA PREMIÈRE ÉDITION ALLEMANDE

Cet almanach destiné aux techniciens de la santé s’adresse en premier lieu aux professionnels non seulement en déplacement mais aussi au bureau, en tant qu’ouvrage de référence concis pour les formules, les coefficients et les valeurs de tableaux. En conséquence, on y trouve également de nombreuses données pour les calculs approximatifs à effectuer sur place. Par ailleurs, cet almanach se veut être une aide précieuse pour les nonspécialistes qui recherchent des valeurs empiriques dans les domaines du chauffage et de la ventilation, et qui souhaitent effectuer eux-mêmes rapidement les calculs correspondants. Plusieurs parties de l’ouvrage tiennent compte des intérêts particuliers des architectes (principes d’élaboration de projets, choix du système de chauffage, notes techniques rapportées à la construction, coûts d’élaboration). Concernant la matière, celle-ci est, dans la mesure du possible, traitée de manière strictement scientifique, et au besoin transposée dans des formules d’approximation et des tableaux. Dans les différents tableaux, on s’est employé à indiquer les principes qui ont servi au calcul, pour évaluer clairement si, pour un cas donné de l’application, les mêmes conditions préliminaires sont réunies, même approximativement, ou pour pouvoir mesurer l’ampleur de majorations éventuellement nécessaires, etc. Des exemples numériques sont destinés à faciliter l’application des différentes formules. Il est prévu pour les années suivantes un supplément en images représentant alternativement une des parties du domaine de techniques de santé. 1 – Chaudières de chauffage, régulateurs, etc. 2 – Corps de chauffe, habillages, systèmes de chauffage. 3 – Vannes, purgeurs d’eau de pluie, tuyauteries, etc. 4 – Appareils de ventilation et instruments de mesure. 5 – Installations de bains, blanchisseries, appareils de désinfection, etc. Vous voudrez bien retirer de l’annexe les détails de ce petit recueil, ainsi qu’une invitation faite aux fabricants de bien vouloir le soutenir. L’établissement d’un annuaire des entreprises qui construisent des chauffages centraux doit permettre de diffuser des questions qui intéressent les milieux professionnels et permettent la parution d’articles sur la technique du chauffage. J’adresse ici mes meilleurs remerciements à toutes les personnes qui m’ont soutenu dans l’élaboration de cet annuaire, et je prie également mes chers confrères de porter un jugement indulgent sur cet ouvrage. On envisagera volontiers des améliorations, et on utilisera des contributions adéquates avec indication des sources. Winterthur, août 1896 Hermann RECKNAGEL (1869-1919) VIII

TABLE DES MATIÈRES

1 DONNÉES DE BASE 1.1 • Données météorologiques de base 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5

L’air Température de l’air Humidité de l’air Rayonnement solaire Vent

1.2 • Notions de base d’hygiène 1.2.1 Régulation thermique chez l’homme 1.2.2 Échanges thermiques chez l’homme 1.2.3 Confort thermique 1.2.4 Qualité de l’air intérieur 1.2.5 Normes sanitaires

1.3 • Données thermodynamiques de base 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.3.6 1.3.7 1.3.8 1.3.9

Grandeurs fondamentales Gaz Vapeurs Air humide Transmission de chaleur Combustibles Combustion Moteurs thermiques Piles à combustible

1.4 • Lois d’écoulement des fluides 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4

Écoulement laminaire Écoulement par un orifice Diaphragmes et tuyères Pression critique

3 3 11 20 37 48

53 53 54 54 74 84

93 93 105 114 126 137 189 205 225 229

233 233 236 237 239 IX

Table des matières

1.4.5 Enthalpie et vitesse 1.4.6 Détente adiabatique 1.4.7 Calcul des pertes de charge 1.4.8 Perte de charge singulière 1.4.9 Perte de charge totale 1.4.10 Courbes caractéristiques des installations

X

239 239 240 246 249 251

1.5 • Acoustique élémentaire 1.5.1 Généralités 1.5.2 Caractéristiques physiques du son 1.5.3 Timbre et spectre acoustique 1.5.4 Évaluation du bruit 1.5.5 Propagation du son 1.5.6 Isolation acoustique aux bruits aériens 1.5.7 Insonorisation des constructions 1.5.8 Absorption acoustique 1.5.9 Acoustique des grands espaces

253 253 253 255 255 260 261 265 265 267

1.6 • Principales techniques de mesure 1.6.1 Généralités 1.6.2 Mesure de la pression 1.6.3 Mesure de la température 1.6.4 Mesure de la vitesse d’air 1.6.5 Mesure du volume et du débit 1.6.6 Calorimétrie 1.6.7 Mesure du niveau 1.6.8 Contrôle des produits de combustion 1.6.9 Hygrométrie 1.6.10 Appareils de mesures divers

269 269 269 271 277 280 286 291 294 297 300

1.7 • Bases techniques de régulation 1.7.1 Notions de base 1.7.2 Systèmes régulés 1.7.3 Équipements de régulation

309 309 311 317

1.8 • Règles de base pour les économies d’énergie 1.8.1 Définitions 1.8.2 Source d’énergie 1.8.3 Transformation de l’énergie 1.8.4 Consommation d’énergie 1.8.5 Externalisation/Sous-traitance

337 337 337 340 342 343

Table des matières

1.9 • Données fondamentales de la protection de l’environnement et de l’épuration de l’air 1.9.1 Émissions 1.9.2 Action des émissions 1.9.3 Mesures destinées à limiter les émissions de polluants dans le secteur de l’énergie 1.9.4 Bases juridiques 1.10 • Bases concernant la protection contre la corrosion et le tartre 1.10.1 Bases sur la corrosion 1.10.2 Corrosion dans les installations de chauffage à eau chaude 1.10.3 Corrosion dans les installations à vapeur à basse pression 1.10.4 Corrosion dans les chauffe-eau 1.10.5 Corrosion provenant de gaz de combustion 1.10.6 Formation de tartre 1.11 • Bases de Facility Management – Planification, élaboration et utilisation 1.11.1 Bases 1.11.2 Bases de calcul des coûts et de la rentabilité 1.11.3 Maître d’ouvrage, architecte, bureau d’études techniques – Du projet à la réalisation 1.11.4 Management technique des bâtiments 1.11.5 Simulation 1.12 • Bases de physique de la construction pour l’isolation thermique des bâtiments 1.12.1 Isolation thermique des bâtiments 1.12.2 Protection thermique d’été 1.12.3 Condensation sur les surfaces intérieures des pièces de construction extérieures

345 345 346 348 352

361 361 364 377 380 384 387 393 393 394 403 417 439

449 449 460 463

2 Chauffage 2.1 • Généralités 2.1.1 Exigences concernant les installations de chauffage 2.1.2 Codes couleurs et symboles graphiques utilisés dans la technique de chauffage

469 469

2.2 • Systèmes de chauffage 2.2.1 Chauffages divisés

475 475

470

XI

Table des matières

2.2.2 Installations de chauffage central 2.2.3 Chauffage urbain et cogénération

2.3 • Composants des installations de chauffage

516 583

619

2.3.1 Générateurs de chaleur 2.3.2 Brûleurs et stockage du combustible 2.3.3 Systèmes d’évacuation des produits de combustion 2.3.4 Tuyauteries 2.3.5 Accessoires de tuyauterie 2.3.6 Machines et appareils 2.3.7 Appareils de mesure, de commande et de régulation 2.3.8 Surfaces de chauffe 2.3.9 Installations de prévention de la corrosion et de l’entartrage 2.3.10 Déperditions thermiques (ou émissions thermiques) des tuyauteries 2.3.11 Insonorisation

619 682 729 751 776 800 823 875

2.4 • Calcul et dimensionnement des installations de chauffage

907

2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4

898 901 904

Calcul des déperditions thermiques Dimensionnement des générateurs de chaleur Dimensionnement et calcul des réseaux de canalisations Dimensionnement des équipements de chauffage individuels

907 924 926

2.5 • Installation du chauffage dans différents types de bâtiments

969

2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5 2.5.6 2.5.7

Décisions techniques et relatives au bâtiment Bâtiments d’habitation Immeubles de bureaux et bâtiments administratifs Écoles et autres Hôpitaux et cliniques Bâtiments destinés aux manifestations sportives et autres Chauffage en extérieur

2.6 • Coûts de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire liés à la consommation

949

969 978 984 991 992 996 1008

1011

2.6.1 Généralités 1011 2.6.2 Équations fondamentales des besoins énergétiques annuels de chauffage 1013 2.6.3 Besoins thermiques de chauffage et besoins en chaleur utile pour la production d’eau chaude sanitaire 1013 2.6.4 Besoins énergétiques annuels pour le chauffage et la production d’eau chaude sanitaire 1017 2.6.5 Modulation du chauffage et influence de la régulation terminale 1027 XII

Table des matières

2.6.6 Dépenses énergétiques annuelles, consommation annuelle de combustible et besoins annuels en énergie 1028 2.6.7 Vue d’ensemble des résultats 1030

3 Production d’eau chaude sanitaire 3.1 • Généralités 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5

Objectifs pour la production d’eau chaude sanitaire (ECS) Exigences Classification des installations Symboles graphiques Réglementation relative à la sécurité et aux économies d’énergie

3.2 • Systèmes de chauffage de l’eau chaude sanitaire 3.2.1 Installations individuelles ou de groupes 3.2.2 Installations collectives de production d’eau chaude sanitaire 3.2.3 Production d’eau chaude sanitaire par pompe à chaleur

3.3 • Composants des installations de production d’eau chaude sanitaire

1035 1035 1035 1035 1036 1038

1039 1039 1048 1060

1063

3.3.1 Générateurs de chaleur 3.3.2 Chauffe-eau à accumulation 3.3.3 Préparateurs d’eau chaude sanitaire à accumulation avec pompe de charge 3.3.4 Chauffe-eau instantanés 3.3.5 Systèmes de mélange eau froide/eau chaude 3.3.6 Dispositifs de protection anticorrosion et antitartre 3.3.7 Exigences sanitaires

1068 1070 1071 1073 1074

3.4 • Calcul des installations de production d’eau chaude sanitaire

1077

3.4.1 Débits et températures 3.4.2 Besoins thermiques 3.4.3 Puissance de la chaudière 3.4.4 Volume du réservoir de stockage 3.4.5 Aire des surfaces de chauffe du réservoir de stockage 3.4.6 Vase d’expansion 3.4.7 Réseau de tuyauteries 3.4.8 Exemples

1063 1066

1077 1080 1086 1088 1089 1091 1091 1099 XIII

Table des matières

4 Techniques de ventilation et de climatisation

XIV

4.1 • Principes de la ventilation et de la climatisation d’air 4.1.1 Objectifs de la ventilation et de la climatisation d’air 4.1.2 Classification des techniques de ventilation et climatisation d’air 4.1.3 Terminologie des installations de ventilation et climatisation d’air

1105 1105

4.2 • Systèmes de ventilation et de climatisation 4.2.1 Ventilation naturelle 4.2.2 Installations de traitement de l’air 4.2.3 Traitement thermique à partir des surfaces d’un local

1109 1109 1114 1129

4.3 • Composants 4.3.1 Ventilateurs 4.3.2 Batterie de chauffage et de refroidissement d’air 4.3.3 Filtres à air 4.3.4 Humidificateurs et déshumidificateurs d’air 4.3.5 Distribution de l’air 4.3.6 Dispositifs de réduction de la puissance acoustique 4.3.7 Appareils de mesure, de contrôle et de régulation 4.3.8 Récupération de la chaleur 4.3.9 Sécurité incendie

1153 1153 1179 1193 1207 1225 1288 1325 1371 1388

4.4 • Matériels de traitement de l’air 4.4.1 Centrales 4.4.2 Appareils décentralisés 4.4.3 Appareils spéciaux

1443 1445 1457 1464

4.5 • Calculs des installations de ventilation et de climatisation (installations de traitement de l’air) 4.5.1 Détermination du débit volume d’air 4.5.2 Dimensionnement du système de conduits aérauliques 4.5.3 Installations frigorifiques 4.5.4 Installations d’humidification de l’air avec laveur 4.5.5 Déshumidification 4.5.6 Installations de climatisation

1481 1481 1488 1489 1527 1530 1532

4.6 • Mise en place des installations de traitement de l’air dans différents bâtiments et locaux 4.6.1 Décisions techniques relatives à la construction

1539 1539

1105 1106

Table des matières

4.6.2 Immeubles d’habitation 4.6.3 Immeubles de bureaux et immeubles administratifs 4.6.4 Écoles, musées et locaux similaires 4.6.5 Hôpitaux 4.6.6 Bâtiments hôteliers et locaux similaires 4.6.7 Magasins 4.6.8 Bâtiments et installations d’exploitation 4.6.9 Bâtiments destinés au sport et aux rassemblements 4.6.10 Autres bâtiments et annexes de bâtiments 4.6.11 Autres espaces

4.7 • Aspiration d’air industriel 4.7.1 4.7.2 4.7.3 4.7.4 4.7.5

1549 1555 1604 1612 1626 1628 1634 1671 1678 1691

1703

Généralités Dispositifs de captage Champs des vitesses pour les orifices d’admission Bases de calcul Mise en place des dispositifs de captage

1703 1704 1706 1710 1713

5 Technique du froid 5.1 Généralités

1729

5.2 • Principes théoriques

1731

5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.2.6 5.2.7

Système de production du froid par compression Système de production du froid par compression d’air Système de production du froid par absorption Système de production du froid par adsorption Système frigorifique à jet de vapeur Système de production du froid thermoélectrique Énergie – Coefficient d’utilisation

1731 1741 1741 1744 1748 1749 1750

5.3 • Composants et fluides utilisés dans une installation frigorifique 1751 5.3.1 Fluide frigorigène 5.3.2 Couples de substances actives dans les installations à absorption 5.3.3 Huile pour machines frigorifiques 5.3.4 Saumure

5.4 • Composants d’une machine frigorifique 5.4.1 Compresseurs à pistons

1751 1759 1761 1761

1765 1765 XV

Table des matières

5.4.2 Compresseurs centrifuges 5.4.3 Condenseurs 5.4.4 Évaporateurs (refroidisseurs) 5.4.5 Éléments auxiliaires du circuit de fluide frigorigène 5.4.6 Moteurs d’entraînement du compresseur 5.4.7 Appareils de mesure, de commande et de régulation 5.4.8 Installation de tours aéroréfrigérantes

5.5 • Conception des installations frigorifiques 5.5.1 Généralités 5.5.2 Condenseurs à air 5.5.3 Refroidissement par frigoporteur 5.5.4 Entraînement par moteur thermique 5.5.5 Équipements collectifs de production de froid 5.5.6 Circuit de tuyauteries de fluide réfrigérant 5.5.7 Réseaux de distribution d’eau glacée 5.6 • Calcul des installations frigorifiques destinées au rafraîchissement de l’air 5.6.1 Dimensionnement de l’installation frigorifique 5.6.2 Comportement des machines frigorifiquesb à charge partielle 5.6.3 Conception de l’installation frigorifique 5.6.4 Accumulateurs de froid 5.6.5 Récupération de chaleur/pompe à chaleur 5.7 • Régulation des installations à détente directe 5.7.1 Régulation des installations à détente directe 5.7.2 Régulation dans le cas du refroidissement par frigoporteur 5.7.3 Régulation du circuit d’eau glacée 5.7.4 Régulation des groupes de production d’eau glacée 5.8 • Conception des installations frigorifiques, salles des machines, bruits 5.8.1 Sites d’installation 5.8.2 Émetteurs de froid 5.8.3 Groupes de fluides frigorigènes 5.8.4 Prescriptions relatives au site d’installation 5.8.5 Salles des machines 5.8.6 Transmission de bruit

XVI

1772 1774 1780 1785 1786 1787 1795

1803 1803 1804 1806 1819 1821 1824 1827 1829 1829 1830 1840 1843 1849

1855 1855 1862 1863 1864

1867 1867 1868 1868 1869 1870 1872

Table des matières

6 Réglementation et normalisation françaises 6.1 • Généralités Réglementation Normes et autres textes techniques Les normes DIN ICS : classement international des normes

1877 1877 1877 1877 1878

6.2 • Données de base

1879

6.3 • Chauffage

1883

Généralités 1883 Systèmes de chauffage 1883 Composants des installations de chauffage 1884 Calcul et dimensionnement des installations de chauffage 1886 Installations de chauffage dans différents types de bâtiments 1886 Coûts de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire liés à la consommation 1886

6.4 • Production d’eau chaude sanitaire Généralités Systèmes de chauffage de l’eau

6.5 • Techniques de ventilation et de climatisation Réglementation Installations classées pour la protection de l’environnement Normalisation Recommandations

6.6 • Technique du froid Réglementation Installations classées pour la protection de l’environnement (ICPE) Normalisation Recommandation

1889 1889 1889

1891 1891 1892 1892 1892

1893 1893 1894 1894 1895

Annexe A.1 • Unités et symboles

1899

Annexe A.2 • Tables de conversion

1902

Index

1907 XVII

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1

Données de base

1.1 • DONNÉES MÉTÉOROLOGIQUES DE BASE Remaniement du Dr Jürgen Masuch, Ingénieur à Benningen

1.1.1 L’air -1

Air pur

L’air enveloppe le globe terrestre de toutes parts. La couche inférieure à la surface de la Terre est connue sous le nom de troposphère et atteint jusqu’à 11 kilomètres d’altitude sous nos latitudes. Suivent la stratosphère (11 à 75 km) et l’ionosphère (75 à 600 km). La pression sur la surface de la Terre résultant du poids de l’air s’élève à 1,013 bar. Avec une masse volumique constante, l’air atteindrait donc selon les calculs une hauteur d’atmosphère de 7 990 m, où la masse volumique de l’air sec à 0 °C est de 1,293 kg/m 3, et une accélération de la pesanteur de 9,81 m/s2 :

h=

1, 013 ⋅ 10 5 P = = 7 990 m ρ g 1, 293 ⋅ 9, 81

Mais en réalité, la masse volumique et la température de l’air diminuent avec l’altitude (tableau 1.1.1-1), voir aussi DIN ISO 2533 (12.79). Tableau 1.1.1-1 – Diminution de la pression atmosphérique et de la température avec l’altitude (norme sur l’atmosphère, DIN ISO 2533:1979-12) Altitude (km) Pression de l’air (mbar)

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Température (°C)

0

0,5

1,0

2

3

4

6

8

10

15

20

1 013

955

899

795

701

616

472

356

264

120

55

15

11,8

8,5

2,04

– 4,5

– 11

– 24

– 37

– 50

– 55

– 55

Diminution de la température avec l’altitude. De 11 à environ 20 km, température pratiquement constante à environ – 55 °C. Hausse de température due à la couche d’ozone jusqu’à environ 0 °C puis diminution à nouveau. Tableau 1.1.1-2 – Composition de l’air sec pur Gaz Oxygène Azote Argon Dioxyde de carbone Hydrogène Néon Hélium Crypton Xénon

Formule O2 N2 Ar CO2 H2 Ne He Kr Xe

% massique

% volumique

23,01 75,51 1,286 0,04 0,001 0,0012 0,00007 0,0003 0,00004

20,93 78,10 0,9325 0,03 0,01 0,0018 0,0005 0,0001 0,000009

D’un point de vue chimique, l’air est un mélange de différents gaz présents en permanence, parmi lesquels l’azote, l’oxygène, l’argon et le dioxyde de carbone occupent une place prépondérante et qui, ensemble, représentent près de 99,99 % de la masse de l’air (tableau 1.1.1-2). Que ce soit dans l’espace ou dans le temps, la composition de l’air ne change que très peu à la surface terrestre, alors qu’à de hautes altitudes, ce sont les gaz les plus légers qui prédominent, à savoir l’hydrogène et l’hélium. La teneur en oxygène diminue de 0,3 %/km. Outre les gaz permanents, on trouve dans l’air de la vapeur

3

DONNÉES DE BASE

1

1.1 • Données météorologiques de base

1.1.1 L’air

d’eau en quantité variable. Le taux le plus faible est de presque 0 % (par des températures très basses), le taux le plus élevé est d’environ 3 % en masse et d’environ 4 % en volume.

-2

Polluants

Voir paragraphe 1.9 : Données fondamentales de la protection de l’environnement et de l’épuration de l’air page 345.

-2.1 Gaz et vapeurs1 Dans l’air qui nous entoure, indépendamment de la région, du climat, de la saison et d’autres facteurs, on trouve aussi de nombreux gaz et vapeurs, dus en général aux industries, usines, foyers et moyens de transport. Parmi ceux-ci, les plus importants sont les suivants : 1 L’ozone – O3 –, produit par les décharges électriques, les cycles d’oxydation et de vaporisation, est présent en très faible quantité dans l’atmosphère (de 0,01 à 0,02 mg/m 3). Son odeur est piquante. Même à une concentration inférieure à 0,02 mg/m3, il cause déjà des irritations. La richesse en ozone de l’air marin ou montagnard est un indicateur du degré de pureté de l’air, car l’ozone réagit rapidement au contact d’un air pollué. Le manque d’ozone dans l’atmosphère – principalement au-dessus de l’Antarctique, mais aussi au-dessus de l’Arctique – est provoqué par les chlorofluorocarbones (CFC) contenus dans les aérosols et les fluides frigorigènes (voir paragraphe 5.3.1 page 1751). Le rayonnement ultraviolet du Soleil traverse ainsi l’atmosphère sans être filtré et arrive en masse jusqu’à la surface de la Terre, avec les conséquences sur le climat que l’on connaît. Les risques de maladies dermatologiques augmentent également (cancer de la peau). Le peroxyde d’hydrogène (eau oxygénée) – H2O2 – se forme comme l’ozone, mais en quantités plus importantes, notamment dans les précipitations : environ 200 mg/m 3. Le monoxyde de carbone – CO –, inodore et très toxique, naît de la combustion incomplète lors du chauffage ou d’autres processus de combustion, c’est pourquoi il est présent dans les villes et les zones industrielles. Les véhicules et les combustibles domestiques en sont les principales sources. On le retrouve dans les gaz d’échappement avec un pourcentage en volume allant jusqu’à 8 %, et la réglementation autorise, au point mort, un pourcentage en volume de 3,5 %. On le trouve également dans la fumée de cigarette. Il est particulièrement dangereux, même à très faible dose. Présence dans les rues avec trafic normal : 25 ppm = 30 mg/m 3. Présence dans les rues avec trafic élevé : 50 ppm = 60 mg/m 3. Présence dans les gaz d’échappement et les fumées : 3,0 % en volume = 36 000 mg/m 3. On peut également trouver des concentrations de 50 mg/m 3 et plus dans les habitations, surtout lorsqu’il y a des fumeurs. Le dioxyde de carbone – CO2 – sa faible quantité dans l’air augmente lentement chaque année d’environ 1 ppm lors des processus de combustion d’éléments fossiles, ce qui donne une teneur actuelle d’environ 340 ppm. D’aucuns craignent une influence sur le climat, à savoir une augmentation de la température de l’air (effet de serre), car la chaleur qui se dégage de la surface du globe est piégée lorsqu’il y a des pics de CO 2 dans l’atmosphère (il absorbe beaucoup de chaleur). Solutions possibles : réduire la consommation de combustibles fossiles grâce à des économies d’énergie (récupération de la chaleur), à la substitution par l’énergie nucléaire ou la combustion d’hydrogène. Par temps de smog (en anglais, smog : composition entre smoke et fog, c’est-à-dire mélange de fumées et de brouillard), on note une hausse jusqu’à 450 ppm en pleine journée 2. Le dioxyde de soufre – SO2 – naît de la combustion de charbon ou de fioul, c’est pourquoi il est présent notamment dans les secteurs industriels. Pour les quantités des émissions selon les sources, voir le tableau 1.9.1-2 page 347. Le gaz de ville et le gaz naturel ne contiennent pratiquement pas de soufre et sont ainsi les combustibles les plus propres. De plus, ils produisent relativement peu de CO 2 lors de leur combustion grâce à leur taux élevé en hydrogène. Avec le fioul, ce sont de plus en plus des pétroles bruts pauvres en soufre qui sont traités. Lors de la combustion du gazole (ou fioul) avec 0,3 % de soufre, les produits de combustion contiennent 0,5 g de SO2 par m3, et ceux d’une centrale à charbon sans désulfurisation de 1 à 3 g de SO 2 par m3. Le SO2 s’oxyde progressivement dans l’air pour se transformer en SO 3, lequel au contact de l’air humide se transforme en acide sulfurique (H2SO4). 1. Manuel VDI : Maintien de la propreté de l’air. Düsseldorf, Édition VDI 1959/2003. 6 volumes (plus de 500 directives), Bases météorologiques dans le volume 1, météorologie de l’environnement. Lahnmann, E. : Ges.-Ing. 5/75 page 121/6 et 1/2-79 page 17/22. Fanger, P. O. : Ki 2/82 page 437/8. Baumüller, J. et Reuter, U. : Génie thermique 5/82 page 185/8 et KKT 11/82 page 486. Kremer, H. : Rapport VDI 486 page 25/9 (1983). 2. Lahmann, E. : Liste d’écrits WaBoLu 52, 1981 pages 251 et suivantes.

4

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1.1.1 L’air

Le SO2 est présent dans l’air à raison d’environ 0,1 à 1 mg/m 3 (0,04 à 0,4 ppm), taux variable en fonction du lieu et du moment, nettement plus élevé en hiver qu’en été. Nuisible pour la flore dès 0,5 mg/m 3, voire moins pour certaines plantes. Réaction sur l’être humain dès 0,5 mg/m 3 (voir directive générale VDI 2310)1. Odeur désagréable, irritation des muqueuses, nocif. L’ammoniac – NH3 – naît lors de processus de décomposition et de putréfaction, voire de carbonisation. Plus léger que l’air, s’échappe dès qu’on le libère. Présent dans l’environnement à raison de 0,02 à 0,05 mg/m 3. Les gaz nitreux – NOx (N2O, NO, NO2) – résultent de la circulation automobile et des installations de chauffage à des températures de combustion dépassant 1 300 °C. D’un brun mordoré, odeur piquante, présents dans l’air à raison de 0,1 à 0,5 mg/m3 (NO2). Toxiques, avec les mêmes effets que le SO2. Autrefois contenu dans l’essence en tant qu’antidétonant, le plomb sous forme d’aérosol dans l’atmosphère provient principalement des gaz d’échappement des véhicules. Très toxique, sa concentration moyenne dans l’air varie entre 1 et 3 μg/m 3 et, aux heures de pointe de circulation, entre 25 et 30 μg/m 3. Restriction en raison de la loi sur le plomb dans l’essence. Depuis la réduction de la teneur en plomb autorisée par le TA Luft (le guide technique pour maintenir l’air propre), sa concentration doit être ≤ 2 μg/m3, d’où réduction immédiate de la teneur en plomb dans l’atmosphère. Loi sur le plomb dans l’essence, modification du 18.02.1987. Essence contenant du plomb interdite sur tout le territoire. Recommandation de l’OMS ≤ 0,5-1 μg/m3, et d’après le nouveau TA Luft (2001), sa concentration doit être ≤ 0,5 μg/m3. D’autres gaz et vapeurs non régulièrement détectables dans l’air proviennent d’exhalations et d’odeurs des animaux et des plantes, ainsi que des travaux effectués en usine, notamment des usines chimiques et des fonderies. Par temps de smog, on a mesuré des concentrations de plus de 4 mg/m 3 en poussières et en SO2. Si l’on compare les différents types de pollution de l’environnement, il faut prendre en compte non seulement les principaux agents tels CO, SO2, NOx, etc., mais aussi les zones les plus exposées, comme les centrevilles et les sites industriels. Toutefois, du fait que la propagation des polluants a été localement moins régulièrement mesurée, des changements significatifs sont apparus au cours des dernières décennies. La qualité de l’atmosphère dans les régions industrielles s’est nettement améliorée (filtres à poussières, systèmes de désulfuration et de dénitratation dans les centrales électriques, très hautes cheminées qui rejettent les résidus plus loin). Mais la situation a empiré dans les zones rurales, qui reçoivent désormais davantage d’émissions.2,3 En général, la quantité de polluants dans l’air augmente chaque jour et tous les ans. Ainsi, le SO 2 provenant des systèmes de chauffage est émis principalement en hiver. Une absorption de substances nocives peut survenir avec la pluie, la neige, l’ozone et l’effet filtrant de la végétation. Dans les zones d’habitation, outre les composants mentionnés ci-dessus, on peut encore détecter occasionnellement d’autres impuretés de l’air. Le formaldéhyde peut provenir de panneaux de particules de bois et de mousses stratifiées d’aminoplaste. Teneur autorisée dans les logements : 0,12 mg/m 3, soit 0,1 ppm. Les valeurs mesurées4 atteignent 0,6 mg/m3. En outre, on trouve du pentachlorophénol (PCP) dans les mélanges de traitement du bois. Dans de nombreux pays, on a détecté des particules radioactives dans l’air des habitations. Elles ont pour origine les gaz rares radioactifs radon et thoron, qui résultent d’émanations d’uranium/radium, voire de thorium, et sont présents partout dans la nature. Provenant du sol, de matériaux de construction ou de l’eau présente dans l’air, le radon et le thoron se désagrègent par la suite en plomb ou en polonium, qui se déposent sur des particules de poussière dans l’air et sont inhalés par les poumons. D’où apparition du cancer des poumons, comme ce fut le cas chez des mineurs, particulièrement exposés. On a récemment constaté aux États-Unis que le degré de menace par le radon est nettement plus grand qu’on ne le supposait autrefois. C’est la deuxième cause de cancer du poumon après le tabac. Malgré une large dispersion, la concentration moyenne de radon mesurée dans l’air des logements est de l’ordre de 50 Bq/m3, mais la valeur critique largement répandue est actuellement estimée à 500 Bq/m 3. Le radon provient principalement du sol. Élimination de préférence par aération des sous-sols (caves) 5. 1. VDI 2310. Valeurs maximales de nuisance. Présentation détaillée, constamment remise à jour. Feuillets 1 à 37. Nouvelles éditions : feuillet 6, L’ozone pour protéger la végétation, 06.02, feuillet 15, L’ozone pour protéger l’homme, 12.01, feuillet 26, 11.01 (fluorures) feuillet 27, 9.98 (plomb), feuillet 28, 3.96 (cadmium), feuillet 29, 11.00 (thallium), feuillet 30 (nickel) E 11.03, feuillet 31 (zinc), E 11.03, feuillet 37, 4.98 (molybdène), ces feuillets surtout pour la protection des animaux utilisés en agriculture. 2. Kasten, F., entre autres : BMFT – rapport de recherche T 84-125. 3. VDI 2078:1996-07. 4. Wanner, H. U. : TAB 8/83 page 645/8. 5. Urban, M. : Ki 12/84 page 507/512. Recommandation de la commission de protection contre les rayonnements, Journal officiel du 08.01.1986 et CCI 2/86. Indoor Air. An Integrated Approach. Elsevier London (1995), entre autres: page 123: Atzmüller, Steinhäusler : Radon … in Indoor Environments. Page 178: Steinhäusler : Radon.

5

1 DONNÉES DE BASE

1.1 • Données météorologiques de base

1.1.1 L’air

1.1 • Données météorologiques de base

D’autres gaz et vapeurs apparaissent fréquemment dans les entreprises industrielles, selon le type de travail, et parfois en quantités dangereuses. On prend donc des dispositions hygiéniques particulières pour protéger les personnes travaillant dans de tels secteurs (voir également le tableau 1.2.3-11 page 70). Pour les installations industrielles, existent en outre « l’Ordonnance sur les lieux de travail » et les « Directives concernant le lieu de travail » qui posent les exigences à respecter sur le lieu de travail 1. L’Institut des coopératives pour la sécurité du travail a rassemblé, dans la « liste des valeurs limites 2003 »2, la plupart des valeurs limites ayant trait aux effets chimiques, biologiques et physiques, valeurs cruciales pour préserver la santé des employés sur le lieu de travail : – TGRS 900 Valeurs limites dans l’air sur le lieu de travail ; – TGRS 903 Valeurs de tolérance biologique sur le lieu de travail ; – TGRS 905 Liste de substances cancérigènes altérant le patrimoine génétique et menaçant la fertilité ; – TGRS 906 Liste des procédés et des activités cancérigènes ainsi que les valeurs limites pour l’ensemble des nuisances connues à l’heure actuelle dans les locaux (bruit, vibrations, pollution thermique, rayonnement, électricité, pollutions biomécaniques et indications sur leurs effets biologiques). L’ordonnance sur les matières dangereuses réunit des considérations essentielles par rapport aux risques. Bien que tous les problèmes inhérents étudiés n’aient pas d’impact sur l’air extérieur et donc sur la météorologie, on a déjà recours à ce catalogue exhaustif. Pour les odeurs, voir paragraphe 1.2.3-5.2 page 68. Les principales prescriptions réglementaires sont résumées dans le TA Luft (guide technique sur la pureté de l’air).3

-2.2 Poussière3 Définition Par poussière on entend des particules solides en suspension et dispersées dans l’air, de forme, structure et masses volumiques variables, qui peuvent être classées suivant leur calibre (poussière grosse > 10 µm, fine de 1 à 10 µm, et très fine < 1 µm). Dimensions des particules mesurables entre environ 0,02 et 1 000 µm. La poussière fine reste en suspension dans l’air calme, puis retombe plus ou moins lentement. La vitesse de sa chute dans un air calme à 20 °C est déterminée par la loi de Stokes (tableau 1.1.1-3) : ν = 3.104 . q.d2 ν = vitesse de chute en m/s q = densité en kg/m3 d = diamètre équivalent en m Les particules inférieures à 0,1 µm sont qualifiées de poussière colloïdale, leur mouvement est similaire à celui de molécules (mouvement brownien) et il n’obéit pas à la loi de Stokes. Seules sont visibles les particules > 20 à 30 µm. Tableau 1.1.1-3 – Vitesses de chute des particules de poussière dans un air à 20 °C selon la loi de Stokes Diamètre équivalent en µm

Vitesse de chute en cm/s 3

q = 1 000 kg/m

Tracé de chute par heure en m 3

q = 2 000 kg/m

q = 1 000 kg/m3 10,8

q = 2 000 kg/m3

10

0,3

0,6

1

0,03

0,06

0,108

21,6 0,216

0,1

0,00003

0,00006

0,00108

0,00216

Autres définitions Suie : substance carbonée, composée essentiellement de fines particules de carbone pur cristallisées, générée par une combustion incomplète. Gênante du fait de la formation de poussières. Suie corrosive, dont les particules ont une grosseur d’environ 1 µm et plus. Fumée : substance étrangère à l’air provenant de la combustion et contenant des cendres, de la suie, des goudrons, des alliages métalliques, de l’eau, des gaz. Diamètre des particules entre 0,01 et 1,0 µm (caractéristique : recondensation puis agglomération à partir de la phase gazeuse). 1. Pour la France, voir le code du Travail et tous les textes sur les métaux lourds, les VLE et les polluants dans certains bâtiments. 2. BIA-Report 2/2003 : liste des valeurs limite 2003/L’équivalent en France est l’INRS. Association générale des coopératives professionnelles (avril 2003). Autres informations détaillées. 3. Première prescription générale administrative de la loi fédérale relative à la protection contre les nuisances (instruction technique pour le maintien de l’air propre – TA Luft) Décision du cabinet 12.12.2001.

6

1.1.1 L’air

Aérosols : substances solides ou liquides très finement dispersées dans un gaz, granulométrie allant de 10 –4 à 102 μm (depuis de petits ions jusqu’au pollen végétal). Vapeur : accumulation à peine perceptible de particules extrêmement fines dans l’air. Visibilité < 1 km. Taille des particules le plus souvent < 1 μm. Cendres volantes : composants solides rejetés par des cheminées (ne devraient apparaître qu’occasionnellement dans certains foyers avec des combustibles solides). Brouillard : gouttelettes d’eau finement réparties dans l’air, d’une grosseur allant de 1 à 50 μm. Visibilité < 1 km. Émissions : rejets d’impuretés dans l’air (provenant par exemple des cheminées, des conduits d’aération, etc.) ; peuvent être solides, liquides ou gazeuses ; indiquées en g/m 3, en g/Nm3 ou en g/m2.h notamment. Retombées : retour des substances polluantes émises dans l’air à proximité du sol. La valeur MAK 1 correspond à la valeur maximale autorisée de concentration des substances étrangères à l’air se trouvant à proximité du sol par retombée de poussières. La concentration moyenne maximale limite s’obtient en moins d’une demi-heure. Concentration autorisée sur une courte période : elle est par exemple de 0,40 mg/m3 pour le SO2, sa concentration pendant une longue durée ne devant pas dépasser 0,14 mg/m3 selon la loi sur la protection contre les nuisances. Concernant le NO 2, sa concentration sur une courte période peut atteindre 0,30 mg/m 3, et ne peut dépasser 0,10 mg/m3. Quant au formaldéhyde, on admet une concentration de 0,07 mg/m 3 sur une courte durée et 0,03 mg/m3 sur une longue période. Composition de la poussière : – composants inorganiques tels que sable, suie, charbon, cendres, chaux, métaux, noir minéral, ciment, etc. ; – composants organiques comme particules végétales, graines, pollen, spores, mais aussi cheveux, fibres textiles, farine, etc. ; Apparition de la poussière : la poussière est générée naturellement par l’érosion et la désintégration de matière, les météores, les vents et tempêtes, les incendies, les éruptions volcaniques, la décomposition, etc. La poussière résulte également de l’activité humaine, comme le chauffage, mais provient aussi des combustions, des travaux mécaniques et chimiques, de la circulation routière et du trafic ferroviaire, de l’usure des vêtements et des outils, etc. C’est surtout dans des processus industriels bien déterminés que l’on trouve de grandes quantités de poussière. Tel est le cas dans les cimenteries, les usines textiles, les fonderies, les salles de nettoyage, les machines à sabler, etc. (poussière industrielle). Concentration La teneur en particules de poussière de l’air libre dans l’atmosphère est extrêmement variable et dépend fortement du temps, notamment du vent et de la pluie, ainsi que de l’heure du jour et de la saison. Elle est comprise entre 0 et 0,2 mg/m3 en moyenne annuelle, et est plus élevée dans les villes qu’à la campagne. Tableau 1.1.1-4 – Teneur moyenne de l’air en poussière*)

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Lieu

Concentration moyenne en mg/m3

Région rurale Par temps de pluie Par temps sec

0,05 0,10

Agglomération Zone d’habitation Zone industrielle

0,10 0,30…0,5 1,0…3,0

Dimension la plus fréquente du grain de poussière en µm

Plus gros grain de poussière, dimension approximative en µm

0,8 2,0

4 25

7,0 20 60

– 100 1 000

Régions industrielles Habitations Grands magasins Ateliers Cimenteries Air dans les mines

1…2 2…5 1…10 100…200 100…300

– – – – –

– – – – –

Gaz d’échappement des chaudières de coke Manuellement Mécaniquement

10…50 100…200

– –

– –

1 000…15 000

–

–

Gaz d’échappement des foyers de combustion

*) Voir aussi le manuel VDI : Pour maintenir un air plus propre, 6 volumes avec plus de 500 directives générales, de 1959 à 2008.

1. Maximale Arbeitsplatzkonzentration.

7

1 DONNÉES DE BASE

1.1 • Données météorologiques de base

1.1.1 L’air

1.1 • Données météorologiques de base

Nombreuses sont les méthodes pour mesurer les quantités de poussière. Les mesures entre elles ne sont pourtant pas comparables. Vous trouverez des indications sur la teneur en poussière de l’air dans le tableau 1.1.1-4. Pour donner un ordre de grandeur, il existe près de 10 millions de particules de poussière inférieures à 1 μm. La concentration moyenne de l’air en poussière par m3 (107/m3) est environ dix fois plus élevée en ville. Dans des espaces fumeurs, on a enregistré environ 1 000 millions de particules par m 3 (109/m3). L’hiver, avec les chauffages, la teneur en poussière de l’air est en général plus élevée qu’en été, où la poussière résultant de la circulation (usure du revêtement des routes) prédomine. C’est après la pluie que l’air est le plus propre. Dans les villes, on a trouvé en examinant la répartition de la poussière à la verticale qu’une première couche de poussière s’étend environ jusqu’à 3 ou 4 m au-dessus de la surface du globe (poussière provenant de la circulation), une deuxième couche s’étend au-dessus des toits (poussière de chauffage). La concentration en poussières est à peu près proportionnelle au nombre d’habitants. Limite supérieure présumée raisonnable pour des précipitations de poussières, en particulier de suie 1 : – en général 10 à 15 g/m2 par mois ; – dans les zones industrielles 20 à 30 g/m2 par mois ; – dans les régions thermales 2 à 10 g/m2 par mois.

% inférieur au diamètre

Dimension et nombre des particules de poussière Selon les figures 1.1.1-1 et 1.1.1-2, des particules de taille inférieure à 1 μm constituent environ : e – 30 % de la masse de toutes les particules ; br m – 70 % de la surface de toutes les particules ; No ce – 99,9 du nombre de toutes les particules. fa ur S Répartition moyenne par taille des particules de pousids Po sière dans l’air des grandes villes, voir tableau 1.1.1-5. Explication La quantité normale de poussière contenue dans l’air entraîne une certaine altération de la respiration, mais n’est pas dangereuse pour la santé, car le corps est Diamètre des particules (en µm) muni de défenses dans les voies respiratoires (muqueuses). Par contre, la poussière industrielle s’avère, dans Fig. 1.1.1-1 : Répartition par taille de la poussière certaines conditions, très préjudiciable, voire dangeprésente dans l’atmosphère reuse pour les poumons ; elle provoque des maladies (source : Camfil). telles que la silicose dans les mines, la byssinose contractée dans l’industrie textile en travaillant le coton, l’asbestose au contact de l’amiante. D’où contrôle réglementaire. Combattre la poussière est indispensable, afin d’éviter : 1. l’altération de la respiration ; Filtre très fin Type de filtre

Charbon actif

Filtre fin

Filtre normal

Gros filtre

Électrofiltre Cyclones chambre de dépôt

Vapeurs Virus

Impuretés constantes de l’air

Poussière Poussière normale industrielle lourde Pluie Bactéries Pollen Brouillard Crachin Gouttes Cendres volantes Suie

Dimension Fumée ou poussière des Fumée de cigarette particules MacroBrouillard molécule de fioul Lumière visible Lumière ultraviolette Longueur Rayons X Lumière infrarouge d’onde

Rayonnement de faible longueur d’onde

Fig. 1.1.1-2 : Dimension des particules de divers types de poussières présentes dans l’air [Dimension des particules de poussière en μm (1 micromètre = 1/1 000 mm)].

1. Lahmann E. et W. Fett : Ges.-Ing. 5/80.page 149/55 Valeurs MAK: voir tableau 1.2.3-12.

8

1.1.1 L’air

1.1 • Données météorologiques de base

2. l’altération de l’hygiène et de la santé (par la poussière industrielle) ; 3. la formation de brouillard dans des zones de condensation (voiles de vapeur au-dessus des villes) et, de ce fait, diminution de l’ensoleillement, notamment en hiver ; 4. l’endommagement des machines-outils ; 5. les réactions allergiques chez certaines personnes (par exemple rhume des foins, causé par le pollen). Tableau 1.1.1-5 – Répartition moyenne par taille des particules de poussière dans l’air des grandes villes pour une masse volumique de 0,75 mg/m3 (ρ = 1 000 kg/m3)

10… 30 5… 10 3… 5 1… 3 0,5… 1 0… 0,5

Taille moyenne en µm 20 7,5 4 2 0,75 0,25

Nombre de particules × 1 000) par m3 (×

Volumes (%) = Masse (%) ≈

50 1 750 2 500 10 700 67 000 910 000

28 52 11 6 2 1

1 DONNÉES DE BASE

Dimensions en µm

100

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Degré de rétention

La poussière fine, qui pénètre jusque dans les poumons et qui s’y dépose, est nuisible à la santé. La fig. 1.1.1-3 décrit la courbe de dépôt dans les alvéoles pulmonaires. Les appareils de mesure de la poussière fine devraient avoir une réponse correspondant à la courbe de dépôt dans les alvéoles. En 1959, lors de la convention internationale de Johannesburg, une loi de réponse pour les appareils de mesure de la poussière a été créée, qui se rapproche de celle pour les poumons : les plus petites particules doivent être saisies à 100 %, celles de 5 μm à 50 % et celles > 7 μm n’être jamais enregistrée. Dans l’industrie textile aux États-Unis, notamment dans le secteur du coton, des limitations drastiques ont été imposées par les services de santé (OSHA) Courbe concernant la quantité de poussière pénétrant dans de Johannesburg les poumons sur le lieu de travail : elle ne doit pas dépasser 0,2 mg/m3 dans l’air pour de la poussière Dépôt fine inférieure à 15 μm. Forte répercussion sur les dans les alvéoles installations d’aération. En Allemagne, dans les pulmonaires usines textiles, la teneur globale en poussière est limitée à 1,5 mg/m3 (valeur MAK). Mais seule la poussière fine nuit à la santé (fig. 1.1.1-3). Nouvelle Diamètre équivalent concentration recommandée de 0,05 mg/m3.1 Une directive européenne2 a récemment permis une Fig. 1.1.1-3 : Dépôt de la poussière fine prise de conscience générale quant à l’importance dans les poumons. des poussières fines, avec l’établissement de valeurs limites qui, si elles ne sont à l’heure actuelle généralement pas tenables, constituent un signal d’alarme. Outre les poussières fines contenues dans l’air extérieur faisant l’objet de la directive européenne, l’attention est portée également de plus en plus sur les concentrations de poussières fines dans l’air intérieur des locaux, notamment sur le rôle des différents revêtements de sol, les moquettes ayant un effet tampon sensible3.

-2.3 Germes4 Les germes sont de petits êtres vivants (micro-organismes, microbes, bactéries) d’origine végétale ou animale. Ils se présentent sous la forme de sphère, de cylindre, de spirale, de fil ou autres, et se multiplient extrêmement vite par division cellulaire. Épaisseur de 0,5 à 1,0 μm, longueur de 1 à 5 μm. 4 Présence dans l’air extrêmement variable. La plupart d’entre eux adhèrent aux particules de poussière > 2 μm, si bien que leur nombre croît lorsqu’il y augmentation de la poussière dans l’air. À titre indi-

1. BIA-Report, Liste des valeurs limites 2003, page 189. 2. Directive européenne « Poussières », en vigueur depuis le 01/01/2005. 3. Winkens, A. et Praetorius, F. : Concentration des poussières fines dans l’air intérieur des locaux, VDI Berichte 1921, 2006, page 111-119. 4. Schütz, H. : Génie climatique. 1970. Cahier 4 page 12/29. Wanner, H. U. : CCI N° 9. 1971. Indoor Air. An Integrated Approach. Elsevier London (1995).

9

1.1.1 L’air

1.1 • Données météorologiques de base

catif, la teneur en germes/particules peut avoir une valeur de 1 : 100. À la campagne, on trouve en moyenne à l’air libre 100 à 300 germes par m 3, contre 1 000 à 5 000 dans les rues des villes. La teneur en germes est généralement plus élevée dans les lieux fermés, surtout en cas de forte densité d’occupation. Seule une très faible quantité de germes est porteuse de maladies, et ceux-ci sont la plupart du temps détruits rapidement par temps sec. Maladies transmises assez rarement par l’air, cependant, les gouttelettes produites en toussant ou en éternuant constituent un danger. Les bactéries pathogènes (porteuses de maladie) transmettent beaucoup de maladies infectieuses comme la peste, le choléra, la diphtérie, la tuberculose et autres. Les virus sont des germes pathogènes de très petite taille (environ 0,01 à 0,1 µm). Ils provoquent dans le corps des maladies comme la grippe, la rougeole, et autres. La poussière de floraison, le pollen, provoque des allergies chez certaines personnes. On les protège et on les soigne en les mettant dans des pièces climatisées où l’air provenant de l’extérieur est filtré. D’autre part, il est possible que des moisissures apparaissent dans les filtres en contact avec un air très humide mais aussi dans la terre des plantes vertes. Ces moisissures peuvent provoquer des allergies 1. C’est pourquoi on ne peut pas déterminer la durée de vie des filtres en se basant uniquement sur le dépôt de poussière, mais ils devraient en principe être changés dans les 2 ans. Tableau 1.1.1-6 – Aperçu de la quantité de germes par ml d’eau Nombre de germes par ml d’eau

Classification

Remarques

< 100

Stérile, pauvre en germes

Qualité de l’eau qu’on boit, qualité à atteindre dans les épurateurs, tours de réfrigération

1 000… 10 000

Croissance normale

Purification ou désinfection exigée

> 100 000

Forte contamination

Gros risque d’infection

Des poussières domestiques et des moisissures, dont la croissance est favorisée ou freinée selon le taux d’humidité, peuvent également apparaître dans les pièces 2. Dans les pièces peuvent également apparaître des moisissures et des poussières domestiques dont la croissance est favorisée ou freinée par l’humidité. Les agents bactériens de la légionellose peuvent être transmis dans l’air par l’intermédiaire de systèmes de climatisation3. Cette maladie peut être mortelle. Les bactéries (Legionella) connaissent une croissance optimale dans de l’eau entre 32 et 42 °C. À 65 °C elles sont inactives. Elles sont par exemple transportées par l’eau diffusée en aérosols des tours de refroidissement, traversent les filtres à air, et peuvent donc être aspirées et parvenir dans les pièces utilisées par le biais des installations d’aération. Elles se multiplient aussi dans les installations d’eau usées à basses températures (voir le paragraphe 4.3.7 page 1326). Solution : précautions dans le choix du lieu où l’air extérieur est aspiré, nettoyage et désinfection des filtres à air voire de la tour de refroidissement (désinfection UV), éviter les bacs de récupération d’eau dans le système d’humidification. La filtration de l’air uniquement avec des filtres pour matières en suspension est efficace. Nettoyage régulier des épurateurs d’air, des conduites en aval des humidificateurs d’air, des échangeurs et des tours de refroidissement avec de la vapeur ou des désin fectants. Ceux-ci peuvent aussi constamment être dosés suivant les besoins comme agents microbicides dans les épurateurs et les tours de refroidissement. Avec des épurateurs, limiter alors la formation de dépôt boueux lors des vidanges, afin qu’une concentration suffisante d’agents puisse faire effet. Des émetteurs UV-C (longueur d’onde 253,7 nm) tuent efficacement les germes, si l’eau n’est pas trop opaque (profondeur de pénétration suffisante pour le rayonnement). Même avec un nombre élevé de germes au départ (104 à 5.104 germes par ml) on peut, aussi bien avec de l’eau chaude (34 à 47 °C) qu’avec de l’eau froide, atteindre des facteurs de réduction supérieurs à 10 6 avec des doses d’UV de 13 à 16 mJ/m2.4 1. GB-Report 11/87. Page 7/8. Elixmann, J. H. : CCI 4/89. page 18/25. 2. N.N. : HLH 11/88 page 525/6. 3. Schulze-Röbecke entre autres: CCI 12/86 page 4/5. N.N. : CCI 10/85 page 17/8 et 3/88 page 31. Scharmann, R. : Utilisation rationnelle de l’énergie 4/87 page 14/15. Bahmann : GB-Report 3/88 page 14. Seidel, K., entre autres : Légionellose. Série d’écrits de l’association préposée à l’hygiène de l’eau, de la terre et de l’air. Édition Gustav Fischer, Stuttgart, 1987. Prise de position FLT 1989 (FLT, Ffm.). 4. Martiny, H., entre autres. : Feuillet central relatif à l’hygiène 188 (1989). Page 35/46. Édition G. Fischer, Stuttgart. Kryschi, R. : Ges.-Ing. 4. 88. page 190/195.

10

1.1.2 Température de l’air

Lutte contre les germes véhiculés par la poussière : 1. Émetteur de rayons UV, p. ex. appareils de ventilation avec émetteurs de rayonnements incorporés, ou disposition directe des émetteurs dans la pièce ; dégâts possibles dus au rayonnement, donc solution à éviter et à n’utiliser qu’en dernier recours. 2. Atomisation ou évaporation de produits chimiques comme des Triethyleneglycol (TAG). 3. Utilisation de filtres à matières en suspension très efficaces dans les conduites d’aération, éventuellement avec des électrofiltres. À n’utiliser que dans certains cas, comme dans les salles d’opération ou les laboratoires stériles.

-2.4 Noyaux de condensation Par noyaux de condensation, on désigne des fines particules contenues dans l’air ayant un diamètre d’environ 0,01 à 0,1 μm, sur lesquelles la vapeur d’eau se dépose en cas de saturation de l’air. Ces noyaux n’obéissent plus à la loi de Stokes, du fait de leur petite taille. On les restreint aux corps suspendus dispersés dans l’air, ce que l’on nomme système colloïdal. La naissance des noyaux de condensation ne résulte pas d’une fragmentation mécanique, mais de processus chimiques ou physiques : condensation et sublimation. La fumée et le brouillard sont de tels systèmes colloïdaux. On définit la fumée comme une distribution de type colloïdal de corps solides et le brouillard comme une distribution identique de corps liquides dans l’air. Parfois même, l’air contient des noyaux de sel provenant de l’eau de mer, notamment le sel de cuisine. Le nombre de noyaux est particulièrement élevé et variable, et est de l’ordre d’environ 100 millions par m3 (108/m3) dans l’air pur, et plus dans l’air urbain. Les noyaux de condensation sont fréquemment chargés en électricité, positive ou négative. On parle alors d’ions, que l’on classe suivant leur grosseur en ions petits, moyens et grands. Les ions petits correspondent par leurs dimensions aux molécules (environ 0,1 nm = 10 –8 cm), tandis que les ions grands. intègrent déjà la notion de poussière (environ 1 μm = 10–4 cm), dont ils se différencient toutefois par leur charge électrique.

-3

Prévention des polluants

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La pureté de l’air – comme le montre le paragraphe 1.1.1-2 sur les polluants – est déterminée par une multitude de processus (processus de combustion dans les bâtiments, dans la circulation, pour la production d’électricité et diverses autres émissions). Le dioxyde carbone étant apparu comme une cause majeure du changement climatique actuellement observé, on assiste désormais à un effort mondial de réduction des émissions, en couvrant une part croissante de la consommation énergétique au moyen d’énergies renouvelables (vent, eau, biomasse, géothermie, énergie solaire). Les résultats de l’Allemagne sont à cet égard encourageants. D’une étude de l’office fédéral allemand de l’Environnement1, il ressort qu’en 2007, de 7 à 10 % de l’énergie totale a déjà pu être produite sans émissions. La législation continue de renforcer les mesures y afférant, et si en 2009, la conférence sur le climat de Copenhague n’a pas encore donné lieu à une percée internationale, le ton est donné au développement des énergies renouvelables. Pour de plus amples informations, voir la partie 1.9.

1.1.2 Température de l’air Le « temps » naît de la concomitance de différents éléments climatiques comme la température de l’air, les précipitations, le rayonnement solaire, le vent, etc. Considéré sur une période assez longue, on l’appelle « climat ».

-1

Valeurs moyennes de la température

Pour un temps donné, la température régnant sur un lieu varie par cycles selon les jours et les années en fonction de la variation de la position du soleil 2. DIN 4710 donne une vue d’ensemble très précise des évolutions de la température compte tenu des calculs effectués sur les besoins en énergie. La première édition de 1982 fut entre-temps remplacée par la deuxième édition de janvier 2003 ; toutes les explications de cette version font référence à la nouvelle norme. Indication : la station de Potsdam citée ici en exemple est représentative de Berlin. 1. Memmler, M. ; Mohrbach, E. ; Schneider, S. ; Dreher, M. ; Herbener, R. : Bilan des émissions des sources d'énergies renouvelables. Réduction des émissions en 2007 par la mise en œuvre d'énergies renouvelables. Office fédéral de l'environnement, Dessau, oct. 2009. 2. Jurksch, G. : HLH 1/76 page 5/9. Christoffer, J., Dehne, K. et Masuch, J. : Explications relatives à DIN 4710, HLH volume 54 (2003) cahier 12, volume 55 (2004) cahier 1/2. DIN 4710:2003-0. Statistiques des données météorologiques pour calculer le besoin en énergie des installations de chauffage et de traitement de l’air en Allemagne.

11

1 DONNÉES DE BASE

1.1 • Données météorologiques de base

1.1.2 Température de l’air

1.1 • Données météorologiques de base

Afin de comparer les températures entre elles, on effectue des mesures de température et l’on distingue ainsi : 1. La température journalière moyenne, que l’on détermine en procédant à des relevés horaires de celleci. Dans la pratique, on définit souvent la température moyenne tm à partir de 3 relevés effectués à 7, 14 et 21 heures selon la formule suivante :

t7 + t14 + 2 ⋅ t21 4 La variation de la température quotidienne dépend essentiellement de la présence de nuages : la figure 1.1.2-1 montre la variation constatée par temps clair, nuageux, et couvert (désignation précédente : temps sombre)1, de même que la température moyenne des jours où le temps oscille entre couvert et nuageux. Par temps clair, la température est plus élevée en été, et plus basse en hiver. Les valeurs fig. 1.1.2-4 se réfèrent à tous les jours de l’année indépendamment de la nébulosité. DIN 4710:2003-01 indique les données se rapportant aux valeurs moyennes de température entre 1961 et 1990. Les maxima de températures sont semblables pour les périodes allant de mai à septembre et d’avril à octobre, les pics de températures étant moins importants en septembre et en octobre. tm =

Tous les jours Couvert Température

Température diurne

Mois de juillet clair Mois de juillet nuageux Moyenne (tous les jours) Mois de juillet couvert

Temps clair Nuageux

Moyenne

Mois de janvier couvert Moyenne (tous les jours) Mois de janvier couvert Mois de janvier clair Moment de la journée

Niveau de la mer

Fig. 1.1.2-1 : Évolution de la température de l’air à Potsdam au Fig. 1.1.2-2 : Évolution de la température cours d’une journée en janvier et en juillet par temps moyenne mensuelle à Potsdam couverts, nuageux et clairs. Pour d’autres mois et mesurée au cours d’une année localités en Allemagne, voir DIN 4710:2003-01. (DIN 4710).

Mois

Fig. 1.1.2-3 : Température moyenne mesurée à différents niveaux d’altitude. Mesures effectuées sur 100 ans en Autriche (source : H. Felkel et H. Herbsthofer).

On constate selon l’altitude une baisse de la température d’environ 6,5 K tous les 1 000 m (voir paragraphe 1.1.1-1). Pour des valeurs plus précises concernant l’Autriche, se référer à la fig. 1.1.2-3. Pour des données concernant la France, consulter les stations météorologiques locales. 1. Nouvelle appellation « couvert » pour un degré de couverture quotidien moyen du ciel > 7/8 d’après DIN 4710:2003-01.

12

1.1.2 Température de l’air

1.1 • Données météorologiques de base

Par exemple, fin août, la température est de 15 °C à 500 m au-dessus du niveau de la mer, et de 10 °C à une altitude de 1 500 m. 2. La température mensuelle moyenne, qui se calcule comme valeur moyenne pour tous les jours de l’année en fonction de la nébulosité (fig. 1.1.2-2 avec l’exemple de Potsdam) de même que la température mensuelle moyenne pour différentes villes (fig. 1.1.2-5 et tableau 1.1.2-1). Djakarta

1 DONNÉES DE BASE

Rio de Janeiro

Juillet

Température

Mai Oct

Jui n

Sept Mai

Avril

Nov Mars Dec Fév.

Juillet Août Juin Sept Mai

Nov

Oct Avril

Juillet

Mars Fév. Dec Janvier

Température moyenne

Août Juin Sept

Le Caire

Berlin

Moscou

Oct Avril Mars Nov Dec Fév. Janvier

Janvier Mars Février Avril

Heure de la journée

Fig. 1.1.2-4 : Évolution moyenne de la température journalière à Potsdam (DIN 4710).

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

Santiago

Mai Juillet Septembre Novembre Juin Août Mois

Octobre

Décembre

Fig. 1.1.2-5 : Évolution sur une année de la température mensuelle moyenne dans différentes villes.

3. La température annuelle prise comme valeur moyenne des douze températures mensuelles (tableau 1.1.2-1). 4. Pour certains calculs, la question est de savoir combien de temps (nombre de jours ou d’heures) par an la température journalière se situe au-dessus ou en dessous d’une certaine valeur. À ceci s’ajoute que l’on utilise la totalité des courbes de fréquence (ou courbes de durée annuelles)1, ainsi que le montre la figure 1.1.2-6. Cette figure présente également la fréquence se rapportant à une journée entre 6 et 18 heures, ce qui est important en cas de fonctionnement limité dans le temps d’installation de chauffage et de climatisation. DIN 4710 indique sur le tableau 3 relatif aux 15 stations allemandes, les relations entre t et x, mesurées aussi bien sur 24 h que sur 12 h, et ce entre 6 et 18 heures. Par exemple : le nombre d’heures au-dessous de 15 °C sur une durée de 24 h est de 6 400 h, alors qu’il est de 2 990 h si on se rapporte à la tranche horaire 6-18 h (soit 12 heures par jour).

1. DIN 4710:2003-01. Statistiques des données météorologiques pour calculer le besoin en énergie des installations de chauffage et de traitement de l’air en Allemagne. Voir aussi : H. Felkel et H. Herbsthofer ; données climatiques pour l’Autriche, publication voir paragraphe 6.5.1 page 1961.

13

1.1.2 Température de l’air

1.1 • Données météorologiques de base

Tableau 1.1.2-1 – Valeurs moyennes de la température enregistrée au cours d’un mois et d’une année dans différentes villes ainsi que de l’hygrométrie, teneur en eau en g/kg d’air sec Lieu 1

Bremerhaven

3

RostockWarnemünde HambourgFühlsbüttel

4

Potsdam

2

6

Aix-laChapelle Bad Marienberg

7

Kassel

8

Braunlage

9

Chemnitz

10

Hof

11

Fichtelberg

12

Mannheim

13

Passau

14

Stötten

15

Garmisch

5

Jan 1,0 3,8 0,2 3,6 0,3 3,6 –2,0 3,0 2,7 3,9 –1,6 3,5 0,1 3,5 –2,3 3,2 –1,2 3,1 –3,0 3,1 –5,1 2,8 1,1 3,7 –2,5 3,1 –2,2 3,3 –2,9 3,0

Fév 1,5 3,8 0,7 3,6 0,9 3,6 –0,4 3,2 2,8 3,8 –0,9 3,4 1,1 3,5 –1,8 3,1 –0,6 3,1 –2,0 3,2 –4,8 2,8 2,5 3,7 –0,5 3,3 –1,1 3,4 –1,1 3,2

Mar 4,0 4,3 3,1 4,0 3,6 4,0 3,3 3,6 5,2 4,3 2,2 4,0 4,2 4,0 0,8 3,6 3,5 4,0 1,4 3,8 –2,4 3,4 6,0 4,3 3,4 4,0 2,1 3,9 2,3 3,7

Avr 7,4 5,0 6,3 4,8 7,1 4,7 8,4 4,6 7,3 5,0 5,8 4,6 5,8 4,6 4,6 4,4 6,5 4,6 5,5 4,6 1,3 4,1 9,9 5,1 8,0 5,0 5,9 4,7 6,4 4,7

Mai 12,1 6,6 11,3 6,4 11,9 6,2 13,6 6,3 11,1 6,5 10,5 6,3 10,5 6,3 9,5 5,9 12,0 6,3 10,4 6,2 6,3 5,6 14,3 6,8 12,7 6,8 10,3 6,3 10,9 6,4

Jun 15,2 8,3 14,9 8,3 15,2 7,8 17,3 8,2 13,9 8,2 13,4 7,9 13,4 7,9 12,7 7,5 14,6 7,9 13,6 7,8 9,5 7,0 17,4 8,5 15,6 8,6 13,4 8,0 13,9 8,1

Jul 16,7 9,4 16,7 9,4 16,5 8,9 18,5 8,9 15,3 9,1 15,2 8,8 15,2 8,8 14,2 8,2 16,3 8,6 15,3 8,5 11,2 7,7 19,3 9,3 17,3 9,5 15,6 8,8 15,9 9,3

Aoû 16,8 9,3 16,7 9,4 16,5 8,9 17,7 8,8 15,6 9,1 15,0 8,8 15,0 8,8 14,2 8,3 16,5 8,7 14,9 8,5 11,2 7,8 18,8 9,4 16,8 9,6 15,3 8,9 15,4 9,3

Sep 14,2 8,3 13,9 8,1 13,5 7,9 14,1 7,8 13,6 8,2 12,0 7,8 12,0 7,8 11,1 7,4 13,1 7,6 11,8 7,5 8,2 6,8 15,4 8,3 13,5 8,3 12,5 7,8 12,7 8,0

Oct 10,3 6,8 9,9 6,6 9,6 6,4 9,4 6,2 10,5 6,7 7,9 6,3 7,9 6,3 7,3 5,9 9,4 6,0 7,3 5,9 4,5 5,1 10,4 6,6 8,4 6,2 7,9 6,1 8,0 6,0

Nov 5,6 5,1 5,2 4,9 5,0 4,8 3,8 4,4 5,8 5,0 2,6 4,6 2,6 4,6 2,0 4,3 3,6 4,4 1,8 4,2 –0,9 3,7 5,2 4,8 2,7 4,4 2,3 4,3 2,0 4,1

Déc Année 2,4 9,0 °C 4,2 6,2 g/kg 1,9 8,4 °C 4,0 6,1 g/kg 1,7 8,5 °C 4,0 5,9 g/kg –0,3 9,5 °C 3,4 6,0 g/kg 3,6 8,1 °C 4,2 6,2 g/kg –0,3 6,8 °C 3,8 5,8 g/kg –0,3 8,8 °C 3,8 5,9 g/kg –1,1 6,0 °C 3,5 5,4 g/kg 1,0 7,9 °C 3,7 5,7 g/kg –1,6 6,3 °C 3,4 5,6 g/kg –3,9 3,0 °C 3,0 5,0 g/kg 2,2 10,2 °C 3,9 6,2 g/kg –1,1 7,9 °C 3,4 6,0 g/kg –1,0 6,8 °C 3,5 5,8 g/kg –2,4 6,8 °C 3,2 5,8 g/kg

8,6 5,2 3,4 4,5 4,5 4,7 –11,0 1,0 2,5 3,8 7,0 5,0 –4,2 2,7 –1,0 2,8

9,4 6,3 4,3 4,2 6,3 4,5 –9,6 1,4 3,9 3,8 8,2 5,3 –2,8 2,7 1,0 3,1

11,9 6,1 5,6 4,7 8,5 4,6 –4,8 2,0 6,2 4,5 10,4 5,6 0,8 3,0 5,1 3,8

15,3 7,3 8,9 5,1 11,7 5,8 3,4 2,0 10,3 5,0 13,7 7,0 7,0 6,3 9,9 4,8

20,0 9,3 12,1 6,3 15,9 6,8 12,0 5,8 13,4 6,8 17,9 8,5 12,9 6,3 14,5 6,8

24,4 10,9 15,7 7,5 20,4 7,7 15,2 7,5 16,9 7,8 21,8 10,5 16,9 8,8 18,0 8,5

27,3 11,1 17,3 8,3 24,7 8,3 18,6 9,3 18,6 9,3 24,5 11,6 18,4 9,7 19,6 9,3

26,9 10,6 16,7 8,5 24,2 8,6 15,7 8,5 18,0 9,1 24,1 11,8 17,5 9,8 18,9 9,3

23,5 10,4 14,2 7,8 19,1 8,2 10,4 6,2 15,0 8,2 20,8 10,8 13,4 7,5 15,4 7,8

19,4 9,3 9,9 6,8 13,2 7,0 3,6 4,1 10,3 6,8 16,6 8,7 7,9 6,2 9,9 6,0

14,1 8,0 6,1 5,2 8,2 5,5 –2,4 2,7 6,0 4,8 11,6 6,5 –1,6 4,5 4,9 4,1

10,5 6,0 4,0 4,5 4,3 4,6 –8,2 1,7 2,9 4,2 8,1 5,3 –2,3 3,7 1,1 3,3

17,6 10,0 9,9 6,2 13,4 6,3 3,6 4,5 10,3 4,7 15,4 7,7 7,3 5,8 9,8 5,8

°C g/kg °C g/kg °C g/kg °C g/kg °C g/kg °C g/kg °C g/kg °C g/kg

23,1 13,2 25,4 17,6 22,0 12,3 –0,8 2,2 25,2 15,5 9,7 6,0 20,4 8,2 22,0 11,3 3,0 3,0

22,5 12,6 25,4 17,8 22,5 12,3 –0,5 3,0 25,7 15,7 10,8 6,2 19,5 8,0 21,8 11,4 3,8 3,1

20,4 12,1 25,8 18,1 23,5 12,7 2,9 4,3 24,9 15,5 11,8 6,6 16,9 7,5 20,7 11,1 6,9 4,0

16,3 9,6 26,2 18,5 24,9 14,2 9,4 4,5 23,2 14,0 12,2 7,2 13,7 6,7 18,2 10,0 12,5 6,5

12,8 8,0 26,4 18,1 26,0 15,8 15,5 6,8 21,8 12,7 13,3 7,3 10,6 6,1 14,8 8,1 16,6 8,8

9,8 6,8 26,0 17,7 27,5 17,6 20,1 9,9 20,4 11,8 14,1 8,3 7,6 5,2 12,6 7,0 20,5 12,0

9,4 6,8 25,8 17,1 28,0 18,3 22,8 11,9 19,2 11,3 14,0 9,0 7,9 5,2 11,5 5,8 24,2 15,3

10,6 7,1 25,9 16,3 27,9 18,5 22,5 11,4 20,4 11,3 14,4 9,2 9,2 5,5 12,8 6,7 25,4 16,3

12,8 7,6 26,2 16,8 27,3 18,1 19,1 9,8 20,5 11,9 15,3 9,3 11,0 5,8 15,1 7,2 21,9 13,5

15,5 8,8 26,3 17,2 26,1 16,5 13,3 6,8 21,5 12,5 15,1 8,3 13,8 6,7 17,6 8,0 16,8 9,0

18,8 10,5 26,0 17,3 24,2 14,2 6,7 4,6 22,8 13,6 13,0 7,3 16,8 7,0 19,4 9,0 10,3 5,8

21,6 12,2 25,7 17,3 22,5 12,5 1,5 3,0 24,8 14,6 10,5 5,8 19,2 7,5 21,1 10,3 5,2 3,7

16,1 9,6 25,9 17,6 25,2 15,2 11,1 6,5 22,7 13,4 12,8 7,6 13,9 6,6 17,3 8,8 13,8 8,3

°C g/kg °C g/kg °C g/kg °C g/kg °C g/kg °C g/kg °C g/kg °C g/kg °C g/kg

Europe Athènes Londres Madrid Moscou Paris Rome Varsovie Vienne Reste du monde Buenos Aires Djakarta La Havane New York Rio de Janeiro San Francisco Santiago Sidney Tokyo

14

1.1.2 Température de l’air

Berlin 6-18 h

Francfort

1

Munich Berlin 24 h

Fig. 1.1.2-6 : Fréquence des températures extérieures relevées à Berlin.

Nombre d’heures < ta °C

-2

DONNÉES DE BASE

Température extérieure ta

1.1 • Données météorologiques de base

Valeurs extrêmes de la température

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

On distingue deux types de valeurs extrêmes de température : les maxima et minima absolus ou moyens. La température maximale absolue et la température minimale absolue constituent respectivement la température la plus haute et la plus basse mesurée en un lieu donné. Les températures maximale et minimale moyennes correspondent aux valeurs moyennes des maxima et minima calculées sur un certain nombre d’années. En raison d’une chape de brouillard, les valeurs extrêmes mesurées en centre-ville sont plus élevées de 2 à 4 K qu’en périphérie l’hivers, et plus élevées de 1 à 2 K en été ; les valeurs moyennes sont environ deux fois moins élevées. Il existe, en outre, des différences de température considérables en fonction de l’infrastructure. Au-dessus des routes, par temps ensoleillé, la température de l’air à 2,5 m de hauteur est d’environ 8 à 10 K plus élevée que sur des prés (microclimat)1. On doit tenir compte de l’altitude des stations météorologiques lorsqu’elles nous donnent des indications. Aux USA, c’est l’ASHRAE2 qui indique les fréquences. Des points de mesures sont implantés sur la courbe de fréquence et sont dépassés à respectivement 99 %, 97,5 %, ou 95 % du temps en hiver, et 5 %, 2,5 % ou 1 % du temps en été. Alors que les températures moyennes sont nécessaires pour le calcul de la consommation de chauffage et de climatisation, les valeurs extrêmes moyennes jouent un rôle déterminant pour le dimensionnement d’appareils tels que les radiateurs, climatiseurs, etc. (tableau 1.1.2-4). Il est souhaitable, à certaines fins, de disposer d’indications sur le nombre de jours chauds et froids (dépassement en plus et en moins de valeurs limites) (tableaux 1.1.2-5 et 1.1.2-6).

-3

Degrés-jours de chauffage (nombre de degrés-jours DJ)3

Afin de déterminer, contrôler et comparer la quantité de chaleur consommée lors d’une saison de chauffe, on a introduit la notion de nombre de degrés-jours, qui est le produit du nombre de jours de chauffage par la différence entre la température moyenne ambiante et la température moyenne extérieure, donc : 3 z

(

Gt = ∑ ti − tam 1

)

où Gt est le nombre de degrés-jours produit pendant la période de chauffage en Kj/a z est le nombre de jours de chauffage pendant cette période, allant du 01/09 au 31/05 ti est la température moyenne ambiante, égale à 20 °C tam la température extérieure moyenne d’une journée de chauffage Les jours de chauffage sont les jours où en milieu de journée la température extérieure est inférieure à 15 °C. La période de chauffage d’une année est représentée sur une surface hachurée sur la fig. 1.1.2-7, où ti = 20 °C (autrefois 19 °C) représente la température moyenne ambiante, et tam = 15 °C (autrefois 12 °C) représente la température limite de non-chauffage de début et de fin de chauffage. La tendance s’inverse 1. Gertis, K, et U. Wolfseher : Ges.-Ing. 1/2-1977 page 1/10. 2. ASHRAE-Fundamentals 2001. 3. Jurksch, G.: HLH 2/75 page 63/5 et 1/76 page 5/9.

15

1.1.2 Température de l’air

1.1 • Données météorologiques de base

dans les nouveaux bâtiments bien isolés. La température de non-chauffage peut diminuer jusqu’à 12 voire 10 °C lorsqu’il n’y a pas spécialement besoin de chauffage.

Température ambiante ti Jours de chauffage

Température

Limite de chauffage Moyenne annuelle

Température extérieure

Fig. 1.1.2-7 : Présentation de la saison de chauffe pour Berlin-Dahlem.

Mois

Le nombre de jours de chauffage figure sur le tableau 1.1.2-2. Ils sont utilisés pour calculer la consommation de chaleur des installations de chauffage. On trouve le nombre de degrés-jours le moins élevé (en dessous de 3 400) dans le Bas Rhin et le Haut Rhin, et le plus élevé (> 4 500) à la montagne. Tableau 1.1.2-2 – Jours de chauffage et nombre de degrés-jours pour les villes allemandes De septembre à mai Lieu

Nombre T° de jours moyenne de chauffage z °C

Degrésjours

Minimum annuel *)

Degrésjours

t20

t10

Gt

Nombre de jours de chauffage z

Gt

°C

°C

Berlin-Dahlem

252

4,9

3 809

23

155

– 12

– 12

Aéroport de Brême

256

5,6

3 703

30

205

– 10

– 12

Düsseldorf

245

6,5

3 300

22

139

–8

– 10

Aix-la-Chapelle

249

6,1

3 470

32

216

–9

– 10

Francfort (ville)

242

6,0

3 387

14

91

– 10

– 10

Aéroport de Hambourg

259

5,2

3 837

35

241

– 10

– 12

Aéroport de Hanovre

257

5,3

3 782

32

216

– 11

– 14

Karlsruhe

242

5,9

3 409

14

88

– 10

– 12

Stuttgart (ville)

244

6,0

3 434

18

121

– 11

– 12

Kiel

262

5,5

3 813

36

234

–8

– 10

Aéroport de Munich

255

4,1

4 046

30

219

– 15

– 16

*) t20 = 20 fois en 20 ans, t10 = 10 fois en 20 ans.

16

De juin à août

1.1.2 Température de l’air

1.1 • Données météorologiques de base

Tableau 1.1.2-3 – Nombre de jours de chauffage et nombre de degrés-jours pour l’Autriche, température de nonchauffage et température ambiante 16/22 °C

Lieu

De mai à septembre Degrés-jours

Jours de chauffage

Degrés-jours

Minimum annuel °C

3,2

4 010

69

540

– 18

212

3,1

3 985

75

565

– 18

212

3,4

3 720

51

415

– 15

Jours de chauffage

Température moyenne °C

Innsbruck

212

Salzburg Vienne

1

Tableau 1.1.2-4 – Température moyenne annuelle tm, maxima (tmax) et minima (tmin) annuels pour les villes non allemandes Lieu

tm °C

tmax °C

tmin °C

Djakarta

25,9

33,7

20

La Havane

25,2

35,3

12,8

Le Caire

21,1

43

2

Londres

9,9

31

–8

Los Angeles

16,7

38

Madrid

13,4

40

–8

Moscou

3,6

31

– 31

11,1

35

– 17

New York

1,0

Lieu

tm °C

tmax °C

tmin °C

Paris

10,3

34

–11

Rio de Janeiro

22,7

36

+13

Rome

15,4

35

–3

Santiago

13,9

34,8

– 2,7

San Francisco

12,8

32,6

2,8

Sidney

17,3

38

4

Varsovie

7,3

32

– 18

Vienne

9,5

33

– 15

Tableau 1.1.2-5 – Nombre de jours chauds et froids dans l’année

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

Lieu

Nombre moyen de jours avec tmax ≥ 30 °C

≥ 25 °C

≤ 0 °C

≤ – 10 °C

Berlin – Dahlem

5,7

30,5

23,2

0,3

Brême

1,9

17,1

17,9

0,4

Dresde

6,5

35,8

19,1

0,5

Aix-la-chapelle – Mülheim

3,1

21,9

10,3

0,1

Francfort a. M

7,2

38,7

16,5

0,2

Halle a. d. S

5,9

33,9

20,6

0,5

Hambourg

1,4

13,3

20,3

0,1

Hanovre

2,6

21,9

19,6

0,3

Karlsruhe

8,1

40,7

17,1

0,4

Kiel-Holtenau

0,0

5,0

22,8

0,0

Cologne – Leverkusen

3,8

27,0

7,9

0,1

Magdeburg

8,4

37,9

21,3

0,6

Munich

2,5

20,5

38,8

2,2

17

DONNÉES DE BASE

D’octobre à avril

1.1.2 Température de l’air

1.1 • Données météorologiques de base

Tableau 1.1.2-6 – Nombre d’heures dans l’année où la température est supérieure à t en °C*) Lieu 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

t

Bremerhaven Rostock-Warnemünde Hambourg-Fulhsbüttel Potsdam Aix-la-chapelle Bad Marienberg Kassel Braunlage Chemnitz Hof Fichtelberg Mannheim Passau Stötten Garmisch-Partenkirchen

22

24

26

28

30

32

34

°C

207 148 279 490 345 179 403 142 298 238 26 682 473 191 350

106 73 152 291 185 80 227 61 150 119 8 413 276 81 184

48 33 73 158 87 30 111 19 62 49 2 228 137 25 76

18,8 14,4 30,1 75,0 35,5 8,7 48,8 3,4 20,4 14,2 1,6 111,9 52,4 6,8 22,9

5,5 4,8 9,7 30,2 10,7 1,0 16,8 0,1 4,1 2,6 – 46,8 14,5 1,3 5,9

0,8 0,8 1,6 8,0 1,8 – 3,9 – 1,0 0,1 – 13,8 2,4 0,3 1,3

– – 0,1 1,2 0,1 – 0,6 – 0,1 – – 2,8 0,3 – 0,4

h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a

*) Calculé d’après DIN 4710:2003-01.

-4

Degrés-heures de ventilation GL

Pour déterminer les besoins en chaleur des systèmes de ventilation, on peut également utiliser la notion de degrés-jours. Par contre, pour faire correctement le lien entre la période de fonctionnement d’un système de ventilation (par exemple la ventilation d’un théâtre le soir) et une température extérieure donnée, il vaut mieux introduire des degrés-heures de ventilation. Les degrés-heures de ventilation (GL) sont le produit du nombre d’heures de ventilation et de la différence entre la température de soufflage d’air et la température extérieure moyenne : zhH

GL = ∑ (t z u − ta ) ≈ zhH .(t zu − tam ) 1

où GL représente les degrés-heures de ventilation par an en Kh/a ZhH le nombre d’heures de ventilation en cas de chauffage tzu la température d’arrivée d’air ta la température extérieure instantanée pour toutes les heures de ventilation avec tzu > ta et tam la température extérieure moyenne pendant le chauffage La température de non-chauffage (par exemple 15 °C) n’entre pas en compte ici, car un réchauffement de l’air est constamment nécessaire pour atteindre la température de soufflage d’air souhaitée (ou température ambiante). Sur le tableau 1.1.2-7 figurent les degrés-heures de ventilation annuels pour Berlin en fonction de la durée journalière de fonctionnement. Les valeurs sont établies à partir de la définition donnée dans DIN 4710 sur une période de 3 jours. De l’évaluation des valeurs moyennes établies dans DIN 4710 résultent de petites erreurs, notamment au niveau des basses températures de soufflage d’air. Pour un fonctionnement sur une période de 6 à 18 h (12 h) ou continu, les degrés-heures de ventilation peuvent également être établis directement en adoptant dans DIN 4710 les fréquences des températures. En cas de fonctionnement continu sur 24 heures, il est possible d’effectuer des analyses mensuelles à l’aide de l’annexe de DIN 47101. Si l’on multiplie les degrés-heures GL par la chaleur massique de l’air, cp = 1,0 kJ/kg.K, on obtient les besoins annuels de chaleur Q requis pour réchauffer 1 kg/h d’air : Q = GL . cp en kJ/a = GL . cp/3 600 en kWh/a Pour 1 kg/s, la formule est : Qs = GL . cp ≈ GL en kWh/a 1. Annexe 1 de DIN 4710:2003-01. (Corrélation température de l’air – humidité de l’air d’après les chiffres mensuels.)

18

1.1.2 Température de l’air

1.1 • Données météorologiques de base

Tableau 1.1.2-7 – Degrés-heures de ventilation GL en Kh/a pour Potsdam en fonction du temps de fonctionnement et de la température de soufflage d’air*) Température de soufflage d’air en °C 18

19

20

21

22

23

1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00

4 136 8 379 12 731 17 172 21 664 26 114 30 262 34 158 37 708 40 910 43 932 46 640

4 502 9 110 13 826 18 633 23 491 28 305 32 818 37 076 40 945 44 443 47 744 50 728

4 867 9 840 14 922 20 094 25 317 30 497 35 375 39 996 44 223 48 024 51 621 54 894

5 232 10 571 16 018 21 555 27 143 32 688 37 932 42 917 47 504 51 705 55 545 59 115

5 597 11 301 17 114 23 016 28 969 34 880 40 489 45 839 50 789 55 348 59 525 63 400

5 963 12 032 18 209 24 477 30 796 37 071 43 045 48 761 54 076 58 996 63 531 67 749

13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 24.00

49 205 51 703 54 224 56 842 59 626 62 618 65 824 69 212 72 830 76 614 80 528 84 586

53 547 56 282 59 038 61 896 64 940 68 211 71 709 75 425 79 398 83 544 87 821 92 243

57 990 61 000 64 032 67 166 70 489 74 053 77 859 81 918 86 253 90 762 95 404 100 191

62 505 65 806 69 127 72 522 76 171 80 033 84 171 88 591 93 289 98 163 103 169 108 321

67 087 70 683 74 299 78 020 81 937 86 119 90 601 95 384 100 445 105 684 111 056 116 573

71 757 75 654 79 568 83 591 87 840 92 365 97 208 102 354 107 781 113 385 119 122 125 004

1 DONNÉES DE BASE

Fonctionnement de 0.00 à…

*) Calculé d’après DIN 4710:2003-01.

Exemple Le nombre de degrés-heures de ventilation annuels pour une installation de ventilation fonctionnant de 8 h à 18 h avec une température de soufflage d’air de 22 °C est, d’après le tableau 1.1.2-7 : GL = 86 119 – 45 839 = 40 280 Kh/a Le besoin annuel de chaleur par kg/s est :

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Qs = 40 280 kWh/a.

-5

Degrés-heures de refroidissement GK

Les degrés-heures de ventilation pour des températures extérieures plus élevées que la température de soufflage (en cas de refroidissement) sont appelés degrés-heures de refroidissement. On entend par degré-heures de refroidissement GK le produit du nombre d’heures de refroidissement par l’écart entre la température extérieure moyenne et une température donnée de soufflage d’air. Aussi est-il ici nécessaire de calculer des degrés-heures de refroidissement à différents moments de la journée. On obtient alors les valeurs du tableau 1.1.2-8. Il ne s’agit que du refroidissement sensible de l’air. Si l’on tient compte de l’évaluation des températures moyennes par heure sur 30 ans établie dans DIN 4710, on trouve une erreur au niveau de la journée, qui présente une température de soufflage d’air plus élevée figurant sur le tableau 1.1.2-8. Cette erreur pour GK est, pour une température ≤ 16 °C, inférieure à 10 %, et pour une température égale à 18 °C d’environ 20 %. Les valeurs réelles sont par conséquent plus élevées. À noter qu’ici aussi, l’annexe 1 de DIN 4710 contient les données mensuelles pour les installations fonctionnant 24 h sur 24, et pour un fonctionnement entre 6 et 18 h, les valeurs annuelles pour différentes fréquences de température DIN 4710 figurent sur les tableaux 3.x.1 et 3.x.2. La chaleur latente résulte des grammes heures de déshumidification et d’humidification. Il est toutefois préférable, ce qui est courant, d’utiliser les différences d’enthalpie pour les calculs d’énergie. Sur demande, les stations météorologiques mettent à disposition les estimations correspondantes. Celles-ci sont en principe calculées pour 24 heures ou sur une période de 6 à 18 h à partir des différentes fréquences de DIN 4710.

19

1.1.3 Humidité de l’air

1.1 • Données météorologiques de base

Tableau 1.1.2-8 – Degrés-heures de refroidissement GK en Kh/a pour Potsdam en fonction de la durée de fonctionnement et de la température de soufflage d’air*) Fonctionnement de 0.00 à…

Température de soufflage d’air en °C 14

16

18

1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00

52 76 83 85 86 95 189 453 883 1 507 2 294 3 203

1 1 1 1 1 1 2 92 615 671 1 166 1 772

0 0 0 0 0 0 0 7 80 251 518 861

13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 24.00

4 205 5 273 6 352 7 407 8 373 9 195 9 818 10 237 10 521 10 725 10 871 10 972

2 463 3 215 3 982 4 727 5 390 5 931 6 316 6 534 6 641 6 689 6 713 6 722

1 276 1 750 2 238 2 708 3 111 3 413 3 611 3 681 3 698 3 703 3 706 3 708

*) Calculé d’après DIN 4710:2003-01.

1.1.3 Humidité de l’air Tandis que la vapeur d’eau contenue dans l’air joue un rôle minime dans le système de chauffage, celleci est primordiale en génie climatique.

-1

Appellation

La quantité de vapeur d’eau contenue dans l’air peut être évaluée de 4 façons différentes, notamment : a) par l’humidité relative ϕ (%) de l’air ; b) par la température au thermomètre à bulbe humide tf (°C) ; c) par la pression partielle pD de la vapeur d’eau dans l’air (mbar) ; d) par la teneur en eau (ou la masse d’eau) x contenue dans 1 kg d’air sec (kg/kg d’air sec ou g/kg d’air sec). Les indications sur la teneur en vapeur d’eau d’après a) ou b) sont insuffisantes dans de nombreuses applications. En effet sans l’indication de la température de l’air correspondante, les chiffres n’ont pas de signification. ϕ et tf varient avec la température de l’air, même si la valeur absolue de la teneur en eau de l’air reste la même. Il est préférable d’exprimer l’humidité à partir de c) ou d). Toutefois, il y a une toute série de cas (par ex. traitement des matériaux organiques comme les textiles, le bois, le papier, le tabac), dans lesquels le maintien d’une certaine humidité relative est requise. Au mieux, c’est la plupart du temps la pression partielle de la vapeur d’eau qui est indiquée sur les tables de la météorologie, tandis que dans les calculs en génie climatique on devra utiliser les valeurs de x (rapport de mélange en météorologie). D’après les données figurant dans le paragraphe 1.1.3-4 page 23, ces deux valeurs peuvent facilement se déduire l’une de l’autre. Entre 0 et 40 °C, la teneur en vapeur d’eau est environ x ≈ 0,62 pD.

20

1.1.3 Humidité de l’air

1.1 • Données météorologiques de base

Humidité moyenne

Tout comme la température extérieure, l’humidité absolue de l’air à l’extérieur est aussi soumise à une variation annuelle, voire aussi à une variation quotidienne. L’oscillation quotidienne moyenne est si faible qu’on peut considérer comme pratiquement constante la pression partielle de la vapeur, si le temps ne change pas (la pression atmosphérique). Dépendante de la température de l’air, l’humidité relative est naturellement déterminée sur une période donnée (voir fig. 1.1.3-1). Sur une année, la pression partielle de la vapeur, la teneur en eau de l’air, tout comme l’humidité relative, présentent des oscillations importantes, similaires à celles de la température. À partir de là, il apparaît que la valeur maximale de la pression partielle moyenne de vapeur est en juillet de 14 à 16 mbar maximum (x = 8,7 à 9,9 g/kg d’air sec) et en janvier varie entre 4 et 5 mbar minimum (2,5 à 3,1 g/kg), et ce, dans toute l’Allemagne (voir fig. 1.1.3-1, fig. 1.1.3-2 et tableau 1.1.2-1). Dans la fig. 1.1.3-3, on constate que la teneur moyenne en eau de l’air est de xm = 5,8 g/kg d’air sec. Cette valeur est valable pratiquement pour toute l’Allemagne. La norme DIN 4710 présente les valeurs correspondant à 15 stations. La marge d’oscillation, compte tenu des stations en altitude, va de 5,0 (Fichtelberg) à 6,2 g/kg d’air sec (Bremerhaven, Essen, Mannheim). En supposant qu’une teneur en eau de 8 g/kg, correspondant à environ 22 °C/50 % d’humidité relative, donne le meilleur confort, alors, dans la mesure où les pièces elles-mêmes ne présentent pas de sources d’humidité, il faut donc déshumidifier l’air à l’aide de climatiseurs durant 71 jours courants et l’humidifier pendant 294 jours. Toutefois, dans la pratique, on réduit cette dépense en utilisant un seuil de tolérance relativement large, entre 5 et 10 g/kg d’air sec.

-3

Heures-grammes d’humidification et de déshumidification

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Pression partielle de la vapeur d’eau en juillet

ier nv Ja Humidité relative

let

il Ju

Pression partielle de la vapeur d’eau en mbar

Pression partielle de la vapeur d’eau en mbar

De même que dans le domaine du chauffage et du refroidissement, on utilise les notions de degrés-jours, voire de degrés-heures, on peut utiliser les notions suivantes pour la teneur en eau de l’air :

Pression partielle de la vapeur d’eau en janvier Heure de la journée

Fig. 1.1.3-1 : Évolution de l’humidité moyenne au cours d’une journée de janvier et d’une journée de juillet à Berlin Dahlem.

Mois

Fig. 1.1.3-2 : Évolution annuelle de la pression partielle de la vapeur d’eau contenue dans l’air dans différentes villes.

Les jours-grammes d’humidification sont le produit du nombre de jours d’humidification et de la différence entre une teneur en eau de l’air intérieur de x = 8 g/kg et une teneur en eau moyenne de l’air extérieur. Les heures-grammes d’humidification sont définies de façon similaire. La fig. 1.1.3-4 planimètre les heures-grammes d’humidification, sur un an, à raison de Gf = 22 039 g.h/kg d’air sec/a = 22 039/24 = 918, soit 918 jours-grammes d’humidification par an. Les jours-grammes de déshumidification sont de même le produit des jours de déshumidification et la différence entre la teneur en eau de l’air intérieur, qui est de x = 8 g/kg, et la teneur moyenne en eau de l’air extérieur. Les heures-grammes de déshumidification sont schématisées sur la fig. 1.1.3-4 : Gsec = 3 310 g.h/kg d’air sec/a = 3 310/24 = 138 jours-grammes de déshumidification par an. Ce calcul peut s’effectuer sans difficulté pour les 15 stations de DIN 4710, où l’on constate toutefois des différences notoires. Potsdam présente par rapport à l’ancien relevé/de Berlin des heures de déshumidification plus élevées. Exemple Pour un fonctionnement de 10 h par jour sur 250 jours par an, Gsec = 3 310 . 10/24 . 250/365 = 3 310 . 0,285 = 943 g.h/kg d’air sec/a Ghumide = 22 039 . 10/24 . 250/365 = 22 039 . 0,285 = 6 281 g.h/kg d’air sec/a

21

1 DONNÉES DE BASE

-2

1.1.3 Humidité de l’air

1.1 • Données météorologiques de base

Déshumidification jours

ti ica

3 310 gh/kg tr. L./a

on

Heures par an

f

idi

um

Teneur en eau x en g/kg

h és

D

Valeur moyenne

Humidification

Humidification 22 039 gh/kg tr. L./a

Teneur en humidité × en g.h/kg d’air sec

Mois

Fig. 1.1.3-3 : Teneur en eau de l’air à Berlin. La valeur 8 g/kg correspond à de l’air à 22 °C et 50 % d’humidité relative.

Fig. 1.1.3-4 : Courbe de fréquence cumulée de la teneur en eau de l’air à Potsdam (DIN 4710:2003-01).

Avec la chaleur d’évaporation de hD = 2 500 kJ/kg eau = 2 500/3 600 = 0,7 kWh/kg, chaque kg/h d’air sera annuellement : – taux de déshumidification (refroidissement latent) Q = 943 . 0,7/1 000 = 0,660 kWh/kg/a – taux d’humidification (chauffage latent) Q = 6 281 . 0,7/1 000 = 4,397 kWh/kg/a Pour d’autres teneurs en humidité, on peut utiliser le tableau 1.1.3-1a (données 1961-1990), qui indique les valeurs Gsec et Ghumide, le tableau 1.1.3-1b prenant pour base les nouvelles données légèrement modifiées de 1991-2005. Tableau 1.1.3-1a – Heures-grammes de déshumidification Gsec et heures-grammes d'humidification Ghumide en g.h/kg d'air sec/a pour Postdam en fonction de la teneur en humidité de l'air soufflé sur une période de 24 h d'après DIN 4710:2003-01 (données météorologiques 1961-1990) Teneur en humidité de l’air soufflé x en g/kg d’air sec 24 h

Gsec Ghumide

5

6

7

8

9

10

–

9 045

5 693

3 310

1 755

835

5 862

10 242

15 657

22 039

29 251

37 097

11

12

353

132

–

–

Le tableau 1.1.3-1b tient compte des nouvelles données météorologiques disponibles depuis pour la période 1991-2005 (voir tableau 1.1.3-4), sur le même modèle que le tableau -1a. Tableau 1.1.3-1b – Heures-grammes de déshumidification Gsec et heures-grammes d'humidification Ghumide en g.h/kg d'air sec/a pour Postdam en fonction de la teneur en humidité de l'air soufflé sur une période de 24 h d'après DIN 4710.3 E:2009-08 (données météorologiques 1991-2005) Teneur en humidité de l’air soufflé x en g/kg d’air sec 24 h

Gsec Ghumide

22

5

6

7

8

9

10

11

12

–

10 740

7 042

4 272

2 396

1 231

561

220

5 106

9 190

14 258

20 254

27 144

34 746

–

–

1.1.3 Humidité de l’air

1.1 • Données météorologiques de base

On observe que le changement climatique s’accompagne également d’une augmentation de l’humidité, ce qui réduit légèrement les valeurs d’humidification et accroît celles de déshumidification.

Valeurs extrêmes de l’humidité

On observe les valeurs minimales de la pression partielle de vapeur d’eau lors de journées particulièrement froides. Par une température extérieure de – 20 °C, la pression partielle de la vapeur d’eau est seulement de 0,6 mbar, même lorsque l’air est complètement saturé. En revanche, on observe les valeurs maximales de teneur en humidité lors de journées estivales pluvieuses, notamment lors de pluies orageuses. La pression partielle de la vapeur atteint en Allemagne des valeurs allant jusqu’à 23 mbar. Dans les régions tropicales, les valeurs atteignent environ 35 voire 40 mbar. 1

-5

Température et humidité1

L’humidité associée à la température correspondante est déterminante pour la qualité de l’air en génie climatique (voir tableau 1.1.3-2 pages 24−25). DIN 4710:2003-01 indique des corrélations précises entre l’humidité de l’air et la température pour 15 villes allemandes (voir tableau 1.1.3-3 pages 26−27). On a besoin de ces indications lorsque l’air doit être déshumidifié suite à une humidité trop élevée ou pour calculer le refroidissement dû à l’évaporation. Si par la suite on vérifie les valeurs de la température et de l’humidité mesurées simultanément, il s’avère que : les jours de température maximale, l’humidité reste la plupart du temps normale ; tandis que les jours où la température reste normale, des maxima d’humidité sont enregistrés. La quantité maximale de chaleur contenue dans l’air (enthalpie), c’est-à-dire la somme des quantités correspondantes à l’air sec et à la vapeur d’eau, est dans les deux cas pratiquement la même. Il n’est donc pas vraiment sûr par des journées particulièrement chaudes que l’air présente une teneur en humidité particulièrement élevée. À l’exception des régions côtières, l’Allemagne présente une situation largement homogène, décrite dans VDI 20782 par l’humidité absolue constante x = 12 g/kg d’air sec. Si l’on analyse les diagrammes t,x (tableau 3 de la norme DIN 4710:2003), on remarque alors la faible occurrence des dépassements en ce qui concerne l’enthalpie (6-7 h/a), tant pour les zones enclavées que pour les zones de vallée fluviale, de sorte que dans un premier temps, il est possible de conserver la proposition de référence concernée : tmax

tmax

tfmax

x

ϕ

˚C

kJ/kg

˚C

g/kg d’air sec

%

31 32 33

62 63 64

21,4 21,7 22,0

12 12 12

43 40 38

Zone (VDI 2078)

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2 enclave 1 3 enclave 2 4 vallées fluviales SW

Il va de soi que lors de la conception de l’unité de refroidissement, il faut vérifier en fonction de la construction si cet état « sec » représente l’état critique pour le refroidisseur, car selon l’écartement des ailettes, l’écoulement des condensats peut être empêché et occasionner une perte d’efficacité. Il est alors nécessaire de choisir un point de référence plus humide, de préférence sur la ligne h = const. Pour ϕ = 75 %, on obtient alors les valeurs de référence suivantes : tmax

hmax

x

ϕ

˚C

kJ/kg

g/kg d’air sec

%

24,8 25,0 25,2

62 63 64

14,6 14,8 15,1

75 75 75

Zone

2 3 4

Des travaux3 plus récents tiennent compte du réchauffement de l’atmosphère observé ces dernières années et se fondent sur les 10 dernières pour recommander des valeurs de référence encore plus élevées. Entre-temps, une initiative de VDI et VBI a amené le DWD à réévaluer les corrélations t,x pour les 15 stations de la norme DIN 4710/2003, ce pour les 15 années allant de 1991 à 2005. Elles ont depuis 1. Jüttemann, H., et G. Schaal : HLH 10/82 page 355/60. Masuch, J. : HLH 11/82 page 387/93. 2. VDI 2078 : 1996-07, p. 25. 3. Albers, K.-J. et Eyrich, N : TAB 3 : 2006.

23

1 DONNÉES DE BASE

-4

1.1.3 Humidité de l’air

1.1 • Données météorologiques de base

Tableau 1.1.3-2 – Valeurs de la température et de l’humidité pour différentes villes du globe*) (ttr = température sèche de l’air, th = température humide) Ville Europe Athènes Berlin Bruxelles Budapest Bucarest Hambourg Helsinki Istanbul Copenhague Lisbonne Londres Madrid Marseille Moscou Naples Nice Oslo Paris Prague Rome Séville Sébastopol Stockholm Valence Viennes Zurich Afrique Accra (Ghana) Addis-Abeba Alexandrie Alger Casablanca Dakar Darussalam Durban Elisabethville Freetown Johannesburg Le Caire Kapstadt Lagos (Nigéria) Léopoldville Marrakech Mombassa Nairobi Oran Tanger Teneriffa Tombouctou Tunis Tripoli Windhuk Asie Aden Ankara Bagdad

Niveau de la mer en m

Hiver ttr en °C

Été ttr en °C

th en °C

107 40 100 150 80 30 10 70 10 100 40 650 70 140 60 12 30 50 200 50 30 20 50 25 200 490

–2 – 15 – 10 – 12 – 20 – 15 – 24 –4 – 13 +3 –1 –4 –6 – 30 –2 0 – 17 – 10 – 16 –1 – – 12 – 19 –1 – 15 – 16

36 32 30 33 32 28 27 34 28 34 28 26 33 31 35 30 27 32 32 36 40 34 27 33 33 29

22 21 21 21 22 19 19 23 20 22 19 22 22 21 24 23 19 21 19 23 27 – 19 24 21 20

27 2 450 30 60 230 20 15 5 1 230 10 1 750 110 10 3 320 470 15 1 800 100 70 60 250 65 20 1 700

19 –3 5 +3 +2 15 17 10 2 18 –3 4 4 20 16 3 – 7 – – 10 8 +2 4 0

33 27 38 37 33 36 33 35 35 33 30 40 34 33 35 41 33 28 35 33 31 47 39 39 33

27 19 24 26 25 23 28 24 21 27 21 22 22 28 28 – 26 18 26 24 – – 25 27 19

7 850 60

17 – 14 4

39 35 45

29 20 23

*) ASHRAE Fundamentals 2005. Köppen : ébauche des connaissances climatiques, Berlin 1931. Guide IHVE 1970/72. Feuillet technique DKV 0-20 et 0-21 (association allemande de la technique du froid). Quenzel : données météorologiques. 1969. Diverses autres sources.

24

1.1.3 Humidité de l’air

1.1 • Données météorologiques de base

Bangkok Basra Djakarta Beyrouth Bombay Chungching Delhi Hanoi Hong Kong Jerusalem Calcutta Canton Koweït Manilla Mukden Saigon Seoul Shanghai Singapour Téhéran Tokyo Vladivostok

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

Australie Brisbane Melbourne Sidney Amérique du nord Bermudes Boston Cleveland Chicago Dallas Detroit Honolulu Houston Los Angeles Miami Montréal Nouvelle Orléans New York Ottawa Pittsburg Québec San Francisco Toronto Washington Amérique centrale et Amérique du Sud Bogota Buenos Aires Guatemala Havane (Cuba) La Paz Lima Manaus Maracaibo Mexico City Montevideo Nassau Panama Rio de Janeiro Santiago de Chile San Juan, P. R. Sao Paulo Valparaiso

Niveau de la mer en m

Hiver ttr en °C

Été ttr en °C

th en °C

10 30 10 230 220 15 30 750 10 – 5 10 70 10 87 10 0 1 200 20 20

16 4 20 4 16 3 4 8 6 –2 10 15 4 17 – 20 – 14 –1 18 –5 –3 – 25

36 33 33 33 34 36 40 36 33 35 38 35 45 35 35 33 32 36 32 35 33 30

28 28 26 26 28 27 24 30 28 21 28 28 31 28 26 28 26 28 28 22 26 22

40 30 40

+4 0 5

32 35 35

25 21 23

10 15 205 190 225 195 5 60 165 5 55 5 130 105 280 90 50 100 40

15 – 18 – 20 – 23 – 12 – 23 15 –7 2 2 – 23 –7 – 18 – 23 – 20 – 26 2 – 23 – 18

31 33 35 35 38 35 28 35 32 33 30 35 35 31 35 30 29 31 35

24 24 24 24 26 24 23 26 21 26 23 26 24 23 24 23 18 26 26

2 650 20 1 500 25 3 600 120 40 5 2 300 10 5 5 60 520 10 780 40

–1 –1 7 15 –2 15 20 21 2 2 13 21 13 2 20 4 8

21 35 31 32 23 31 35 35 26 33 32 31 32 32 32 31 27

18 24 23 26 14 24 27 28 16 23 27 26 26 20 26 24 20

10

1 DONNÉES DE BASE

Ville

25

1.1.3 Humidité de l’air

1.1 • Données météorologiques de base

Tableau 1.1.3-3 – Corrélation entre la température de l’air, t, et la teneur en vapeur d’eau, x, pour l’année ; Potsdam ; valeurs mesurées ; 24 h/jour. Nombre annuel moyen des cas (en dixièmes) ; mesures horaires de la période 1961-1990 (tableau 341 de DIN 4710:2003-01) t/x 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 –0 –1 –2 –3 –4 –5 –6 –7 –8 –9 – 10 – 11 – 12 – 13 – 14 – 15 – 16 – 17 – 18 – 19 – 20 – 21 – 22 – 23 – 24 Total

0

1

2

3

0

1 1

1 0 0 1 1 0 0 2 2 3 2 3 6 11 23 34 26 24 7 6 1 0 2 1 156

0 0 3 4 3 4 7 7 6 12 10 19 28 36 42 62 79 101 139 175 272 395 446 302 181 219 156 117 76 38 4

3 045

0 0 1 1 2 5 3 5 10 11 16 27 28 36 53 66 76 93 103 133 174 207 270 392 515 848 1 308 1 230 894 620 427 152 8

7 715

1 1 0 1 2 1 3 2 4 5 8 11 17 23 37 51 59 63 74 85 112 139 161 229 276 360 513 664 947 1 375 2 073 3 091 1 996 1 350 451

14 195

4

5

6

7

1 1 1 1 2 2 3 3 7 16 15 19 29 33 56 69 100 107 136 170 189 222 244 323 364 515 700 961 1 476 2 164 2 522 1 910 990 24

1 0 2 3 7 10 8 14 23 31 51 55 71 98 121 153 166 214 239 269 330 416 470 603 710 979 1 347 1 908 1 559 753 20

1 2 4 8 10 16 19 30 42 69 86 101 143 173 214 271 295 376 421 485 577 716 818 1 027 1 391 1 602 1 044 134

1 5 6 11 19 33 45 63 72 101 139 167 209 238 302 367 413 485 574 698 810 936 1 277 1 486 749 62

13 373

10 629

10 074

9 270

8

9

3 1 4 7 15 19 32 40 65 81 96 119 157 178 218 268 323 362 456 525 630 702 946 1 338 686 42

1 3 2 8 20 29 33 46 66 77 105 124 149 197 210 248 303 340 390 495 643 945 839 109

7 311

5 381

Exemple : t = 6 °C ; x = 5 g vapeur d’eau (WD)/kg d’air sec L’état où la température de l’air t = 6 à 6,9 °C, et x = 5 à 5,9 g WD/kg d’air sec, se produit en moyenne 1 908 dixièmes d’heures par an, soit 190,8 heures par an.

26

1.1.3 Humidité de l’air

10

11

12

13

14

1 1 5 9 17 19 33 44 61 87

1 3 6 6 14 21 29 42 58

1 3 3 7 12 16 18 26 28

0 2 4 8 9 9 12 16 15

92 116 129 147 185 202 257 263 357 454

64 86 94 110 120 131 163 195 315 313

41 45 54 58 72 76 94 170 113 8

21 24 26 28 29 42 56 25

641 264 1

38

15

16

2 3 3 2 7 12 5

0 2 1 2 2 1

8 9 9 10 13 19 4

3 5 4 3 3 2

17

18

19

5 7 21 47 90 132 186 262 369 464

0 1 2 1 1

0 0 1 0

1 1 1

Total

0

578 748 916 1 079 1 311 1 542 1 909 2 244 2 647 3 033 3 391 3 606 3 781 3 849 3 638 3 663 3 431 3 457 3 450 3 462 3 658 3 726 3 672 3 513 3 361 3 543

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2 553 2 260 1 839 1 339 1 033 795 699 547 456 304 283 221 159 122 87 61 38 26 24 7 6 1 0 2 1 3 385

1 808

845

326

106

27

8

2

0

87 656

27

1 DONNÉES DE BASE

1.1 • Données météorologiques de base

1.1.3 Humidité de l’air

1.1 • Données météorologiques de base

été publiées sous l’intitulé VDI 4710 .3 E 1. Elles ne montrent pas de profonds changements, mais toutefois des changements perceptibles. Le tableau 1.1.3-4 illustre cela par l’exemple de Potsdam. En comparant les tableaux 1.1.3-3 et -4, on constate d’abord que : – la température maximale passe de 35 à 38 ˚C ; – la température minimale passe de –24 à –18 ˚C ; – l’humidité maximale passe de 18 à 19 g/kg d’air sec. Une analyse de l’ensemble des stations excluant les valeurs extrêmes particulières, mais intégrant un léger dépassement toléré d’environ 10 à 15 h/a (environ 1 à 1,5 % de toutes les heures) conduit à des valeurs présentant des différences seulement marginales par rapport à celles admises jusqu’ici. Des groupes de travail DIN ou VDI les définiront prochainement. La description des corrélations t,x selon VDI 4710.3 projette d’intégrer dans les pages de tableau des informations supplémentaires telles que les degrés-jours pour différentes températures limites, fréquences cumulées d’enthalpie estivale, heures-grammes d’humidification et de déshumidification, comme le montre ici l’exemple de Potsdam (tableau 1.1.3-4). Les différences par rapport au tableau 1.1.3-1a sont perceptibles, mais restent mineures. Les nouvelles valeurs sont directement comparées dans le tableau 1.1.3-1b. Le tableau 1.1.3-5 indique l’ordre de grandeur des points de référence en période estivale et hivernale d’après la définition ci-dessus pour la température, la teneur en vapeur d’eau et l’enthalpie. Le tableau 1.1.3-5 a été précisé pour le livre blanc VDI 4710.3, de sorte que les dépassements des seuils maximal et minimal soient compris entre 0,09 et 0,15 % environ. Le niveau d’enthalpie convient. Seule Mannheim s’écarte vers une valeur supérieure (h = 67 kJ/kg), les stations de montagne tendant vers le bas (Fichtelgebirge avec h = 54 kJ/kg). Pour définir les caractéristiques des matériaux et des équipements dans différentes régions du globe, on distingue 4 climats : Climat froid ..............................

moyenne mensuelle la plus faible inférieure à – 15 °C

Groenland, Sibérie

Climat tempéré.........................

moyenne mensuelle entre – 15 °C et + 25 °C

Europe du Nord, Europe centrale, États du nord de l’Amérique.

Climat sec.................................

moyenne mensuelle la plus haute supérieure à + 25 °C

Afrique du Nord, Arabie, États du sud de l’Amérique.

Climat tropical..........................

au moins une moyenne mensuelle supérieure à + 20 °C et 80 % d’humidité relative

Inde, Afrique équatoriale, Amazonie

Exemple de climat à l’étranger, voir fig. 1.1.3-5, cf. infra les informations VDI 4710.1. Hanovre

Humidité relative

Température

th

Température de l’air ttr

1. VDI 4710.3 E : 2009-08.

28

Assouan

Température humide th

Fig. 1.1.3-5 : Exemples de climats. Mois

1.1 • Données météorologiques de base

1.1.3 Humidité de l’air

Tableau 1.1.3-4 – Corrélation entre température de l’air t en °C et teneur en eau x en g WD/kg d’air sec pour l’année. Postdam, période de 1991 à 2005

Nombre annuel moyen des cas (en dixièmes d’heures), 24 mesures horaires par jour

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DONNÉES DE BASE

1

Total FREQc FREQc = fréquence cumulée Fréquence cumulée des enthalpies estivales (en dixièmes d’heures) Enthalpie (kJ/kg d’air sec) Fréquence cumulée

29

1.1 • Données météorologiques de base

1.1.3 Humidité de l’air

Nombre annuel moyen des cas (en dixièmes d’heures), 24 mesures horaires par jour Total

FREQc

FREQc = fréquence cumulée Températures Journées limites (°C) seuils (KD) Seuil d’humidité (g/kg d’air sec) Heures-grammes d’humidification (gh/kg d’air sec) Heures-grammes de déshumidification (gh/kg d’air sec)

30

1.1.3 Humidité de l’air

1.1 • Données météorologiques de base

Tableau 1.1.3-5 – Proposition de définition des points de référence pour la température et l’humidité extérieures ainsi que l’enthalpie en fonction d’un risque précis 0,1 % = 8,8 ≈ 9 h/a, émanant du livre blanc VDI 4710.3 Été

Hiver

t (˚C)

h (kJ/kg)

t (˚C)

Bremerhaven

30

63

– 10

Rostock-Warnemünde

30

61

– 10

Hamburg-Fuhlsbuttel

31

62

– 12

Potsdam

33

64

– 14

Essen

31

64

– 10

Bad Marienberg

29

59

– 12

Kassel

32

63

– 12

Braunlage

28

58

– 15

Chemnitz

31

62

– 14

Hof

30

60

– 16

Fichtelberg

24

54

– 17

Mannheim

34

67

– 12

Mühldorf/Inn

32

65

– 19

Stötten

29

61

– 14

Garmisch-Partenkirchen

31

62

– 17

1 DONNÉES DE BASE

Station représentante DIN 4710

Enthalpie h

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En génie climatique, la fréquence des valeurs d’enthalpie sur l’année est importante pour calculer la rentabilité. La fig. 1.1.3-6 montre la courbe de fréquence globale en Allemagne, la fig. 1.1.3-7 donne la variation annuelle de l’enthalpie mensuelle moyenne.

Munich

Francfort Berlin

Fig. 1.1.3-6 : Fréquence globale annuelle de l’enthalpie en Allemagne. Heures sur l’année h

31

1.1.3 Humidité de l’air

1.1 • Données météorologiques de base

La fig. 1.1.3-8 présente des données détaillées temporaires, telles qu’elles sont utilisées pour calculer la consommation d’énergie consacrée au traitement de l’air.

heures Francfort Enthalpie-heures

Enthalpie

Munich Berlin

Munich

Berlin Francfort

heures Valeur limite d’enthalpie hfin

Mois

Fig. 1.1.3-8 : Enthalpie-heures sur l’année pour le chauffage et l’humidification sur une durée de 24 h, et un fonctionnement de 10 h (de 7 à 17 h) en fonction de la valeur limite hfin*).

Fig. 1.1.3-7 : Variation annuelle de l’enthalpie moyenne mensuelle en Allemagne*). *) Selon VDI 2071-2:1983-03. Indication : la nouvelle édition de la VDI 2071:1997-12 contient les méthodes graphiques d’approximation.

*) Selon VDI 2071-2:1983-03.

Exemple L’enthalpie h = 33 kJ/kg correspondant à un point de rosée de 11,5 °C de l’air ambiant à 22 °C avec une humidité relative de 50 %. Elle est plus faible pour 6 300 heures par an avec 24 h/24 de fonctionnement de l’installation. Elle est supérieure pour un fonctionnement durant 2 460 heures (fig. 1.1.3-6). Tout comme la température et l’humidité, le concept d’heures est également utilisé pour l’enthalpie. Les enthalpie-heures sont le produit du nombre des heures annuelles et de la différence d’enthalpie entre l’air extérieur et une valeur limite admise pour l’air soufflé hfin (fig. 1.1.3-8). Exemple Pour un air soufflé avec hfin = 33 kJ/kg et une période de 24 h, les enthalpie-heures à Berlin (fig. 1.1.3-8) sont de :

105 000

kJ h MWh ⋅ = 105 kg a a ⋅ kg/s

Avec un débit massique d’air de 1 kg/s, l’énergie annuelle pour réchauffer et humidifier l’air extérieur avec hfin = 33 kJ/kg est par conséquent : Q = 105 MWh/a. La figure 1.1.3-8 peut également s’obtenir en planimétrant la surface entre la courbe de la figure 1.1.3-7 et hfin. Application également pour la récupération de la chaleur (fig. 4.3.8-8). La VDI (Verein Deutscher Ingenieure : Association des ingénieurs allemands) rassemble les méthodes permettant de calculer les coûts d’énergie annuels pour traiter l’air dans les installations de conditionnement d’air1. Tout comme sur le feuillet 3, entre-temps retiré de la VDI 2067, on a également défini des zones dans le feuillet 21 où sont respectivement figurés des processus à chaque fois définis dans le climatiseur (p. ex. la zone I pour chauffer, humidifier, la zone II pour refroidir, la zone III pour déshumidifier, refroidir, réchauffer, zone IV pour simplement réchauffer) (voir fig. 1.1.3-9). Pour chaque zone, l’air extérieur, l’enthalpie moyenne et les différences d’enthalpie nécessaires pour le traitement de l’air sont donnés. 1. VDI 2067-21:2003-05 remplace VDI 2067-3:1983-12. Cette directive appartient à un ensemble de directives décrivant les calculs des besoins en énergie valables pour tous les domaines de la technique appliquée au bâtiment : Bases feuillet 10, méthode de calcul feuillet 11 (remplacé par noyau de calcul dans VDI 6007), besoin en énergie pour le chauffage de l’eau potable feuillet 12, chauffage à eau chaude feuillet 20, traitement de l’air feuillet 21 etc., répartition des dépenses en énergie (feuillet 30), installations solaires (feuillet 40), pompes à chaleur (feuillet 42), centrale de cogénération (feuillet 44), chauffage à distance (feuillet 46). Une grande partie des derniers feuillets sont encore en préparation.

32

1.1.3 Humidité de l’air

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On trouve, pour 15 stations allemandes, les fréquences sous forme d’un total annuel pour 12 et 24 heures, et aussi sur 24 heures mensuellement. De cette façon, les degrés-jours pour le chauffage ou le refroidissement de l’air peuvent être indiqués en fonction des points de référence souhaités, tout comme les grammes-heures pour l’humidification ou la déshumidification de l’air. Suivant les phases de traitement de l’air d’une installation, il est possible de modifier et/ou de subdiviser les zones indiquées (p. ex. suivant les lignes d’enthalpie constantes avec un saturateur d’eau). Dans VDI 2067-21 sont indiqués les algorithmes pour les différents types d’installation. Les calculs manuels, plus laborieux, devraient toutefois être remplacés par des programmes appropriés au moyen d’une évaluation des différentes données de la DIN 4710. Actuellement, les firmes spécialisées dans les logiciels préfèrent pour leurs installations les tests de référence qui sont établis de façon analogue aux zones climatiques de la DIN 4710, à partir du même ensemble de données, et disponibles depuis auprès du DWD (service allemand de météorologie). Toutefois, ceux-ci ne constituent qu’un ensemble partiel, alors que les tableaux 3 de la DIN 4710 décrivent de façon exhaustive toutes les données des années 1961-1990. Note : l’évolution accélérée de la technique de calcul fait que peu d’analyses énergétiques annuelles sont faites manuellement. On renonce donc ici aux évaluations partielles alors habituelles, comme le VDI 2067-3, maintenant supprimé. La DIN 4710:2003-01, entre-temps publiée permet, au moyen du tableau 3 (cf. tableau 1.1.33) et des algorithmes indiqués dans le VDI 2067-21:2003-05, d’appliquer les calculs correspondants aux différents systèmes de climatisation, voire au degré de confort spécialement souhaité, auquel cas une telle évaluation spécifique ne pose pas de problème, puisque la DIN 4710 sert aussi de DWG-CD. Les firmes spécialisées dans les logiciels préfèrent toutefois (cf. supra) les tests de référence, fidèles au plan énergétique, et qui sont aussi valables 1 pour les 15 postes de la DIN 4710 et permettent de présenter les installations pour un laps de temps précis. Sans doute toutes les conditions reconnues comme possibles ne sont-elles pas incluses dans la DIN 4710, mais en référence à la stratégie d’installation correcte au plan temporel, de tels résultats sont très fiables pour des données énergétiques. Cela ne vaut pas pour des données de valeurs extrêmes. Pour obtenir ici un niveau de sécurité équivalent, les données sont combinées de façon à correspondre aux tests de référence pour 3 mois d’un hiver extrême et pour 3 mois d’un été extrême, et permettre par exemple de déterminer la fréquence de dépassement d’une température limite dans une pièce lors d’un été extrême par rapport à un été moyen.

Fig. 1.1.3-9 : Répartition des zones permettant de distinguer les différents processus de traitement de l’air pour une installation RTL, sur un graphique h, x.

Cependant, les procédés classiques en donnent une bonne idée et peuvent être utilisés pour procéder à une évaluation de base. 1. Christoffer, J. ; Deutschländer, Th. ; Webs, M. : Tests de référence pour conditions météorologiques moyennes et extrêmes TRY (2004) Offenbach, autoédition du service météorologique allemand.

33

1 DONNÉES DE BASE

1.1 • Données météorologiques de base

1.1.3 Humidité de l’air

1.1 • Données météorologiques de base

Les corrélations t, x de DIN 4710 permettent une interprétation beaucoup plus fiable que les valeurs limites ttr et tf ; par exemple, selon le tableau 1.1.3-2, on peut d’après tous les critères (température, humidité, enthalpie) déterminer avec précision un risque de dépassement défini. Comme cette précision est particulièrement importante pour les applications industrielles (par exemple dans le textile), les services météorologiques allemands de Hambourg et de la VDI ont décidé d’établir des statistiques analogues pour 20 sites hors d’Europe, qui doivent ensuite fournir une précision quasi comparable lors de l’interprétation. Le projet VDI 4710,1 est paru en décembre 2006, le livre blanc en décembre 20081. VDI 4710,1 comprend les données météorologiques de 20 stations hors Europe situées dans des zones climatiques très diverses, allant de l’Alaska à l’Australie. Bien entendu, il ne saurait être question d’universalité, mais le format des données ayant été également choisi pour DIN 4710, il est désormais possible et aisé d’effectuer aussi des calculs pour les stations hors Europe au moyen des programmes classiques. De par ses activités liées aux prévisions météorologiques et ses accords avec la WMO (World Meteorological Organization), le DWD (service météorologique allemand) reçoit toutes les trois heures une importante quantité de données pertinentes provenant de 5 000 stations à travers le monde ; il peut donc mettre à disposition sur demande des statistiques concernant de nombreux autres endroits (service alors payant). À titre d’exemple seulement, voici un tableau extrait de VDI 4710,1 : le tableau 1.1.3-6 indique la corrélation t,x pour Abu Dhabi. Pour de plus amples explications sur VDI 4710,1, se reporter à 2. Concernant les fréquences cumulées marginales, de nombreux calculs peuvent être rapidement effectués – par exemple pour déterminer la quantité de condensats dans le cas d’une déshumidification. L’avantage de présenter toutes les caractéristiques dans une vue d’ensemble est manifeste.

-6

Hygrométrie

out

ne

is

Bo

n

to Co

n

-nylo

n Perlo

Soie

a éré

r

ie Pap

n Pai Lin Coke

e

nit

Lig

les

C

e

état

d’ac

ac

Lai

ir

Cu

on

m de

Ta b

Teneur en eau en % massique

Une grande partie des matériaux de notre environnement contiennent de l’eau en plus ou moins grande quantité. La teneur en eau dépend de l’humidité relative de l’air. Ces matières sont dites hygroscopiques. Lorsque l’humidité de l’air ambiant persiste assez longtemps, s’installe un état d’équilibre, au cours duquel la matière concernée ni ne capte l’eau ni ne l’élimine. Exemple fig. 1.1.3-10 qui présente les isothermes de sorption de différentes matières.

Caoutchouc

Humidité relative de l’air en %

Fig. 1.1.3-10 : Teneur en eau d’équilibre de différentes matières à 20-30 °C. Courbe d’adsorption et de désorption*) *) Cahier de référence 6 de la communauté spécialisée des installations de séchage et de traitement de l’air de la VDMA. 1964.

1. VDI 4710-1 : Statistiques météorologiques de stations hors d’Europe, 2013. 2. Masuch, J. ; Rosenhagen, G. ; Dehne, K. ; Riecke, W. ; Hollenbach, K. : Présentation de données climatiques hors Europe pour la technique du bâtiment HLH 58 (2007), H. 4-7.

34

1.1 • Données météorologiques de base

1.1.3 Humidité de l’air

Tableau 1.1.3-6 – Corrélation température de l’air t (en °C)/teneur en eau x (en g WD/kg d’air sec) : nombre annuel moyen des cas (en dixièmes d’heures), station d’Abu Dhabi, période de référence : 1990-1999

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DONNÉES DE BASE

1

Total Fréquence cumulée

35

1.1 • Données météorologiques de base

1.1.3 Humidité de l’air

Total

36

Fréquence cumulée

1.1.4 Rayonnement solaire

1.1 • Données météorologiques de base

ay 1.1.4 Rayonnement solaire1,2

-1

Constante solaire

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Absorption par CO2

Absorption par O3

Intensité

Si la Terre n’avait pas d’atmosphère, un flux de chaleur d’environ 1,37 kW/m2 se diffuserait sur une surface terrestre perpendiculaire aux Pertes par diffusion rayons du Soleil. On appelle ce chiffre constante solaire et sa valeur oscille entre 1,33 et Intensité à la limite 1,42 kW/m2 suivant la distance Terre-Soleil. de l’atmosphère Le rayonnement total se répartit selon la température de rayonnement du Soleil (environ Absorption par H2O 6 000 K) sur une assez grande longueur d’onde correspondant à la fig. 1.1.4-1. Le maximum du rayonnement se situe dans la partie des rayons visibles, soit à environ μ = 0,5 μm. Lumière L’énergie totale est transmise des longueurs visible d’ondes allant de 0,2 à 3,0 μm. La surface située en dessous de la courbe supérieure représente la constante solaire. Longueur d’onde Le passage du rayonnement à travers l’atmosphère entraîne une diminution de la lumière Fig. 1.1.4-1 : Intensité du rayonnement solaire. solaire en raison de divers phénomènes : dispersion sur des molécules présentes dans l’air et autres de ses composants (poussière, vapeur). Plus forte dispersion des parties à ondes courtes, d’où apparition de ciel bleu. L’absorption spectrale différente des gaz poly atomiques, en particulier O3, H2O, CO2 (fig. 1.1.4-1). (Les gaz diatomiques N 2 et O2 laissent passer le rayonnement presque sans obstacle.) Répartition d’énergie à la surface de la Terre : – rayonnement ultraviolet ≈ 6 % ; – rayonnement visible ≈ 50 % ; – rayonnement infrarouge ≈ 44 %. L’ozone situé entre environ 20 et 50 km d’altitude absorbe notamment les rayonnements ultraviolets, si bien que le rayonnement de longueur d’onde inférieure à 0,29 μm ne parvient pas jusqu’à la Terre. La teneur de l’air en ozone est en soi très faible ; à la pression atmosphérique, elle correspond à une couche d’épaisseur de 2 à 3 mm seulement. Le dioxyde de carbone absorbe en particulier les rayonnements de longueurs d’ondes comprises entre 2 et 2,8 μm ; entre 4,2 et 4,4 μm et de 13 à 17 μm.

1. Christoffer, J., K. Dehne et J. Masuch, HLH 12/03, 1/04 et 2/04. 2. Nehring, G. : Ges.-Ing. 1962 page 230/42. Gütler, G. : HLH 1971 page 99/104. Aydinli, S. : Thèse de l’Université Technique de Berlin 1981. Krochmann, J., entre autres : Rapport FLT. 3/1/4/82, KI 20/92, page 247/51. Schneider, W. : Ki 3/76. page 119/22. Kasten, F., entre autres : Rapport BMFT T84 –125/1984. Müller, H. : HLH 1/82 page 15/25.

37

1 DONNÉES DE BASE

Le rayonnement solaire a également son importance pour le chauffage puisqu’il représente une source de chaleur complémentaire, néanmoins très variable. En hiver, du fait que le Soleil est bas, l’apport de chaleur qui passe à travers une fenêtre est considérable, et ce malgré la courte durée d’ensoleillement ; c’est surtout dans les nouvelles constructions, où sont présents des vitrages isolants et autres protections permettant de retenir la chaleur, que la charge de chauffage est couverte facilement durant la phase de rayonnement solaire et l’on devrait plutôt penser à des mesures contre l’excès de chaleur. Mais dans les constructions anciennes, où l’on trouve de grandes fenêtres, les rayons du Soleil peuvent, dès mars ou avril, couvrir le besoin en chaleur d’une pièce. Dans les installations de ventilation et de génie climatique, on doit faire particulièrement attention au rayonnement solaire, étant donné qu’il constitue la partie essentielle de la charge froide extérieure lors du refroidissement des locaux. On comprend ainsi l’aspiration à une protection mobile contre le Soleil, afin de bénéficier de l’énergie solaire dans les pièces en hiver (utilisation passive d’énergie solaire) et pour s’en protéger l’été contre l’excès de chaleur. 12 Dans le cadre de la tendance globale actuelle d’économie d’énergie, l’énergie solaire revêt une importance de plus en plus considérable (voir partie 2.2.2-5 page 575).

1.1 • Données météorologiques de base

1.1.4 Rayonnement solaire

La vapeur d’eau absorbe notamment les rayonnements de longueurs d’ondes suivantes : 0,72 ; 0,93 ; 1,1 ; 1,4 ; 1,8 ; 2,3 à 2,5 ; 4,4 à 8,5 ; 12 à 60 μm. La quantité de vapeur d’eau contenue dans l’atmosphère étant variable, son absorption est soumise à de fortes variations. À une pression partielle de vapeur moyenne de 13 mbar, l’énergie totale absorbée par la vapeur d’eau correspond à environ 10 % du rayonnement solaire. Des couches de brume et de poussière sont principalement présentes dans l’air au-dessus des grandes villes et des zones industrielles, ce qui entraîne un affaiblissement important du rayonnement, notamment lorsque le Soleil est bas. Toutefois, les mesures prises au cours des 20 dernières années pour maintenir l’air propre se sont révélées efficaces et ont contribué à une très nette amélioration. Dans tous les cas, l’affaiblissement du rayonnement solaire est d’autant plus grand que le parcours aérien des rayonnements est long, d’où, comme pour la température, un cycle quotidien et annuel de l’intensité du rayonnement solaire.

-2

Facteur de trouble de Linke TL

Il existe différentes manières de décrire le phénomène de réduction du rayonnement dans l’atmosphère 1. Le facteur de trouble de Linke2 TL s’est imposé en génie climatique, lequel part d’une atmosphère idéalement pure et sèche (TL = 1). Le facteur de trouble réel (par exemple (TL = 4) correspond aux chiffres que l’on pense être caractéristiques d’atmosphères pures qui provoquent le même trouble que l’atmosphère réelle. Il y a encore quelques décennies, on a constaté des différences de troubles localement considérables (en juillet, par exemple, avec TL entre 3 et 5). Par conséquent, les directives générales correspondantes distinguèrent l’atmosphère pure, l’atmosphère urbaine et l’atmosphère industrielle 3. À partir d’analyses spécifiques, on a même trouvé des valeurs supérieures à 10 en hiver dans les centres-villes, où les chauffages individuels sont nombreux. D’après les statistiques de Kasten et al.4 sur le rayonnement, on a constaté une répartition toute autre du trouble grâce à l’amélioration des émissions de chauffage en hiver (tendance aux chauffages centraux au fioul et au gaz avec surveillance des émissions) et généralement toute l’année par la réduction des émissions dans les agglomérations (dépoussiérage, désulfuration, dénitratation de centrales électriques), ainsi que par la diffusion des émissions (de hautes cheminées). Il n’existe en principe plus qu’une seule zone de rayonnement pour l’Allemagne (les jours sans nuage) de même que, jusqu’à présent, le facteur de trouble a, tout comme auparavant, un cycle spécifique conditionné par les fluctuations saisonnières de la teneur en vapeur d’eau de l’atmosphère. La valeur moyenne en juillet passe de TL = 4 (autrefois appelé « trouble urbain ») à TL = 6. L’oscillation du trouble est considérable. Pour les analyses extrêmes (calculs à interpréter, charge en froid 5), on utilise « la valeur moyenne, de laquelle on soustrait l’écart standard », calcul duquel résulte le rayonnement global prévu en termes statistiques. Le tableau 1.1.4-1 donne un aperçu des variations annuelles du trouble (moyen, extrême) et la classification du rayonnement maximal sur une surface normale (à chaque fois à midi heure solaire). Apport maximal du rayonnement les jours sans nuage, calculé selon le tableau 1.1.4-1 en avril avec Itotal = 1 047 W/m2, puis rayonnement diffus de 164 W/m2. En cas de trouble moyen, le rayonnement total maximum atteint 949 W/m2 en mai et un rayonnement diffus maximal de 233 W/m2 en août. Indication : lorsque les nuages sont légers et en altitude (cirrostratus), le rayonnement diffus peut s’avérer plus important encore, et atteindre environ 350 W/m2. Ceci est important pour évaluer les mesures de protection contre le Soleil sur des surfaces orientées au nord. La fig. 1.1.4-2 présente le cycle quotidien du rayonnement solaire direct sur des murs orientés différemment en juillet par rayonnement total extrême (facteur de trouble : TL = 4,3). Le tableau 1.1.4-2 indique les cycles quotidiens de rayonnement solaire direct et diffus pour les deux caractéristiques de troubles constatés en juillet avec TL = 6,1 (valeur moyenne) et TL = 4,3 (situation extrême de valeur moyenne moins l’écart standard) de nouveau selon le tableau 1.1.4-1. Les valeurs extrêmes sont importantes pour les calculs d’interprétation et des examens énergétiques peuvent, à côté des valeurs qui aujourd’hui et déjà depuis quelques années sont comprises essentiellement comme étant directes, trouver également une autre application de ces valeurs moyennes. Des valeurs mesurées du rayonnement global G (la somme du rayonnement direct et diffus reçue à l’horizontale) sont actuellement disponibles dans 42 stations du réseau de mesure du service météorologique allemand (DWD) 6. 1. Foitzik L. et H. Hinzpeter – Rayonnement solaire et air trouble. Geest et Portig, 1958. 2. Linke F. et K. Boda – Propositions pour calculer le degré de trouble de l’atmosphère. Revue météorologique 39 (1922), page 61 et suivantes. 3. Selon DIN 4710:1982-11. 4. Kasten et al. – Répartition dans l’espace et dans le temps du rayonnement solaire en RFA. Rapport de recherche BMFT T84-125, 1984. 5. VDI 2078:1996-07 et DIN 4710:2003-01. 6. Se reporter à DIN 4710:2003-01 pour plus d’informations.

38

1.1.4 Rayonnement solaire

1.1 • Données météorologiques de base

Tableau 1.1.4-1 – Facteurs de trouble et rayonnement pendant les jours sans nuage (latitude 50° nord) Trouble moyen (rayonnement diffus élevé)

Trouble faible (rayonnement total élevé)

Rayonnement maximal sur surface normale

Mois

Janvier Février Mars Avril Mai Juin Juillet Août Septembre Octobre Novembre Décembre

TL

3,7 4,1 4,6 5,1 5,3 6,1 6,1 5,9 5,4 4,2 3,6 3,5

Idir W/m2

Idif W/m2

Itotal W/m2

591 663 714 725 738 682 670 649 629 643 598 538

157 188 209 216 211 223 228 233 228 189 152 137

748 851 923 941 949 905 898 882 857 832 750 675

Idir W/m2

Idif W/m2

Itotal W/m2

748 795 860 883 883 830 820 810 779 800 706 671

123 152 164 164 162 176 180 183 183 146 129 113

871 947 1 024 1 047 1 045 1 006 1 000 993 962 946 835 784

2,7 3,1 3,3 3,5 3,7 4,3 4,3 4,1 3,9 3,0 2,9 2,7

1 DONNÉES DE BASE

TL

Rayonnement maximal sur surface normale

Rayonnement solaire direct

al

H

Normal izon or t

Heure solaire

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

-3

Fig. 1.1.4-2 : Rayonnement solaire direct sur des murs orientés différemment en juillet à une latitude nord de 50° avec un facteur de trouble TL = 4,3 (trouble léger).

Rayonnement solaire direct sur une surface quelconque

À partir des chiffres du tableau 1.1.4-2, on peut constater que le rayonnement solaire direct se détermine facilement sur n’importe quelle surface au moyen des fonctions trigonométriques). 1 Le rayonnement résulte généralement de Idir norm et se diffuse sur une surface généralement inclinée à la verticale sous l’angle a. Ia = Idir norm.cos η avec η = angle situé entre la normale à la surface et la direction du rayonnement solaire (fig. 1.1.4-3). Il s’ensuit : cos η = cos h . cos α . cosβ + sin h . sin α avec h = hauteur du soleil β = ao ± aw = angle d’ouverture horizontal ao = azimut du Soleil aw = azimut de la surface α = angle d’inclinaison de la surface par rapport à la verticale. Pour les surfaces verticales (α = 0), on en déduit : cos η = cos h . cos β 1. VDI 2078-28:1996-07

39

1.1.4 Rayonnement solaire

1.1 • Données météorologiques de base

Verticale par rapport à l’horizon

Les valeurs de h, ao et aw se calculent en fonction de chaque latitude et longitude ainsi que pour chaque période donnée, ou peuvent être déduites de tableaux astronomiques. Hauteur du Soleil en fonction de la saison : voir fig. 1.1.4-4.

Angle d’incidence η

Hiver

Hauteur h

ra ar ep

al r tic Ve mur au

Su

or t

pp

Azimut

Azimut par rapport au mur aw

Été

Automne

d Mois

Fig. 1.1.4-3 : Hauteur du Soleil, azimut et angle d’incidence.

-4

Printemps

Hauteur du Soleil h

Soleil

rd

No

Fig. 1.1.4-4 : Hauteur du Soleil h vers 12 h et 15 h à 50° de latitude nord.

Rayonnement diffus1

1

La proportion de rayonnement déviée par les molécules de l’air lors du passage à travers l’atmosphère terrestre parvient à la surface de la Terre sous la forme de « rayonnement solaire diffus à ondes courtes ». Le trouble de l’atmosphère signifie un affaiblissement du rayonnement solaire direct, mais une augmentation du rayonnement diffus (comparaison dans le tableau 1.1.4-1). À ce rayonnement diffus se rattachent également les rayons qui sont réfléchis par l’environnement (maisons, murs, montagnes, rues, etc.) sur la surface en question, si bien que, du fait de la diversité des possibilités existantes, un calcul ne pourra donner que des résultats approximatifs. Le calcul a été effectué, selon le tableau 1.1.4-2, lors des conversions du rayonnement sur des surfaces verticales avec un horizon dégagé et un facteur de réflexion du sol environnant de r = 0,2. La fig. 1.1.4-5 met en évidence le rayonnement diffus sur des surfaces verticales pour des troubles mesurés en juillet et en janvier, selon le tableau 1.1.4-1.

Rayonnement solaire diffus (W/m2)

Juillet

Heure solaire (h) Rayonnement solaire diffus (W/m2)

Janvier

Fig. 1.1.4-5 : Rayonnement solaire diffus en janvier et en juillet, à 50° de latitude nord pour un trouble moyen et léger, selon le tableau 1.1.4-2.

Heure solaire (h)

Il est à noter que le rayonnement solaire diffus existe pour tous les points cardinaux. Il est aussi présent sur les surfaces ombragées et sur les bâtiments orientés au nord. ^

^

1. Pu s ka s J. HLH 6/74, page 179/81.

40

1.1.4 Rayonnement solaire

1.1 • Données météorologiques de base

Tableau 1.1.4-2 – Cycles quotidiens du rayonnement solaire direct et diffus en Wm2 le 23 juillet, 50° de latitude nord (selon la nouvelle version de DIN 4710 de janvier 2003) a) Trouble : valeur moyenne TL = 6,1 (de préférence pour des analyses énergétiques) Heure locale en h 4 (20

5 19

18 6

19 5

20 4)

Dir. Dif.

0 0

65 70

224 382 500 580 631 660 670 660 631 580 500 382 224 163 212 235 240 235 230 228 230 235 235 235 212 163

65 70

0 0

Horizontale Dir. Dif.

0 0

7 42

59 161 283 401 496 559 581 559 496 401 283 161 93 129 155 173 186 191 193 191 185 173 155 129

59 93

7 42

0 0

S

Dir. Dif.

0 0

0 28

0 0 69 166 252 312 333 312 252 166 69 0 66 103 140 173 200 215 220 215 200 173 140 103

0 66

0 28

0 0

SO (SE)

Dir. Dif.

0 0

0 27

0 59

0 0 0 0 107 235 334 388 389 336 235 113 85 108 131 156 181 203 219 227 221 200 164 110

23 43

0 0

O (E)

Dir. Dif.

0 0

0 27

0 59

0 0 0 0 0 0 160 296 385 407 346 210 84 104 120 136 151 168 189 208 219 220 199 150

59 64

0 0

NO (NE)

Dir. Dif.

0 0

0 29

0 61

0 0 0 0 0 0 0 31 155 239 254 184 85 104 120 134 143 149 155 163 171 176 169 139

60 65

0 0

N

Dir. Dif.

0 0

26 45

50 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 14 88 107 120 130 138 144 145 144 138 130 120 107

26 45

0 0

19 5

20 4)

0 158 379 551 667 740 785 811 820 811 785 740 667 551 379 158 0 65 140 175 190 192 187 182 180 182 187 192 190 175 140 65

0 0

Horizontale Dir. Dif.

0 0

17 100 232 378 512 618 687 711 687 618 512 378 232 100 39 78 103 120 134 143 148 150 148 143 134 120 103 78

17 39

0 0

S

Dir. Dif.

0 0

0 27

0 60

0 92 212 314 383 407 383 314 212 92 92 125 154 178 192 197 192 178 154 125

0 60

0 27

0 0

SO (SE)

Dir. Dif.

0 0

0 26

0 54

0 0 0 0 132 288 410 483 497 448 339 192 78 100 121 144 165 183 195 199 191 172 141 97

56 41

0 0

O (E)

Dir. Dif.

0 0

0 26

0 54

0 77

0 0 0 0 0 197 369 491 542 500 355 143 97 113 129 142 156 171 184 190 187 169 130 60

0 0

NO (NE) Dir. Dif.

0 0

0 27

0 56

0 78

0 0 0 0 0 0 38 197 319 367 311 147 97 113 127 136 142 145 150 152 153 145 121 61

0 0

Dir. Dif.

0 0

65 42

84 79

20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 96 109 121 130 137 139 137 130 121 109

Normale

6 18

7 17

8 16

9 15

10 14

11 13

12 12

13 11

14 10

15 9

16 8

17 7

50 88

b) Trouble : valeur moyenne moins écart standard TL = 4,3 (pour des valeurs extrêmes, charge froide) (comparaison paragraphe 4.5.3-8, page 1520) Heure locale en h

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

(0-Orientation) Normale

N

Dir. Dif.

4 (20

5 19

6 18

7 17

8 16

9 15

10 14

11 13

12 12

13 11

14 10

15 9

16 8

17 7

0 92

20 96

18 6

84 79

65 42

0 0

41

1 DONNÉES DE BASE

(0-Orientation)

1.1 • Données météorologiques de base

-5

1.1.4 Rayonnement solaire

Rayonnement thermique atmosphérique

L’atmosphère réchauffée par le rayonnement solaire envoie sur la surface de la Terre, en raison notamment de sa teneur en vapeur d’eau, un rayonnement à grande longueur d’onde spécifique (rayonnement thermique atmosphérique, également appelé autrefois « contre-rayonnement »), lequel est néanmoins compensé par le rayonnement diffus relativement important de la surface terrestre. Selon l’humidité de l’air et la température de la surface de la Terre, la différence entre le flux de rayonnement et la diffusion de ce rayonnement provoque une perte de rayonnement d’environ 80 à 100 W/m2, ce qui explique la baisse de température des surfaces horizontales par rapport à l’environnement, que l’on peut tout particulièrement constater durant les nuits claires d’hiver (formation de givre sur les toits des voitures). Pour des toits en verre, ce phénomène doit absolument être surveillé (contrôle des points de condensation) !

-6

Rayonnement total1

1

On appelle rayonnement total la somme des rayonnements directs et diffus, qui peut aussi prendre le nom de rayonnement global, sur une surface de réception horizontale (sans influence de l’environnement). Des valeurs pour différents facteurs de trouble au mois de juillet figurent sur le tableau 1.1.4-2 et la fig. 1.1.4-7. La fig. 1.1.4-6 montre le rayonnement global moyen pour les différents mois et les jours de rayonnement sur une surface horizontale en fonction du moment de la journée. Heure solaire

Fig. 1.1.4-6 : Rayonnement total en W/m2 les jours sans nuage (incidence sur une surface horizontale) (référence : trouble léger correspondant au tableau 1.1.4-2). Mois Rayonnement total (direct et diffus)

Horizontal

Fig. 1.1.4-7 : Rayonnement total sur des murs orientés différemment en juillet à une latitude de 50° nord et avec un facteur de trouble TL = 4,3 (trouble léger) (voir aussi VDI 2078:1996-07, Tab. A9, et DIN 4710:2003-01, Tab. 7.1.2.2).

Normal

Heure solaire

Voir VDI 2078 de juillet 1996 pour des informations supplémentaires en ce qui concerne le calcul de la charge de froid, DIN 4710 de janvier 2003 et VDI 2067 pour des calculs d’énergie. Pour des heures d’ensoleillement, se reporter au tableau 1.1.4-4. 1. Aydinli S. : rapports de recherche des revues de la VDI. Série 6 n° 79, édition VDI.

42

1.1.4 Rayonnement solaire

La somme quotidienne des rayonnements global et diffus les jours sans nuage figure sur le tableau 1.1.4-3. Pour les valeurs journalières moyennes, se reporter au tableau 1.1.4-5. Outre les données mathématiques faisant référence à des troubles déterminés, le service météorologique allemand a désormais installé un réseau de mesures avec les mesures de rayonnement à long terme collectées entre-temps. La DIN 4710 de janvier 2003 contient les résultats de mesures du rayonnement en tant que valeurs horaires, et en tant que sommes quotidiennes, mensuelles ainsi qu’annuelles en ce qui concerne le rayonnement global et le rayonnement solaire diffus, et ce essentiellement pour le cycle de 14 ans entre 1980 et 1994. Par la suite, la somme de rayonnement global annuelle en Allemagne varie entre 930 kWh/m2.an (Hambourg-Sasel) et 1 124 kWh/m2.an (Weihenstephan). À Potsdam (Berlin), le chiffre est de 1 000, Passau (Munich) 1 111, et Mannheim (soit Francfort) 1 050 kWh/m2.an. Tableau 1.1.4-3 – Sommes quotidiennes du rayonnement direct D, du rayonnement diffus du ciel H, ainsi que du rayonnement global G sur des surfaces horizontales les jours sans nuage. (calculs pour une latitude géographique de 50° et pour différents mois) en Wh/m2.jour (DIN 4710:2003-01) Wh/(m2.jour) Trouble moyen

Wh/(m2.jour) Trouble léger

Mois

Janvier Février Mars Avril Mai Juin Juillet Août Septembre Octobre Novembre Décembre

D

H

G

D

H

G

979 1 748 2 971 4 095 5 056 4 898 4 514 3 594 2 577 1 691 983 658

562 834 1 240 1 659 1 962 2 235 2 131 1 798 1 370 839 542 420

1 541 2 582 4 211 5 754 7 018 7 133 6 645 5 392 3 947 2 530 1 525 1 078

1 295 2 179 3 733 5 226 6 335 6 258 5 800 4 715 3 342 2 202 1 196 851

429 659 943 1 235 1 496 1 762 1 681 1 395 1 083 631 452 338

1 724 2 838 4 676 6 461 7 831 8 020 7 481 6 110 4 425 2 833 1 648 1 189

Tableau 1.1.4-4 – Rayonnement global sur des surfaces horizontales et durée d’ensoleillement à Hambourg (DIN 4710 de janvier 2003) (tableau 7.2, 8.2, ou 9,3)

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Rayonnement Mois [kWh/m2.jour]

Possible

Évalué en moyenne

Durée d’ensoleillement Moyenne

Possible

[h]

[h]

[%]*)

Janvier Février Mars Avril Mai Juin

1,23 2,31 4,18 6,09 7,61 7,90

0,52 1,12 1,98 3,54 4,83 4,69

42 67 105 161 217 222

280 311 343 419 198 196

15,0 21,5 30,6 38,4 43,6 44,8

Juillet Août Septembre Octobre Novembre Décembre

7,27 5,75 3,95 2,31 1,17 0,77

4,74 3,94 2,61 1,51 0,68 0,37

207 207 141 100 53 35

539 434 360 340 269 230

38,4 47,7 39,2 29,5 19,7 15,2

*) En moyenne sur l’année 32 %

43

1 DONNÉES DE BASE

1.1 • Données météorologiques de base

1.1.4 Rayonnement solaire

1.1 • Données météorologiques de base

Tableau 1.1.4-5 – Rayonnement global moyen journalier et mensuel, et valeurs moyennes annuelles sur des surfaces horizontales dans différentes villes (DIN 4710 de janvier 2003, Tableau 8.2.1 et 8.3.1) Potsdam (Berlin)

Hambourg

Passau (Munich)

Mois Wh/m2.jour

kWh/m2.mois

Wh/m2.jour

kWh/m2.mois

Wh/m2.jour

kWh/m2.mois

Janvier Février Mars Avril Mai Juin

599 1 219 2 186 3 652 4 997 4 954

18,57 34,13 67,77 109,56 154,91 148,62

521 1 116 1 978 3 537 4 829 4 694

16,15 31,25 61,32 106,11 149,70 140,82

844 1 742 2 597 3 971 5 195 5 113

26,16 48,78 80,51 119,13 161,05 153,39

Juillet Août Septembre Octobre Novembre Décembre

5 168 4 311 2 896 1 751 740 452

160,21 133,64 86,88 54,28 22,20 14,01

4 744 3 943 2 610 1 511 682 366

147,06 122,23 78,30 46,84 20,46 11,35

5 394 4 707 3 262 2 017 953 645

167,21 145,92 97,86 62,53 28,59 20,00

Année

2 753

1 004,78

2 552

931,59

3 044

1 111,13

Tableau 1.1.4-6 – Sommes annuelles en kWh/m2.an du rayonnement global dans différentes localités*) Berlin (Potsdam) Hambourg Munich (Passau

1 005 932 1 111

Zurich Vienne Paris

1 000 1 120 1 500

Marseille Floride Sahara

1 860 1 800 2 500

*) Tiré de DIN 4710:2003-01 entre autres.

Tableau 1.1.4-7 – Somme du rayonnement journalier total sur des surfaces orientées différemment (d’après DIN 4710 de janvier 2003) (tableau 7.2.2-2) (latitude 50°) (trouble léger) en kWh/m2.an Mois

-7

Normal

Horiz.

N

NE/NO

E/O

SE/SO

S

24 janvier 20 février 22 mars 20 avril 21 mai 21 juin

5,76 7,21 9,34 10,97 12,22 12,00

1,72 2,84 4,67 6,46 7,83 8,02

0,38 0,58 0,88 1,27 1,92 2,23

0,43 0,77 1,51 2,36 3,23 3,43

1,48 2,17 3,24 4,12 4,73 4,71

3,58 4,24 4,95 5,11 4,98 4,70

4,84 5,47 5,75 5,17 4,40 4,02

23 juillet 24 août 22 septembre 23 octobre 20 novembre 20 décembre

11,44 10,17 8,55 7,25 5,41 4,47

7,48 6,11 4,42 2,83 1,65 1,19

1,191 1,29 0,91 0,56 0,38 0,28

3,08 2,25 1,45 0,77 0,43 0,29

4,48 3,86 3,01 2,18 1,40 1,02

4,75 4,82 4,59 4,25 3,39 2,90

4,26 4,92 5,35 5,49 4,57 3,97

Rayonnement solaire et fenêtres1

1

Ces dernières années, sous l’influence de l’architecture moderne, les surfaces des fenêtres sont devenues de plus en plus importantes. En effet, autrefois, les fenêtres occupaient 20 % environ de la surface des murs extérieurs alors qu’aujourd’hui cela va jusqu’à 50 %, notamment dans les bureaux, voire plus selon les endroits. Cependant, les grandes surfaces vitrées favorisent d’une part les déper1. Künzel H.et W. Franck – Ges.-Ing. 1/2 -79 page 85/92 Hauser G. – Physique du bâtiment 1/79 .page 12/17 et TAB 12/79 page 1015/9 Müller H. : HLH 12/79 page 467/72 Aydinli S. et J. Krochmann : TAB 7/8-84 page 1015/9

44

1.1.4 Rayonnement solaire

ditions thermiques en hiver, et d’autre part, les apports solaires en hiver et en été. Mais le vitrage isolant actuel, même sur de grandes surfaces, répond parfaitement bien au décret de janvier 1995 sur l’isolation ainsi que celui de 2000 EN-EV sur les nouvelles mesures d’économie d’énergie (kfe = 1,5 W/m2.K, voire plus petit). C’est grâce aux vitrages isolants et aujourd’hui aux fenêtres en verre plus grandes que la demande de disposition de janvier 1995 sur l’isolation thermique mais également, avec certaines limites tout de même, les mesures d’économie d’énergie EN-EV de 2000, ont pu être satisfaites. En hiver et à l’intersaison, la majeure partie des apports de chaleur viennent du sud, par contre de l’est et de l’ouest en été (comparaison des fig. 1.1.4-8 et 1.1.4-7). Le maximum des apports, compte tenu des jours sans nuage, se situe du côté sud avec 5,75 kWh/m2 par jour en mars et ils sont aussi élevés en février, septembre et octobre (comparaison au tableau 1.1.4-7). Les températures de l’air intérieur sont toujours les plus élevées du côté ouest, alors que, malgré l’accumulation de chaleur et du fait de températures extérieures matinales assez basses, elles sont nettement moins élevées du côté est. Afin de combattre la chaleur solaire très intense de l’été, des installations de climatisation sont souvent indispensables dans des bâtiments à grandes baies vitrées, notamment lorsqu’il n’existe aucun dispositif de protection solaire et que l’inertie thermique s’avère faible, comme dans les types de constructions légères1. Les pièces aux murs épais réalisés avec des matériaux de construction lourds se réchauffent nettement moins, car elles présentent une grande capacité thermique. Pour l’augmentation de la température intérieure dans des pièces normales à grandes fenêtres, sans isolation ni climatisation : voir fig. 1.1.4-10 et 1.1.4-11 qui ne doivent, bien sûr, ne donner qu’une idée approximative. Le mobilier, les tapis, les revêtements des murs et des plafonds diminuent l’inertie thermique. Se référer au paragraphe 1.1.2-2 page 15 pour les possibilités de protection solaire avec vitrages clairs, rideaux, jalousies, stores, balcons en hauteur ou toits. Avec le rayonnement solaire (fig. 1.1.4-12), la température de surface des murs et des toits peut devenir très élevée2. L’incidence de la réflexion du rayonnement joue, bien entendu, un rôle essentiel. Les surfaces de couleurs foncées deviennent nettement plus chaudes que les surfaces de couleurs claires ou métallisées. En hiver, le rayonnement solaire compense les pertes de chaleur à travers les fenêtres. Les fenêtres orientées au sud peuvent, par rapport aux façades sans fenêtre, permettre une économie d’énergie de l’ordre de 15 % environ de la consommation annuelle de chaleur 3. Se référer au paragraphe 1.12.1-4 page 456 pour l’utilisation passive de la chaleur solaire.

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-8

Ensoleillement annuel4

Pour presque toutes les données précédentes, on avait supposé que le ciel n’était pas couvert et que le Soleil rayonnait sans interposition de masque (tableau 8 de DIN 4710). Les valeurs de rayonnement qui en résultent sont déterminantes pour évaluer les puissances nécessaires de refroidissement des installations de climatisation.4 Afin de déterminer les frais d’exploitation, on doit connaître la durée réelle d’ensoleillement et le rayonnement reçu au cours de l’année. Cependant, ceux-ci sont tant temporairement que localement soumis à de grandes variations. Tableau 1.1.4-4 jusqu’au tableau 1.1.4-6 et fig. 1.1.4-9. La durée d’ensoleillement sur un an varie entre 1 423 heures à Essen et 1 693 heures à Potsdam (Berlin). La moyenne annuelle du rapport durée réelle d’ensoleillement/durée d’ensoleillement possible est d’environ 0,32 (ensoleillement réel SSO) : voir tableau 1.1.4-4. Le rayonnement global moyen oscille entre 0,5 kWh/m2.jour en janvier et 5,5 kWh/m2.jour en juin selon le tableau 1.1.4-5. Le rapport entre rayonnement possible et mesuré est d’environ : 0,55… 0,60 sur surfaces horizontales, surfaces orientées à l’est et à l’ouest ; 0,45… 0,50 sur des surfaces orientées au sud ; 0,90 sur des surfaces orientées au nord. Les quantités d’énergie moyennes reçues grâce au rayonnement global sur un an dans les différentes régions d’Allemagne sont représentées en kWh/(m2.an) sur la fig. 1.1.4.13. 1. Hauser G. et K. Gertis : Ki 2/80 page 71/82. Holz D. et H. Künzel : Ges.-Ing. 3/80. page 49/56 Rouvel L. – rapport de congrès, Berlin, 1980 page 169/72 2. Reinhard K. : Ki 6/78 page 235/40 3. Hauser G. et K. Gertis : Ki 3/79 page 283/7 Rouvel L. et B. Wenzel : HLH 8/79 page 285/91 Werner H. : Ges.-Ing. 3/80 page 63/8 et 3/81 page 121/6 Hauser G. : HLH cahier 4, 5 et 6/1983. Hönnmann W. : LTG, TI N° 61/1984 et CCI 12/83 page 16/26. Kast W. Et Otten : HLH 12/88 page 558/561. 4. Krochman J. : Technique de la lumière 74 page 428/9 et 466/8 TAB.4/7 page 405/8.

45

1 DONNÉES DE BASE

1.1 • Données météorologiques de base

1.1.4 Rayonnement solaire

1.1 • Données météorologiques de base

Rayonnement global (direct et diffus)

Durée d’ensoleillement

Heures Mois Berlin

Essen

Heure solaire

Mois

Fig. 1.1.4-8 : Rayonnement en septembre sur des murs orientés différemment, à 50° de latitude nord et avec un facteur de trouble TL = 3,9 (trouble léger) (voir aussi VDI 2078 de juillet 1996, tableau A9, et DIN 4710 de janvier 2001, tableau 7122).

Température ambiante en °C

Construction de type légère S

Fig. 1.1.4-9 : Cycle annuel de la durée d’ensoleillement à Berlin et Essen.

Construction de type lourde

O

E O

E S N

Heure en h

N

Heure en h

bé ton ce llu l

cm

de

15 cm de brique

15

Température de l’air ambiant

re ai

15 cm de béton lourd Heure

Fig. 1.1.4-11 : Température de l’air ambiant en fonction du rayonnement solaire à travers les fenêtres du côté sud. Mi-juin, 40 % de fenêtres.

46

Température superficielle

Fig. 1.1.4-10 : Cycle de température de l’air d’une pièce par journées estivales très chaudes (exemple d’après Rouvel), sans protection solaire ni aération.

Béton

sans avec

Isolation

Heure de la journée

Fig. 1.1.4-12 : Températures de surface de toits ensoleillés.

1.1 • Données météorologiques de base

1.1.4 Rayonnement solaire

DONNÉES DE BASE

1

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Fig. 1.1.4-13 : Rayonnement global en Allemagne. Somme annuelle moyenne en kWh/m2.an.

-9

Ensoleillement selon différentes latitudes

Pratiquement la totalité des interprétations actuelles concernant le rayonnement est adaptée aux conditions de l’Europe centrale, en priorité au niveau de 50° de latitude nord. La directive VDI 4710.1 1 a été créée afin de répondre aux exigences de la globalisation et comprend des informations complètes sur les stations situées hors Europe. Outre des données de mesure, elle contient une documentation détaillée permettant le calcul du rayonnement solaire, et ce au niveau planétaire pour les latitudes de ± 70° à 0° (équateur) en pas de 5°. Le paramètre reste le facteur de trouble TL ; on dispose selon le cas de trois facteurs de trouble pour caractériser l’atmosphère locale. Le calcul revient à S. Aydinli avec recours aux mêmes systèmes de programme lui ayant également permis de fournir les données de rayonnement en Allemagne (voir DIN 4710, VDI 2078) 2. Les figures suivantes montrent le profil des courbes de rayonnement total à titre d’exemple seulement, pour janvier, avril et avril – une fois à +5° de latitude (région équatoriale) et une fois à 65° de latitude (fig. 1.1.4-14 à 1.1.4-19).

1. VDI 4710,1-08-12. 2. Aydinli, S. : Diss. TU Berlin 1981, cf. également Fortschr. Ber. VDI, série 6, N° 79 Düss. 1981. Aydinli, S. : Rayonnement calorifique en intérieur par rayonnement solaire. Physique du bâtiment vol. 5 (1983) H. 4.

47

1.1.5 Vent

Rayonnement total (Wh/m2 par heure)

Rayonnement total (Wh/m2 par heure)

1.1 • Données météorologiques de base

norm hor SE SO E S O

NE

NO N

norm hor E NE

SE SO

S

Heure locale [h]

Heure locale [h]

Fig. 1.1.4-15 : Valeurs de référence calculées du rayonnement solaire total par ciel dégagé à 5° de latitude nord, avril, TL = 4.

Rayonnement total (Wh/m2 par heure)

Rayonnement total (Wh/m2 par heure)

Fig. 1.1.4-14 : Valeurs de référence calculées du rayonnement solaire total par ciel dégagé à 5° de latitude nord, janvier, TL = 4.

norm hor NE E

O NO

NO O N

SE SO S

norm

S

SE SO O

E hor

NE N NO Heure locale [h]

Heure locale [h]

norm

SE S SO

E

O

hor

NE

NO N

Heure locale [h]

Fig. 1.1.4-18 : Valeurs de référence calculées du rayonnement solaire total par ciel dégagé à 65° de latitude nord, avril, TL = 2,5.

116

Fig. 1.1.4-17 : Valeurs de référence calculées du rayonnement solaire total par ciel dégagé à 65° de latitude nord, janvier, TL = 2,5.

Rayonnement total (Wh/m2 par heure)

Rayonnement total (Wh/m2 par heure)

Fig. 1.1.4-16 : Valeurs de référence calculées du rayonnement solaire total par ciel dégagé à 5° de latitude nord, juillet, TL = 4.

norm E NE

SE

S

SO

O

hor

NO

N

Heure locale [h]

Fig. 1.1.4-19 : Valeurs de référence calculées du rayon nement solaire total par ciel dégagé à 65° de latitude nord, juillet, TL = 2,5.

1.1.5 Vent1 1

En raison de différences de pression entre l’intérieur et l’extérieur, l’air froid extérieur pénètre du fait d’infiltrations par les fenêtres, portes, conduits de jalousie, etc. ; le vent peut avoir une influence consi-

1. Mattendorf, E. : HLH 3/76 page 93/6. Frank, W. : Ges.-Ing. 1/2 (78) page 3/7. Wolfseher, U., et K. Gertis : Ges.-Ing. 9/78. 8 S. Hausladen, G. : HLH 1/78 page 21/8.

48

1.1.5 Vent

dérable sur les besoins en chaleur d’une pièce. Celui-ci peut provoquer également des courants d’air. C’est pourquoi, afin de favoriser les économies d’énergie, la perméabilité des ouvrants au niveau des fenêtres et des portes est limitée. Le renouvellement d’air n moyen par heure atteint, pour les anciennes fenêtres, des valeurs oscillant entre 0,5 et 1,0 (volume/h) avec des pointes ponctuelles qui varient. Depuis peu, les fenêtres sont particulièrement étanches et limitent les courants d’air à environ un dixième de ces valeurs. Ainsi, le besoin minimum d’aération requis actuellement par l’hygiène est inférieur à celui des habitations mentionnées ci-dessus n = 0,5… 1,0 volume/h. Les déperditions calorifiques, par transmission thermique des parois d’une part et par renouvellement d’air d’autre part, sont calculées selon la norme EN 12831: 2003-8, y compris son annexe nationale Allemande, qui en permet le calcul (voir paragraphe 2.4.1 page 877. Pour le renouvellement d’air, le calcul des infiltrations s’effectue à partir du volume de la pièce, du taux n 50 (calculé sur la base d’une différence de pression de 50 Pa entre l’intérieur et l’extérieur), affectés de facteurs tenant compte de l’exposition et de l’effet de l’altitude. La DIN 4701-3:1989-08 relative au dimensionnement des corps de chauffe a été supprimée. Il faut également prêter attention à l’influence du vent sur les installations de ventilation. On constate en effet une surpression du côté du bâtiment face au vent, et une dépression du côté situé à l’abri du vent (fig. 1.1.5-1).

Tourbillon Vent

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Fig. 1.1.5-1 : Influence du vent sur un immeuble.

Un ventilateur en fonctionnement du côté face au vent aura un débit d’air moindre en cas de coup de vent en raison de la plus forte résistance au vent, par contre un débit d’air plus élevé du côté abrité. Les ventilateurs basse pression sont plus fortement influencés que les ventilateurs à pression élevée. En cas de bâtiments rapprochés, des modifications de la répartition de la pression d’air peuvent survenir en raison d’une influence réciproque. Notamment dans le cas de grands bâtiments en centre-ville, il s’avère nécessaire d’évaluer au préalable l’impact de la construction d’un nouvel immeuble sur le fonctionnement des installations de ventilation du voisinage, en modifiant la direction du couloir du vent. On acquiert ainsi des connaissances importantes sur les modifications du microclimat à cet endroit. Il est donc possible d’apporter des corrections à la géométrie du bâtiment et de réévaluer cet essai. Le danger de rejet d’émissions peut alors être examiné et expliqué. L’installation de tours aéroréfrigérantes sur les toits exige également de ne pas négliger l’influence du vent. Deux facteurs sont essentiels dans l’influence du vent : la vitesse et la direction de celui-ci. Vitesse du vent. La vitesse moyenne du vent est mesurée dans les stations météorologiques avec l’anémomètre de Schalenkreuz, le plus souvent à altitude élevée, environ 20 à 30 mètres. On différencie un cycle quotidien et un cycle annuel. Les différences dans le cycle quotidien sont faibles et peuvent être négligées pour les études de génie climatique. Il apparaît (fig. 1.1.5-2) que pour le cycle annuel, la vitesse moyenne du vent est surtout, en Allemagne, plus élevée en hiver qu’en été ; en outre, elle est plus importante à proximité des côtes que dans l’intérieur du pays. Des enquêtes récentes sur la consommation de chauffage, réalisées à la demande du ministère fédéral des Travaux Publics, révèlent précisément pour cette raison des résultats de consommations nettement plus élevés pour les bâtiments situés à proximité des côtes. Toutefois, la fig. 1.1.5-2 montre aussi qu’il semble y avoir une baisse continue de la vitesse du nord au sud. À noter plus spécialement des valeurs extrêmement faibles pour Passau. Dans plus d’une région, des noms spécifiques se sont imposés pour désigner certains vents, comme le Föhn (côté nord des Alpes) et le Mistral (Sud de la France). La vitesse du vent augmente avec l’altitude. À 100 m d’altitude, elle est presque 50 % plus élevée qu’à 10 m. Le maximum est atteint vers midi. L’échelle B de Beaufort, qui permet de mesurer la force du vent, présente 12 niveaux. Calcul de la vitesse de l’air v (approximativement) : v = 2 B – 1 en m/s Direction du vent. La direction du vent est indiquée sur les tableaux météorologiques en fonction de la rose des vents octogonale et en pourcentage par rapport aux chiffres observés. La fig. 1.1.5-3 montre

49

1 DONNÉES DE BASE

1.1 • Données météorologiques de base

1.1.5 Vent

1.1 • Données météorologiques de base

Vitesse du vent Brème Hambourg Postdam Mannheim Passau

mois

Fig. 1.1.5-2 : Vitesses moyennes mensuelles du vent dans différentes villes allemandes (DIN 4710:2003-01).

Mannheim Passau

Brême Potsdam

E

E

Fig. 1.1.5-3 : Vitesse du vent annuelle moyenne et direction du vent (DIN 4710:2003-08).

pour Bremerhaven, Potsdam, Mannheim et Passau, les vitesses de vent annuelles moyennes aux différents points cardinaux. Il s’avère que les vents les plus fréquents et les plus forts soufflent depuis l’ouest (ouest, nord-ouest, sud-ouest), une réalité qui vaut pour toute l’Allemagne, même si localement on constate toujours quelques particularités. Exemple : Francfort a par rapport à une influence de vent très nettement sud-ouest une influence de vent nord-ouest presque égale, ceci en raison des vents qui soufflent sur le Taunus tout proche. À noter que les vitesses du vent dans le sud de l’Allemagne (graphique droit) sont nettement inférieures à celles du nord de l’Allemagne. Les vitesses plus élevées en hiver sont particulièrement importantes pour le génie climatique. Il ressort du tableau 1.1.5-1 que les vents excédant 5 m/s avec une fréquence d’environ 70 % soufflent depuis le quadrant ouest. Comme, en outre, les courbes de vitesse et de fréquence sont pratiquement parallèles, les pièces notamment situées à l’ouest ont un besoin de chaleur supplémentaire conditionné par le vent. Au cours de l’année, les vitesses les plus élevées sont relevées en novembre et les plus faibles en aoûtseptembre.

50

1.1.5 Vent

1.1 • Données météorologiques de base Tableau 1.1.5-1 – Fréquence des vents d’une vitesse supérieure à 5 m/s en hiver Fréquence en % N

NE

E

SE

S

SO

O

NO

Fréquence des vents > 5 m/s en %

Kiel

5,5

5,2

5,2

4,9

16,3

28,8

26,7

7,4

32,6

Hambourg

2,6

3,3

8,1

7,0

8,1

37,1

25,0

8,8

27,2

Aix-la-chapelle

1,7

5,0

3,9

2,5

11,9

45,7

22,1

6,2

35,7

Memel

5,1

3,3

3,8

11,9

15,7

24,7

22,8

12,7

36,9

Breslau

3,7

1,2

2,4

10,9

10,6

15,9

37,8

18,3

24,6

Berlin

1,6

3,3

12,3

7,0

4,5

15,2

38,1

18,3

24,4

Leipzig

2,6

9,7

7,0

1,8

14,0

35,1

21,9

7,9

12,4

Munich

0,8

7,0

7,0

0,8

0,8

47,7

32,8

3,1

12,8

Moyenne

3,0

4,8

6,2

5,8

10,2

31,3

28,8

10,3

25,8

DONNÉES DE BASE

1

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Lieu

51

1.2 • NOTIONS DE BASE D’HYGIÈNE

D

Révisé par le Professeur Bjarne W. Olesen, Lyngby (Danemark) (extrait des paragraphes 1.2.4 et 1.2.5).

1.2.1 Régulation thermique chez l’homme1

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1

Alors que les êtres vivants à sang froid comme les poissons et les vers de terre adaptent la température de leur corps à la température de l’environnement, le corps humain a tout comme celui des oiseaux et des mammifères la propriété, quelles que soient les conditions atmosphériques et l’activité physique, de maintenir une température pratiquement constante. Selon les principes fondamentaux de la chaleur, il doit donc exister un certain équilibre entre la chaleur produite dans le corps et celle émise voire stockée par ce dernier. Cette température uniforme du corps est maintenue à 37 ± 0,8 °C grâce au sang, qui en circulant alimente toutes les parties de celui-ci, tout comme l’eau dans un chauffage à pompe. Pour maintenir constante la température du corps quelles que soient les conditions intérieures ou extérieures, une régulation autonome et extrêmement délicate de la température est requise, commandée par le « centre thermorégulateur » dans l’hypothalamus. Les organes sensitifs de cette régulation sont des terminaisons nerveuses dans la peau et dans les centres de chaleur (thermorécepteurs), qui influent tantôt sur la production interne de chaleur, tantôt sur la déperdition de chaleur du corps. Un certain nombre de facteurs agissent sur la régulation physique de température pour adapter l’émission extérieure de chaleur du corps à la température de ce dernier. Ainsi, la déperdition de chaleur enregistrée à diverses reprises est la suivante : 1. par convection de la chaleur de la surface du corps à l’air ; 2. par conduction de la chaleur au contact de surfaces, par exemple les pieds, le siège ; 3. par rayonnement de chaleur de la surface du corps sur les surfaces alentour ; 4. par évaporation de l’eau sur la peau ; 5. par respiration ; 6. par éliminations, ingestion d’aliments, diffusion, etc. Les influences nommées en sixième position sont la plupart du temps si faibles, oscillant entre environ 2 et 3 %, qu’elles peuvent être négligées par rapport aux autres, si bien que seules les cinq sources de perte de chaleur, à savoir la convection, la conduction thermique, le rayonnement, l’évaporation et la respiration jouent un rôle important. Si la température de la pièce est inférieure à la limite du confort et qu’il fait donc trop froid, les vaisseaux sanguins se rétractent, la peau pâlit et se dessèche, et la température à la surface de la peau diminue. Ce faisant, la déperdition de chaleur à l’air baisse, tant par convection, que par rayonnement et évaporation (chair de poule, frissons). Pour une température extérieure encore plus basse, une forte sensation de froid apparaît, qui peut entraîner un refroidissement réel si les températures basses persistent. Il est possible, à l’aide de ISO/DIS 110792 et ISO/DIS 157433, d’évaluer la sensation de froid et le travail dans un milieu froid. C’est au repos que le corps présente la température de peau la plus élevée. En cas d’activité soutenue, la température baisse, si bien que la chaleur s’élimine plus vite. Si par ailleurs la température de l’air dépasse la limite de confort, une plus grande quantité de sang se déverse dans les vaisseaux sanguins, la peau rougit, la température de la surface de la peau augmente, ainsi que la déperdition de chaleur par 1. ASHRAE Fundamentals 2001. DIN 1946-2:1994-01. DIN 33403-1:1984-04 et DIN 33403-2:1984-04, DIN 33403-3:1988-06 : Conditions climatiques sur le lieu de travail. 2. ISO/DIS 11079 (2004) Determination and interpretation of cold stress When using required clothing insulation (IREQ) and local cooling effects. 3. ISO/DIS 15743 (2004) “Working practices for cold environments : Stategy for Risk Assessment and Management”.

53

DONNÉES DE BASE

1 Étant donné que les installations de climatisation et de chauffage jouent un rôle essentiel au plan de l’hygiène, c’est-à-dire assurer dans les pièces le bien-être et préserver la santé des habitants tout comme leur bonne humeur et leur efficacité, il est indispensable que le technicien connaisse les notions essentielles d’hygiène dans l’installation de chauffage ou de climatisation, en raison de leur influence sur la santé des habitants. C’est pourquoi cette technique s’appelait autrefois technique de santé.

1.2.2 Échanges thermiques chez l’homme

1.2 • Notions de base d’hygiène

évaporation et convection à l’air ambiant. Si cette déperdition de chaleur ne suffit pas à rafraîchir suffisamment le corps, les glandes sudoripares présentes sous la peau entrent en action, le corps commence à transpirer, c’est-à-dire à éliminer de l’eau, dont l’évaporation entraîne un net refroidissement. Pour l’évaporation d’1 litre d’eau, le corps perd environ 2 400 kJ. Si même avec une forte transpiration, le refroidissement n’est pas suffisant, c’est là qu’apparaît l’état de malaise thermique, qui entraîne gêne, maux de tête, fatigue et fortes bouffées de chaleur (arrêt de circulation, crampes de chaleur), qu’on peut souvent observer dans des salles de réunion trop remplies et mal aérées.

1.2.2 Échanges thermiques chez l’homme Il est possible, à l’aide de DIN EN ISO 79331 et DIN EN ISO 72432, d’évaluer les contraintes liées au travail dans une ambiance chaude. Pour les calculs de génie climatique, on utilise les valeurs des règles des charges thermiques (VDI 2078:1996-07) indiquées sur le tableau 1.2.2-1. Tableau 1.2.2-1 – Émission de vapeur d’eau et de chaleur chez l’homme (selon les règles des charges thermiques VDI 2078:1996-07*) Activité Repos à travail facile en position debout

Activité corporelle intense

Température de l’air

°C

18

20

22

23

24

25

26

Q tr (sec) Q f (humide) Q ges perte de vapeur d’eau GD

W W W g/h

100 25 125 35

95 25 120 335 5

90 30 120 40

85 35 120 40

75 40 115 60

75 40 115 60

70 45 115 65

Q ges Q

W W

270 155

270 140

270 120

270 115

270 110

270 105

270 95

tr

*) Voir aussi DIN 33403-3:1988-06.

Les facteurs qui suivent exercent une influence sur le bilan thermique et les déperditions : Facteurs personnels : – habillement (résistance thermique Icl, perméabilité à la vapeur d’eau), – activité ; Facteurs d’environnement : – température de l’air ta, – température moyenne de rayonnement tr (température des parois), – vitesse de l’air va, – humidité (absolue, pression partielle de la vapeur d’eau). Lorsque les déperditions thermiques sont plus élevées que la production de chaleur (activité), la température du corps baisse et le travail doit être limité dans le temps. Les conditions encore acceptables, voire la durée du séjour, sont à déterminer suivant ISO/DIS 11079. Lorsque les déperditions thermiques sont inférieures à la production de chaleur, la transpiration et la température du corps augmentent et le travail doit être limité dans le temps. Les conditions encore acceptables, voire la durée du séjour, sont à déterminer suivant DIN EN ISO 7933.

1.2.3 Confort thermique3 3

Bien que l’homme puisse s’adapter aux conditions climatiques extérieures en perpétuel changement (s’acclimater), il y a pourtant une zone définie, la zone de confort, dans laquelle il se sent le mieux. 1. DIN EN ISO 7933:2004 Hot environments – Analytical determination and interpretation of thermal stress using calculation of required sweat rate. 2. DIN EN ISO 7243:2003 Hot environments – Estimation of the heat stress on Working man based on the WBGT-index (Wet Bulb Globe Temperature). 3. ISO/DIS 7730 (2004). Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort.

54

1.2.3 Confort

L’acceptabilité de l’ambiance thermique et la perception du confort et de la température dépendent de la production de chaleur conditionnée par le métabolisme, de l’émission de celle-ci dans l’environnement et des adaptations physiologiques qui en résultent, de la température du corps et de la transpiration. Le manque de confort chaud ou froid peut susciter une insatisfaction (inconfort thermique général, neutralité thermique). Le fait qu’une partie du corps dispose de chaleur ou de froid à un taux indésirable peut pourtant aussi susciter un désagrément (inconfort thermique local comme l’apparition de courants d’air, asymétrie de la température de rayonnement, sols chauds ou froids, gradient de température).

-1

Confort thermique général

La première des exigences pour qu’une ambiance thermique soit acceptable est le fait qu’une personne se sente thermiquement neutre dans l’ensemble de son corps (c’est-à-dire qu’elle ne sache pas s’il est préférable que la température environnante soit plus élevée ou plus basse). La sensation de chaleur est influencée par le type d’activité, la résistance thermique des vêtements, la température de l’air, la température moyenne de rayonnement, la vitesse de l’air et l’humidité (la pression partielle de vapeur d’eau). Ces facteurs peuvent être combinés de multiples manières pour créer une ambiance thermique agréable.

-1.1 Chauffage ou refroidissement mécanique des bâtiments DIN EN ISO 7730 standardise un procédé analytique sur la base de l’indice PMV-PPD, avec lequel les six paramètres mentionnés ci-dessus peuvent se résumer à une valeur sur une échelle de sept points : + 3 (brûlant), + 2 (chaud), + 1 (assez chaud), 0 (neutre), – 1 (assez frais), – 2 (frais) et – 3 (froid). La qualité d’une ambiance thermique peut aussi s’exprimer par le pourcentage prévisible d’insatisfaits (index PPD) ci-dessus mentionné, qui dépend de la valeur PMV (voir tableau 1.2.3-1). Une valeur PMV de zéro correspond à une neutralité thermique.

PMV

+3

+2

+1

+ 0,5

0

– 0,5

–1

–2

–3

PPD

90 %

75 %

25 %

10 %

5%

10 %

25 %

75 %

90 %

On constate que dans les meilleures conditions, il reste encore 5 % d’insatisfaits. La figure 1.2.3-1 donne, pour de l’air à 50 % d’humidité relative, l’ambiance optimale (température opérative) en fonction de l’habillement et de l’activité. Ainsi, on accepte pour la vitesse de l’air la valeur : v = 0 m/s par une activité M < 1 met et v = 0,3 pour M > 1 met Le graphique qui suit donne en pointillé PMV = 0 (neutre), la trame hachurée figure la zone – 0,5 < PMV < + 0,5, ce qui donne PPD = 10 % d’insatisfaits. Les tolérances de température qui en découlent sont également indiquées. Une approximation de la température opérative est donnée par la moyenne de ta et tr. Exemple Activité : assis dans un bureau, soit M = 1,2 met (d’après le tableau 1.2.3-6 page 59) Habillement : habillement sport léger avec veste, soit 1 clo (d’après le tableau 1.2.3-4 page 58) Température opérative optimale : 22 °C

Température opérative optimale Activité M en met

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Tableau 1.2.3-1 – Corrélation entre PMV et PPD

Fig. 1.2.3-1 : Température opérative optimale pour PMV = 0 en fonction de l’activité et de l’habillement (d’après DIN EN ISO 7730). Humidité relative de l’air de 50 %.

Résistance thermique des vêtements

Lignes pointillées PMV = 0, soit 5 % d’insatisfaits. Zone hachurée PMV = ± 0,5, soit 10 % d’insatisfaits.

55

1 DONNÉES DE BASE

1.2 • Notions de base d’hygiène

1.2.3 Confort

1.2 • Notions de base d’hygiène

Un résumé des critères pour l’aération des bâtiments figure dans le rapport CEN CR 1752 1, lequel comprend des exigences de confort thermique, de conditions acoustiques, et de qualité de l’air (y compris les odeurs). Il faut souligner que ces exigences sont définies selon trois catégories de qualité : la catégorie A correspond à un niveau d’attente élevé, la B à un niveau d’attente moyen et la C à un niveau d’attente modéré. Les exigences de confort thermique comme le pourcentage d’insatisfaits pour ces trois catégories figurent sur le tableau 1.2.3-2. Tableau 1.2.3-2 – Trois catégories de qualité de l’ambiance thermique (DIN CR 1752, ISO/DIS 7730) Indices de confort thermique Catégorie de qualité Pourcentage prévisible d’insatisfaits PPD

Vote prévisible moyen PMV

Inconfort thermique Pourcentage d’insatisfaits Courant d’air*)

Gradiant vertical de température de l’air

Asymétrie Température de température du sol de rayonnement

A

50

0,14 0,15 0,16

Vide d’air horizontal Flux thermique vers le bas

10 20 > 50

0,15 0,18 0,21

Lame d’air verticale

-5.3 Différence moyenne de température En général, les températures des fluides le long d’une paroi (surface chauffée ou réfrigérée) ne sont pas constantes. La différence moyenne de température (Δtm = ti – ta) dépend de la conduite des fluides

179

1.3.5 Transmission de chaleur

1.3 Données thermodynamiques…

(courants parallèles, contre-courants ou croisés ; fig. 1.3.5-43). Pour le calcul, les formules suivantes conformes aux désignations de la fig. 1.3.5-43 sont uniformément utilisées, soit : Moyenne arithmétique (on peut utiliser la relation ΔtA/Δt0 ≥ 0,7) :

Δtarith =

Δt0 + Δt A en K 2

t HF ′ + t HF ′′ − t KF 2 Moyenne logarithmique (valeur recommandée !) : Cas particulier : Δtarith =

Δtlog =

Cas particulier : Δtlog =

Δt0 − Δt A en K Δt ln 0 Δt A

t HF ′ − t HF ′′ t HF ′ − t KF ln t HF ′′ − t KF

Exemple Quelle est la différence moyenne de température, lorsqu’à l’entrée de la surface chauffée Δt0 = 31 K et qu’à sa sortie ΔtA = 7 K ?

Δtlog =

31 − 7 = 16,1 K 31 ln 7

Courants parallèles

Courants inversés

Cas particulier : par exemple, celui d’un radiateur dans la pièce

Fig. 1.3.5-43 : Courbes des températures de fluide en fonction du mode d’écoulement.

180

1.3.5 Transmission de chaleur

-5.4 Échangeurs On les utilise de façon diverses et variées, par exemple comme réfrigérant, réchauffeur d’air, appareil à contre-courants eau/eau, dans lesquels un transfert de chaleur s’opère entre deux flux massiques (fluides), séparés par une paroi fixe. Désignations conformes à la fig. 1.3.5-43 : t′HF en °C, température d’entrée du fluide de chauffage t′′HF en °C, température de sortie du fluide de chauffage t′′KF en °C, température d’entrée du fluide de refroidissement t′′KF en °C, température de sortie du fluide de refroidissement Δt0 en K, différence de température à l’entrée de l’échangeur ΔtA en K, différence de température à la sortie de l’échangeur i

C HF en W/K, flux de capacité thermique du fluide de chauffage i

C HF en W/K, flux de capacité thermique du fluide de refroidissement m en kg/s, flux du caloporteur (fluide) c en K/(kg.K), capacité thermique du caloporteur (fluide). Calcul (température de sortie, dimension de la surface à chauffer ou autres) et évaluation de la transmission thermique à l’aide des caractéristiques de fonctionnement (fig. 1.3.5-44 à 1.3.5-46) : – courants parallèles et contre-courants :

Φ=

t HF ′ − t HF ′′ t HF ′ − t KF ′

– courants croisés :

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t′′HF, m en °C, température moyenne de sortie

Fig. 1.3.5-44 : Caractéristiques de fonctionnement d’un échangeur à courants parallèles.

Autres équations (se référer aussi à la fig. 1.3.5-43) : i

i

i

Q = C HF Δt HF = C KF Δt KF = k A Δtlog en W

Δt HF = Φ (t HF ′ − t KF ′ ); Φ Δtlog = (t ′ − t ′ ) kA HF KF

i

i

C HF /C KF = Δt KF /Δt HF

i

C HF k en W/(m2.K), coefficient de transfert thermique A en m2, surface à chauffer

181

1 DONNÉES DE BASE

1.3 Données thermodynamiques…

1.3.5 Transmission de chaleur

1.3 Données thermodynamiques…

Fig. 1.3.5-45 : Caractéristiques de fonctionnement d’un échangeur à contre-courants.

Fig. 1.3.5-46 : Caractéristiques de fonctionnement d’un échangeur à courants croisés (mélange transversal bilatéral).

Pour un même k A, le transfert thermique est le plus important pour des contre-courants, le plus faible pour des courants parallèles et, entre les deux, pour des courants croisés. Le fait qu’un fluide se condense ou s’évapore lors du transfert thermique n’a rien à voir avec le type de courant (les valeurs Φ sont identiques). Exemple Un caloporteur à contre-courants est alimenté par un flux d’eau chaude mKF = 1 kg/s et un flux d’eau bouillante. Les températures d’entrée s’élèvent respectivement à t′KF = 70 °C et t′HF = 140 °C. Quel flux thermique peut donc être transmis, si le produit k A = 2 150 W/K ? i

i

i

i

C KF = 4 200 ⋅ 1 = 4 200 W/K ; C HF = 4 200 ⋅ 0, 5 = 2 100 W/K ; C HF /C KF = 0, 5 i

k A/C HF = 2 150 / 2 100 = 1, 02 à partir de la fig. 1.3.5-44 : Φ = 0,57

182

1.3.5 Transmission de chaleur

1.3 Données thermodynamiques… Vient ensuite : i

Δt HF = 0, 57(140 − 70) = 39, 9 K ; Q = 2 100 ⋅ 39, 9 = 83 790 W ou

Δtlog =

i 0, 57 (140 − 70) = 39,1 K ; Q = 2 150 ⋅ 39,1 = 84 065 W 1, 02

-5.5 Déperdition de chaleur des tubes1 Le calcul est donné paragraphes 1.3.5-5.1 page 177 et 1.3.5-5.2 page 177, sur la base des paragraphes 1.3.5-2.4 page 158 et 1.3.5-3.8 page 174. i Valeurs spécifiques q* pour 1 m de longueur de tuyau pour des tubes non calorifugés, verticaux, horizontaux d’après la fig. 1.3.5-47

1

i

Q = qi ∗ L en W L en m, longueur du tuyau Exemple Un tuyau de chauffage DN 40 (peint en blanc) est posé verticalement sur une longueur de 2,5 m dans une pièce (tL = 20 °C). Quelle est la déperdition de chaleur pour une température de paroi du tuyau de tR = 90 °C ? i

q* = 140 W/m (d’après la fig. 1.3.5-46 ; Δt = 90 – 20 = 70 K) i

Q = 140 . 2,5 = 350 W. Valeurs spécifiques qi ∗∗ pour 1 m de longueur de tube et une différence de température de 1 K pour des tuyaux calorifugés dans des pièces et à l’air libre (tableau 1.3.5-14) i

Q = qi ∗∗ L Δt en W. Température de la surface extérieure t0 dans les pièces :

t0 = t L + 0, 0328 qi ∗∗

Δt en °C da + 2 s

Tableau 1.3.5-14 – Déperdition de chaleur spécifique qi ∗∗ en W/(m.K) de tuyauteries calorifugées d’après DIN 2440:1978-06, DIN 2448:1981-02, DIN 2458:1981-02 (Δisolation = 0,05 W/(m.K)

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

Épaisseur d’isolation 10 en mm

Diamètre nominal du tuyau 15

20

25

32

40

50

65

80

100

125

150

200

250

300

350

400

Pose de canalisations et installation en bâtiment 30

0,192 0,214 0,243 0,277 0,320 0,348 0,404 0,478 0,537 0,653 0,768 0,897 1,125 1,367 1,595 1,737 1,965

40

0,171 0,189 0,213 0,240 0,274 0,297 0,342 0,400 0,447 0,538 0,628 0,730 0,908 1,097 1,275 1,386 1,563

50

0,192 0,216 0,244 0,264 0,301 0,350 0,338 0,464 0,539 0,522 0,769 0,924 1,070 1,161 1,306

60

0,198 0,223 0,240 0,272 0,314 0,348 0,412 0,476 0,547 0,672 0,804 0,928 1,005 1,128

80

0,208 0,234 0,267 0,293 0,344 0,394 0,449 0,548 0,647 0,743 0,802 0,897

100

0,209 0,237 0,259 0,301 0,342 0,387 0,466 0,550 0,627 0,676 0,753

120

0,216 0,234 0,271 0,306 0,344 0,412 0,483 0,548 0,589 0,654

140

0,216 0,248 0,279 0,313 0,372 0,434 0,491 0,526 0,583

1. Glück, B. ; Nebeck, A. : carte de travail du chauffage de la firme ROM, Hambourg 1992. Programmes de calcul, dans : Glück, B. : transmission de chaleur, déperdition de chaleur des surfaces chauffées et tuyauteries (2e édition). Berlin : édition pour le bâtiment 1990.

183

DONNÉES DE BASE

1

1.3.5 Transmission de chaleur

1.3 Données thermodynamiques… Épaisseur d’isolation 10 en mm

Diamètre nominal du tuyau 15

20

25

32

40

50

65

80

100

125

150

200

250

300

350

400

Pose libre 30

0,201 0,225 0,257 0,294 0,340 0,370 0,432 0,512 0,576 0,703 0,828 0,969 1,219 1,483 1,732 1,887 2,135

40

0,177 0,196 0,221 0,250 0,287 0,311 0,359 0,421 0,470 0,568 0,664 0,773 0,964 1,166 1,356 1,475 1,685

50

0,198 0,223 0,253 0,273 0,312 0,364 0,404 0,484 0,563 0,651 0,806 0,970 1,124 1,220 1,374

60

0,203 0,229 0,246 0,280 0,324 0,359 0,426 0,493 0,568 0,698 0,837 0,966 1,047 1,176

80

0,212 0,239 0,273 0,300 0,352 0,404 0,461 0,561 0,666 0,765 0,827 0,925

100

0,212 0,241 0,253 0,306 0,348 0,395 0,477 0,562 0,642 0,692 0,771

120

0,218 0,238 0,275 0,311 0,350 0,419 0,491 0,559 0,600 0,667

140

0,219 0,251 0,283 0,317 0,378 0,440 0,498 0,534 0,592

Tube horizontal (tube en acier d’après DIN 2440 et DIN 2448)

Δt Différence de température de la paroi du tube – Température ambiante

Tube vertical (tube en acier d’après DIN 2440 et DIN 2448)

Δt Différence de température de la paroi du tube – Température ambiante

Fig. 1.3.5-47 : Déperdition de chaleur de tubes non calorifugés dans des pièces.

184

1.3.5 Transmission de chaleur

1.3 Données thermodynamiques… En extérieur :

Δt en °C da + 2 s

L en m, longueur du tube Δt en K, différence de température (ttube – tL) da en m, diamètre extérieur du tube s en m, épaisseur de la couche calorifuge tL en °C, température extérieure ou ambiante Exemple Une tuyauterie en acier DN 50 (da = 60,3 mm ; λ = 0,05 W/(m.K) ; s = 50 mm ; L = 5 m) est posée dans la cave d’une maison (tL = 10 °C), puis parcourue par de l’eau (tF = 90 °C). Quelles sont la déperdition de chaleur et la température de surface ?

qi ∗∗ = 0,301 W/(m.K) (tableau 1.3.5-14) i

Q = 0,301 . 5 . (90 – 10) = 120,4 W t0 = 10 + 0, 0328 ⋅ 0, 301

-6

90 − 10 = 15 °C 0, 0603 + 2 ⋅ 0, 050

Diffusion de la vapeur d’eau1

1

La diffusion de vapeur d’eau est le transfert de vapeur d’eau à travers une épaisseur de matériau par suite de la différence des tensions de vapeur de part et d’autre de cette couche de matériau. Dans le domaine de la construction, la diffusion de vapeur d’eau à travers les murs et les plafonds revêt une importance capitale. Selon l’humidité relative de l’air, de grandes quantités d’eau peuvent traverser les parois et éventuellement y créer de la condensation ; le coefficient de conductivité thermique augmente alors fortement ; le chauffage peut ainsi devenir insuffisant, ce qui entraîne la formation de moisissures et autres dommages. Équation pour l’épaisseur du flux de diffusion (analogue à la transmission thermique) :

i=

pi − pa en kg/(m2h) 1 /Δ

(*)

Perméabilité à la vapeur de n couches de matériaux de construction :

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1 /Δ = 1, 5 ⋅ 10 6 ( μ1s1 + μ2 s2 + …+ μn sn )

en m2.h.Pa/kg (**)

pi en Pa, pression partielle de vapeur d’eau intérieure pa en Pa, pression partielle de vapeur d’eau extérieure 1/Δ en m2 .h.Pa/kg, résistance à la diffusion µ, facteur (sans dimension) de résistance à la diffusion de vapeur d’eau (tableau 1.3.5-15) s en m, épaisseur de l’élément de construction. Le facteur RT/D ≈ 1,5 . 106 Pa.m.h/kg représente la résistance à la diffusion de vapeur d’eau d’un vide d’air de 1 m d’épaisseur. L’épaisseur du vide d’air sd équivalente à une couche de matériau de construction en diffusion résulte de µ s. Exemple Une paroi en briques (36 cm) avec enduit intérieur (2 cm) et isolation extérieure (4 cm) sépare l’air intérieur (ti = 20 °C ; ϕi = 50 %) de l’air extérieur (ta = – 10 °C ; ϕa = 80 %). Quelle quantité de vapeur d’eau se diffuse à travers ce mur extérieur ? Il résulte du tableau 1.3.4-1 les pressions de saturation de 2 337 hPa pour la température intérieure de 20 °C, et de 2,59 hPa pour la température extérieure de 10 °C. À partir de là se calculent les pressions partielles de la vapeur d’eau dans l’air, et ceci en fonction de l’humidité relative :

pi = 2 337 ⋅ 0, 5 Pa = 1 169 Pa ; pa = 259 ⋅ 0, 8 Pa = 207 Pa 1. Glaser, H. Ges.-Ing. 2/86. Voir 85 et suivantes. DIN V 4108-4:2002-02, DIN EN ISO 13788:2001-11.

185

1 DONNÉES DE BASE

t0 = t L + 0,138 qi ∗∗

1.3.5 Transmission de chaleur

1.3 Données thermodynamiques…

Tableau 1.3.5-15 – Les facteurs de résistance à la diffusion μ pour différents matériaux μ sont le rapport de diffusion en vapeur d’eau d’un matériau par rapport à celle de l’air pour lequel μ = 1. (Pour des calculs justificatifs, on doit utiliser les valeurs techniques référentielles de protection contre l’humidité et la chaleur d’après DIN V 4108-4:2002-02 et DIN EN 12524:2000-07) Masse volumique en kg/m3

µ

Mortier de chaux et de ciment allongé

1 800

15 … 35

Mortier et chape de ciment

2 000

15 … 35

Mortier base d’anhydrite et mortier-stuc

1 400

Enduit de gypse sans agrégat

1 200

Béton plein

2 400

Matériau

Béton poreux Béton gaz Béton léger Béton léger et poreux

1 000 … 2 000

Masse volumique en kg/m3

µ

Polystyrène

≥ 15

20 … 50

Mousse de particules en polystyrène

≥ 30

40 … 100

10

Mousse extrudée en polystyrène

≥ 25

80 … 300

10

Mousse rigide en polyuréthanne

≥ 30

30 … 100

70 … 150 Mousse rigide formophénolique

≥ 30

10 … 50

8 … 500

1

100 … 150

∞

Matériau

70 … 150 Fibres minérales et végétales

400 … 800

5 … 10

Verre cellulaire

1 600 … 2 000

3 … 10

Contre-plaqué

5 … 15

Panneaux de fibres durs

1 000

70

Panneaux de fibres poreux

≤ 300

5

600 … 2 000

800

50 … 400

Plaques en amiante-ciment

2 000

20 … 50

Plaques en béton cellulaire

500 … 800

5 … 10

Chêne, hêtre

800

40

Plaques en béton léger

800 … 1 400

5 … 10

Epica

600

40

Plaques murales en plâtre

600 … 1 200

5 … 10

Carton bitumé

1 200

1 000 … 8 000

900

8

Revêtements bitumés bruts

1 200

2 000 … 20 000

Placoplâtres Maçonnerie en clinker Maçonnerie en briques pleines et creuses

2 000

50 … 100 Film PVC > 0,1 mm

20 000 … 50 000

700 … 2 000

5 … 10

Film de polyéthylène > 0,1 mm

100 000

En briques silico-calcaire

1 000 … 1 400 1 600 … 2 200

5 … 10 15 … 25

Feuille d’aluminum > 0,05 mm

∞

En bloc béton cellulaire

500 … 800

5 … 10

Paroi extérieure revêtement de verre ou de céramique

En béton léger et calcaire

500 … 1 400

5 … 10

Enduit calorifuge

500 … 1 400 1 600 … 2 000

5 … 10 10 … 15

360 … 480

2…5

En blocs de béton léger Laine de bois hourdis légers

Couche de peinture la colle, minérale, la chaux (0,1 mm) Matière synthétique peinture dispersion

Mousse de polyuréthane

≥ 37

Mousse de polyuréthane

≥ 10

1…3

Peinture alu (double, 0,6 mm)

80 … 500

5 … 10

Revêtements caoutchouc, linoléum (1,0… 5,0 mm)

Isolant en liège

186

30 … 100 Peinture au latex

2 000 600

100 … 300 5 … 20

180 … 215 380 1 500 50 000 … 150 000 ∞

1.3.5 Transmission de chaleur

1.3 Données thermodynamiques…

D’après l’équation (**) avec les valeurs moyennes tirées du tableau 1.3.5-15 (enduit μ = 2 ; maçonnerie μ = 8 ; enduit d’isolation μ = 10), la résistance de la paroi se calcule comme suit :

1 /Δ = 1, 5 ⋅ 10 6 ( 20 ⋅ 0, 02 + 8 ⋅ 0, 36 + 10 ⋅ 0, 04 ) m 2 .h.Pa/kg = 5, 52 ⋅ 10 6 m 2 .h.Pa/kg L’épaisseur du flux de diffusion s’élève, d’après l’équation (*), à :

1 169 − 207 kg/(m 2 . h) = 1, 74 ⋅ 10 − 4 kg/(m 2 .h) = 0,174 g/(m 2 .h). 5 520 000

1

La courbe de température à l’intérieur de la paroi se calcule d’après le paragraphe 1.3.5-5.2 page 177 au fur et à mesure des étapes suivantes. – Coefficient de transmission thermique avec les résistances à la transmission de chaleur 1/ai = 0,13 m2 .K/W et 1/aa = 0,04 m2 .K/W, ainsi que les conductivités thermiques (par exemple tableau 1.3.5-3) pour enduit intérieur 0,87 W/(m.K), maçonnerie 0,68 W/(m.K) et enduit isolant 0,2 W/(m.K)

k=

1 1 = W/(m 2 .K) n 0, 02 0, 36 0, 04 1 1 sk , 0 13 + + 0 04 + + , +∑ + 0, 87 0, 68 0, 20 α i k =1 λk α a

= 1,08 W/(m 2 .K) – Flux thermique :

q = k (ti − ta ) = 1, 08 ⋅ ( 20 − (−10) ) W/m 2 = 32, 4 W/m 2 i

– Température intérieure de la paroi (voir aussi paragraphe 1.3.5-5.2 page 177 et fig. 1.3.5-41) : i

t1 = ti − q

1 = 20 °C − 32, 4 ⋅ 0,13 K = 15, 8 °C α

– Température extérieure de la paroi (voir aussi paragraphe 1.3.5-5.2 page 177 et fig. 1.3.5-41) : i

t4 = ta + q

1 = − 10 °C + 32, 4 ⋅ 0, 04 K = − 8, 7 °C αa

– Températures limitrophes des couches (voir aussi paragraphe 1.3.5-1.1 page 137 et fig. 1.3.5-2) entre l’enduit intérieur et la maçonnerie : i

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

t2 = t1 + q

s1 0, 02 = 15, 8 °C − 32, 4 ⋅ K = 15,1 °C C 0, 87 λ1

entre la maçonnerie et l’enduit extérieur : i

t3 = t 2 + q

s2 0, 36 = 15,1 °C − 32, 4 ⋅ K = − 2,1 °C 0, 68 λ2

Des différentes températures des parois se déduisent d’après le tableau 1.3.4-1 les pressions de saturation suivantes :

t1 = 15, 8 °C ⇒ pS , 1 = 1 794 Pa t2 = 15,1 °C ⇒ pS , 2 = 1 715 Pa t3 = − 2,1 °C ⇒ pS , 3 =

513 Pa

t4 = − 8, 7 °C ⇒ pS , 4 =

291 Pa.

Les températures et pressions de saturation – complétées par d’autres valeurs à l’intérieur de la maçonnerie – sont indiquées sur la fig. 1.3.5-48 au niveau de l’abscisse sd = Σ µs. En outre, la courbe de pression partielle de la vapeur d’eau dans l’élément de construction est tracée. L’exemple montre qu’aucune condensation n’apparaît dans l’élément de construction., étant donné qu’à chaque endroit ps > p. Pour éviter toute condensation dans un corps de bâtiment, il faut toujours respecter la règle « Wärmedämmung außen, Dampfsperre innen », ce qui signifie « isolation thermique à l’extérieur = barrage à la vapeur à l’intérieur ». Si, sur la fig. 1.3.5-48, la droite allant de pi à pa avait coupé la courbe de saturation, cela signifierait qu’il y a condensation. Pour le calcul arithmétique, il faut ensuite remplacer la droite pi pa par les tangentes partant de pi et pa sur la courbe de saturation, étant donné que ps ne peut pas être dépassé (fig. 1.3.5-49).

187

DONNÉES DE BASE

i=

1.3.5 Transmission de chaleur

1.3 Données thermodynamiques…

Quantités de vapeur d’eau diffusées à l’intérieur et à l’extérieur de l’élément de construction :

ii =

pi − pSW p − pa ; ia = SW . 1 /Δi 1 /Δa

La différence entre les deux, totalisée sur toute la période de condensation, indique la quantité d’eau de condensation qui apparaît dans l’élément de construction pendant la période hivernale. On doit en outre vérifier si cette quantité d’eau de condensation s’élimine l’été. Le calcul s’effectue à l’aide des données météorologiques (période de condensation, période d’évaporation). Mais si l’élément de construction sèche complètement pendant la période estivale, alors en général aucun dégât résiduel n’est à constater. (Évaluation d’après DIN EN ISO 13788.) Le modèle de diffusion de vapeur de Glaser ne tient pas compte de la capacité d’absorption capillaire et hygroscopique des matériaux de construction. Mais il existe bon nombre de propositions de normalisation et de programmes de simulation en tous genres pour remédier à ce problème 1,2,3. Enduit intérieur Maçonnerie Enduit extérieur Courbe de température

Pression de saturation

Pression partielle de vapeur d’eau à l’intérieur de l’élément de construction

Épaisseur de vide d’air équivalente en diffusion sd = μs

Niveau de condensation

Fig. 1.3.5-48 : Diagramme de diffusion (diagramme de Glaser) d’une paroi en briques avec enduit intérieur de chaux lisse et enduit extérieur calorifugé (températures et pressions partielles de vapeur d’eau conformes à l’exemple).

Fig. 1.3.5-49 : Diffusion de vapeur d’eau avec point de rosée dans l’élément de construction. L’inclinaison des tangentes est déterminante pour le flux de diffusion à l’intérieur et à l’extérieur de l’élément de construction.

Absorption de vapeur d’eau Lors de l’évaporation de l’eau dans les pièces, par exemple dans les cuisines ou les salles de bains entre autres, l’humidité de l’air augmente d’autant plus lentement que le pouvoir d’absorption en vapeur d’eau de la pièce est élevé. Les surfaces capillaires, comme l’enduit de crépi de ciment, ont un pouvoir d’absorption élevé ; les surfaces étanches, comme une couche de peinture à l’huile, n’absorbent pratiquement rien (fig. 1.3.5-50). Absorption capillaire d’eau par des matériaux de construction en contact direct avec de l’eau liquide d’après4. 1. Häupl, P. ; Fechner, H. ; Petzold, H. : Ges-Ing. 6/2001, voir 285 et suivantes. 2. Häupl, P. ; Plagge, R. ; Fechner, H. : Ges-Ing. 6/2001, voir 305 et suivantes. 3. Funk, M. ; Grunewald, J. : Ges-Ing. 6/2001, voir 297 et suivantes. 4. Schwarz, B. : Ges.-Ing. 7/72, voir page 206 et suivantes.

188

1.3.6 Combustibles

Enduit de ciment allongé Enduit en plâtre

Peinture laque

Heures

1

Fig. 1.3.5-50 : Variation de l’absorption de l’humidité par des enduits au contact de l’air ambiant lors d’une augmentation soudaine de l’humidité de 40 à 80 %.

Jours

DONNÉES DE BASE

Absorption d’humidité

1.3 Données thermodynamiques…

1.3.6 Combustibles -1

Combustibles solides

Les principaux composants des combustibles solides sont le carbone, l’hydrogène et l’oxygène, de faibles quantités de soufre et d’azote, ainsi que de l’eau et des cendres. La teneur en carbone augmente avec l’âge géologique des combustibles alors que la teneur en oxygène diminue. C’est l’anthracite qui présente la teneur la plus élevée en carbone (fig. 1.3.6-1). Les cendres sont les autres composants minéraux mélangés et incombustibles comme les pierres, l’argile, l’ardoise, etc. Les principaux composants des cendres sont l’acide silicique SiO 2, l’oxyde d’aluminium Al2O3, l’oxyde de calcium CaO et l’oxyde de fer Fe2O3.

Carbone total C

Pouvoir calorifique

Oxygène

Hydrogène H

Bois

Tourbe

Lignite

Charbon gazéifié inflammable

Charbon gazéifié

Charbon gras

charbon végétal activé

charbon maigre

Anthracite

Teneur en composants volatils

Coke

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

Carbone solide

Fig. 1.3.6-1 : Composition des combustibles solides par rapport au charbon pur (sans eau ni cendre).

Le soufre est présent dans le charbon à raison de 0,5 à 1,5 %, tantôt comme liant organique, tantôt comme minéral (sulfite et sulfate). Les composants volatils sont les produits gazeux (vapeur, goudron, gaz) qui s’échappent lorsqu’ils sont chauffés à l’abri de l’air (carbonisation). La teneur en composants volatils diminue avec l’âge géologique des combustibles (fig. 1.3.6-1).

189

1.3 Données thermodynamiques…

1.3.6 Combustibles

La teneur en eau : on distingue l’humidité de constitution de l’humidité hygroscopique, qui est toujours présente dans les combustibles séchés à l’air et ne peut s’éliminer que par chauffage à une température supérieure à 100 °C. Dans toutes les analyses, se référer aux abréviations suivantes : Substance brute roh Substance sans eau wf Substance sans eau et sans cendre waf On distingue selon le type d’extraction : Les combustibles naturels : houille, lignite, tourbe, bois, paille. Le charbon et la tourbe proviennent de la transformation et de la décomposition à pression élevée et à l’abri de l’air de fossiles de périodes anciennes de notre globe. Les houilles sont les combustibles naturels géologiquement les plus anciens. Elles se trouvent pratiquement sur toute la terre à différentes profondeurs, en Allemagne principalement dans la Ruhr, la Sarre et la région d’Aix-la-Chapelle. Les différentes formes se distinguent principalement par leur teneur en composants volatils. On distingue les houilles riches en gaz avec des teneurs en gaz > 30 % et les houilles pauvres en gaz avec des teneurs en gaz < 30 %. Les houilles riches en gaz s’enflamment plus facilement et se consument plus rapidement que les houilles pauvres en gaz. Préparation : suivant le mode de préparation, on distingue commercialement les formes de houille suivantes : – le charbon d’extraction : non préparé, de toutes tailles, y compris de la poussière ; – le charbon en blocs : uniquement de gros morceaux de plus de 80 mm ; – le charbon en grains de 1 à 5 : avec des dimensions différentes de 6 à 80 mm ; – la charbonaille : dimension de 0 à 10 mm ; – le charbon pulvérisé : dimension de 0 à 3 mm. Les désignations commerciales concernant la taille ne sont pas uniformes dans les différentes zones d’extraction. Poids, composition et valeur calorifique dans le tableau 1.3.6-1. Dans le « système de classification international » d’après DIN 23003:1976-04, et à l’exception de 04.90), chaque type de charbon est caractérisé par un numéro de code à trois chiffres. Le premier chiffre se réfère à la teneur en composants volatils, le second à la capacité de cuisson et le troisième à la cokéfaction. Exemple : type de houille 712 signifie Classe 7 : plus de 33 % de composants volatils Groupe 1 : indice de gonflement de 1 à 2 Sous-groupe 2 : faiblement cokéfié. Les lignites sont nettement plus jeunes que les houilles présentant partiellement encore des inclusions similaires au bois. Teneur en eau de 45 à 60 %. Extraction la plupart du temps à ciel ouvert, en Allemagne principalement en Rhénanie et en Saxe. Utilisation des lignites en priorité dans les grandes chaufferies, et de moins en moins comme briquettes. La tourbe est issue de la décomposition des plantes sous l’eau. Forte teneur en eau. Extraction par « piquage » dans les zones marécageuses. Faire sécher avant de chauffer. Le bois comme combustible est utilisé de préférence dans la sylviculture et les scieries, en outre dans la transformation du bois et la fabrication de matériaux en bois. Utilisation sous la forme de bois de chauffage, copeaux, sciure, granulés, etc. Le pouvoir calorifique du bois1 dépend fortement de l’hygrométrie Hu = 16 000 à 7 500 kJ/kg pour 10 à 100 % d’humidité. Le bois fraîchement abattu présente une humidité de 70 à 80 % et, après un an de stockage à l’air libre, 25 à 30 %. Le bois séché à l’air présente 15 à 25 % d’humidité. Les combustibles épurés : briquettes de houille, briquettes de lignite, poussière de charbon, coke, charbon de bois, production à partir de combustibles naturels par traitement mécanique, thermique et chimique. Les briquettes sont obtenues à partir de houille et ou lignite concassée, séchée et agglomérée par pression dans des briqueteries : briquettes entières, demi-briquettes, sous forme cubique, sphérique et ovale. La poussière de charbon est obtenue en broyant de la houille ou de la lignite séchée. Cette poussière est utilisée en priorité dans les grandes installations de combustion. Les cokes proviennent de distillation sèche (extraction des composants gazeux en les chauffant à l’abri de l’air). Les cokes gazeux s’extraient de la houille dans les usines à gaz (à des températures d’environ 1 000 °C), les cokes miniers pour hauts fourneaux dans les cokeries des usines sidérurgiques, les semicokes et les cokes de lignite sont obtenus par cokéfaction à basse température de houille ou de lignite (environ 500 °C). 1. Strehle, A., entre autres : technique d’assainissement et de maintenance 2/85. Page 62 et suivantes.

190

4,3

3 5

4

5

58

30 55

38

42

Jais (Haute-Bavière)

Lignite (Rhénanie) Brute Briquette

Tourbe séchée à l’air

Bois séché à l’air

37

26

10 18

10

8 5 4 4 2 2 0,05

–

–

1

1 1

1,2

1 1 1 1 1 1 1

–

–

1

1 1

5,5

1 1 1 1 1 1 1

–

15

25

50 15

10

3 3 3 3 3 3 3

–

1

5

5 5

11

5 5 5 5 5 5 9

–

Masse Masse Masse Masse Masse en % en % en % en % en %

*) La composition de lignite, tourbe, bois varie beaucoup, notamment la teneur en eau. **) Conversion de la composition relative aux combustibles purs après multiplication par 100.

5 5 5 4 4 3 0,5

–

Masse en %

77 80 81 82 84 85 83

100

Masse en %

Houille (Ruhr) charbon gazeux inflammable charbon gazeux charbon gras charbon végétal activé charbon maigre anthracite coke (hauts fourneaux)

Carbone (pur)

Combustibles

14 600

13 800

9 630 19 250

22 930

30 100 31 400 31 800 31 800 31 400 31 400 28 900

33 820

Masse en %

3,8

3,6

3,1 5,6

3,0

7,9 8,3 8,4 8,3 8,5 8,3 7,7

8,9

Masse en %

0,7

0,7

0,9 0,7

0,6

0,6 0,6 0,6 0,5 0,5 0,4 0,1

–

Masse en %

4,5

4,2

3,9 6,1

3,55

8,3 8,6 8,7 8,5 8,7 8,5 7,6

8,9

Masse en %

DONNÉES DE BASE

3,8

3,5

3,0 5,4

2,95

7,7 8,0 8,1 8,0 8,2 8,1 7,5

8,9

Masse en %

20,4

19,8

17,2 17,2

18,2

18,5 18,5 18,5 18,8 18,8 19,3 20,5

21,0

Masse en %

Teneur maximale Quantité Quantité Vapeur Quantité Valeur théorique en dioxyde d’air théorique de gaz calorifique d’eau de gaz de carbone théorique résiduel humide Houille hydrogène oxygène azote soufre eau cendres résiduel sec des gaz résiduels

Par rapport au combustible brut

Tableau 1.3.6-1 – Composition moyenne et propriétés des combustibles solides relatives aux combustibles bruts*) **)

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

1.3 Données thermodynamiques… 1.3.6 Combustibles

1

191

1.3.6 Combustibles

1.3 Données thermodynamiques…

Désignation du coke par ordre de grosseur : Coke hauts fourneaux I > 80 mm Coke concassée I 80/60 mm Coke concassée II 60/40 mm Coke concassée III 40/20 mm Coke concassée IV 20/10 mm Coke concassée V 10/6 mm (coke perlée) Menu coke 10,0/6,0 mm Coke de fonderie > 80 mm Le charbon de bois provient de la carbonisation du bois sans contact avec l’air dans des charbonnières. Tableau 1.3.6-2 – Masse volumique de chargement des combustibles solides

Combustible

Masse volumique de chargement en kg/m3

Houille Charbon d’extraction Grains 1/2 Grains 3/4 Charbonaille Briquette ovale Poussière Lignite Lignite brut Lignite 50 % H2O Briquette posée Briquette chargée Poussière Paille Balles haute pression**) Balles rondes**)

850 … 890 740 … 780 720 … 750 820 … 860 740 … 780 700 … 800 650 … 780 570 … 650 1 000 700 … 720 450 … 500 80 … 130 60 … 130

Combustible Coke Coke hauts fourneaux Coke fonderies Coke concassée 1/2 Coke concassée 3/4 Menu coke Bois Bois dur (bûches)*) Bois tendre (épicéa)*) Charbon de bois en bois dur Charbon de bois en bois tendre Copeaux de sciure Tourbe Tourbe mécanique Briquette de tourbe

Masse volumique de chargement en kg/m3 460 … 530 430 … 500 450 … 560 500 … 680 700 … 760 560 420 190 … 220 130 … 150 180 … 280 310 … 380 650 … 750

*) dans les bûches **) densité en balles

-2

Combustibles liquides

-2.1 Répartition -2.1.1 Huiles minérales

Apparition il y a des millions d’années dans des sédiments provenant de fossiles animaux et végétaux à des températures élevées sous l’action partielle de bactéries. Extraction par forages pétroliers avec de grands puits de forage comme le pétrole brut (naphta) dans de nombreux endroits de la planète, notamment aux USA, Russie, Venezuela, Afrique du Nord, Roumanie, Iran, Irak, Arabie. Caractéristiques : tours de forage. Transport par oléoducs ou tankers jusqu’aux raffineries. Composition : chimiquement, le pétrole est un mélange de molécules organiques, notamment naphténiques et aromatiques. Préparation par distillation fractionnée (séparation des composants par ébullition et raffinement en pétrole léger, moyen et lourd, en outre par craquage (division de molécules d’hydrocarbone assez importantes en plus petites par échauffement sous pression, essence à deux temps) (tableau 1.3.6-3 et fig. 1.3.6-2). Teneur faible en cendres, la plupart du temps < 0,1 %, composant principal pentoxyde de vanadium V2O5. Huile légère : c’est notamment l’essence (nom générique pour les hydrocarbures à bas point d’ébullition à l’inverse du benzène (C6H6), qui n’est pas homogène ; point d’ébullition entre 50 et 200 °C ; provient principalement des hydrocarbures de paraffine ; utilisation surtout comme carburant dans les moteurs. Huile moyenne : c’est notamment le pétrole lampant (huile d’éclairage), point d’ébullition de 200 à 250 °C, et le gasole (carburant de moteur diesel), point d’ébullition de 200 à 350 °C. Le fioul domestique appartient aussi à ce groupe. Huile lourde : point d’ébullition > 350 °C, notamment l’huile de lubrification, le fioul pour les installations de chauffage de grand puissance (centrales électriques). Résidus : les produits chimiques comme la paraffine, la vaseline, etc., sont fabriqués à partir des résidus de distillation, brai, bitume, mazout et asphalte.

192

1.3.6 Combustibles

1.3 Données thermodynamiques…

le EL

S

Température

1

Bitume Huile brute

Réchauffeur Colonne de fractionnement

Fig. 1.3.6-2 : Distillation du pétrole.

Tableau 1.3.6-3 – Composition et pouvoir calorifique des combustibles liquides

Combustible

alcool éthylique benzol essence fioul domestique EL fioul lourd S pétrole méthanol diesel huile de coaltar

Pouvoir calorifique supérieur

Pouvoir calorifique inférieur

S

Ho en kJ/kg

Hu en kJ/kg

– – – 0,3 2 – – 0,5 –

29 890 41 940 46 700 45 400 42 300 42 900 22 310 44 800 39 150

26 960 40 230 42 500 42 700 40 200 40 800 19 510 41 650 37 450

Composition en masse − %

Masse volumique à 20 °C en kg/dm3

C

H

O+N

0,80 0,88 0,72 … 0,80 0,82 … 0,86 0,90 … 0,92 0,80 … 0,82 0,79 0,84 1,00 … 1,08

52 92 85 86 86 85 38 86 89

13 8 15 13 11 15 12 13 7

25 – – 0,5 1 – 50 0,4 4

-2.1.2 Huiles de goudron

Ce sont des produits de distillation du goudron, alors que le goudron lui-même provient de la distillation fractionnée (cokéfaction) des combustibles. On distingue la distillation à haute température et la distillation à basse température. Transformation du goudron par distillation, craquage et hydratation pour les huiles lourdes, moyennes et légères, notamment l’essence, le gazole et le fioul, mais aussi pour un grand nombre de produits chimiques. Peu d’intérêt pour le chauffage. Les résidus de la distillation sont les goudrons. -2.1.3 Huiles synthétiques

Elles sont produites à partir de la lignite et de la houille. En cas de hausse du prix du pétrole, la liquéfaction (et la gazéification) du charbon peut sans aucun doute être d’un grand intérêt. © Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

-2.1.4 Autres combustibles liquides

L’alcool (alcool éthylique dénaturé) est obtenu par fermentation de pommes de terre, et utilisé comme additif à l’essence. Le benzol C6H6 est obtenu comme sous-produit par gazéification de la houille dans les cokeries et les usines à gaz.

-2.2 Fioul1 La plupart des fiouls sont des produits de distillation du pétrole. Vu la diversité des combustibles à partir du pétrole, on distingue plusieurs types de fioul : l’huile de schiste, le goudron de lignite et de houille. Pour les normes à respecter pour les fiouls, voir DIN 51603 (tableau 1.3.6-4). Le fioul domestique (EL) est utilisé principalement pour le chauffage, et le fioul lourd (S) pour les très grosses installations, notamment dans l’industrie ; les fiouls L et M sont encore très peu utilisés. Lors de la combustion, production presque exclusive de gaz carbonique et de vapeur d’eau. La couleur varie en fonction de l’origine. On utilise fréquemment des colorants pour le distinguer du gazole pour moteurs diesel. Dans d’autres pays, d’autres appellations sont utilisées, par exemple aux États-Unis : – Fuel Oil No. 2 correspond à peu près au fioul EL ; – Fuel Oil No. 6 correspond à peu près au fioul S. 1

1. Heinemann, W., et C. F. Krienke : technique de chauffage. 6 et 7/80. Krienke, C. F. : HLH 7/82. Page 237/42 et ramonage artisanal 1/84. page 5. Cf. Institut pour le chauffage à huile industriel (IWO), Hambourg.

193

DONNÉES DE BASE

Essence Pétrole Fioul domestique Extra léger (El) et gazole Fioul lourd Huile lubrifiante

p étro

e sse nce

Gaz de raffinerie

1.3.6 Combustibles

1.3 Données thermodynamiques… -2.2.1 Pouvoir calorifique

La pouvoir calorifique des huiles comprend : – huiles minérales, environ 40 000 à 43 000 kJ/kg ≈ 11,1… 11,9 kWh/kg ; – huiles de goudron, environ 36 000 à 40 000 kJ/kg ≈ 10,0… 11,1 kWh/kg. Plus le pouvoir calorifique est élevé, plus la proportion d’hydrogène est élevée. -2.2.2 Masse volumique

À 15 °C, la masse volumique du fioul varie : – pour le fioul EL entre 0,83 et 0,86 kg/l ; – pour le fioul S entre 0,90 et 0,98 kg/l ; – pour les huiles de goudron et de houille entre 0,94 et 1,15 kg/l. Tableau 1.3.6-4 – Normes pour fioul d’après DIN 51603-1:1998-03, fioul EL, L, T et M d’après DIN 51603-2:199204, et fioul S d’après DIN 51603-3:1986-7. Fioul EL Fioul L1) Fioul T1) Fioul M1) Masse volumique maximum à 15 °C

(g/ml)

0,860

1,10

–

–

Masse volumique maximum à 20 °C

(g/ml)

–

–

1,10

1,10

Point d’inflammation dans les creusets fermés (°C)

55

85

85

Viscosité cinématique À 20 °C À 20 °C À 20 °C maximale (mm2/s) 6 6 6

Point d’écoulement

(°C)

–

–

–

Point de trouble

(°C)

3

–

–

0,033)

0,5

Résidus de coke d’après Conradson (%)

1

75

Fioul S

Contrôle d’après

À indiquer

DIN 51757

–

DIN 51757

80

DIN 51758 DIN EN 22719 DIN pr EN 575)

À 50 °C 40

À 100 °C 50

DIN 51550 DIN 51366

À 75 °C 12

À 130 °C 20

DIN 51562-1

–

402)

DIN ISO 3016

15

–

DIN EN 23015 DIN 51603-2

16

17

DIN 51551 DIN EN ISO 10370

Teneur maximale en soufre indiquée en % du volume

0,204)

0,20

0,80

0,50

2,8

DIN 51400-1 ; -2 ; -3 et -6 DIN EN 41 DIN EN 24260 DIN EN ISO 8754 DIN EN ISO 14596

Teneur maximale en eau indiquée en % du volume

0,02

0,3

0,3

0,3

0,5

DIN 51777-1 ISO/DIS 12937 DIN ISO 3733

Teneur maximale en sédiments

(%)

–

–

–

–

0,5

DIN ISO 3735

(mg/kg)

24

–

–

–

–

DIN EN 12662

(°C/h)

–

3/24

0/24

–

–

DIN 51603-2

42,6

38,7

37,8

38,5

39,5

DIN 51900-1 ; -2 ; -3

Pollution globale maximale Liberté de fonte

Pouvoir calorifique (MJ/kg) inférieur Hu Teneur maximale en cendres (cendres oxydées) indiquée en % du volume 1)

0,01

0,01

0,01

0,02

0,15

DIN EN 7 DIN EN ISO 6245

Produit à partir du lignite et de la houille, mais aussi des huiles minérales. Le fournisseur est prié de signaler une température supérieure à 40 °C. Valeur la plus petite à indiquer en tenant compte de la précision du processus. 4) Le fioul domestique (EL) ayant une teneur élevée en soufre est conforme aux normes et autorisé sous la forme en vigueur. 5) Projet en cours. 2) 3)

194

1.3.6 Combustibles

1.3 Données thermodynamiques…

Plus la viscosité est grande, plus la masse volumique est élevée. En cas de comparaison des prix, vérifier s’il y est fait référence au kilogramme ou au litre, les différences pouvant aller jusqu’à 20 %. -2.2.3 Viscosité cinématique

-2.2.4 Degré de cokéfaction

Il indique la quantité de résidus sous forme de coke qui subsistent encore lors de la distillation des huiles. Il s’exprime avec la valeur Conradson et est calculé d’après DIN 51551:1993-04. Dans les chaufferies au fioul, le degré de cokéfaction caractérise la tendance du combustible à se cokéfier au gicleur du brûleur ; il est toutefois aussi important avec les brûleurs à pulvérisation. -2.2.5 Point d’éclair

ité os sc Vi e al im ax m

Limite de vaporisation

d ur lo ul fio

Température en °C

du

Viscosité cinématique en mm2/s

Limite de pompage

ale im ue ax iq m est ité m os do sc ul Vi fio du

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

C’est la température minimale à laquelle le mélange de la vapeur d’un liquide dans l’air s’allume en présence d’une flamme pilote. Testeur d’après Abel-Pensky (DIN EN 57). Il ne joue aucun rôle dans la technique de combustion, mais est déterminant dans les risques d’inflammation d’une matière. Dans l’« ordonnance sur les liquides inflammables » (VbF) du 27-02-1980, on distingue trois classes de risques selon la valeur du point d’éclair : – classe I avec un point d’éclair inférieur à 21 °C, par exemple l’essence ; – classe II avec un point d’éclair entre 21 et 55 °C, par exemple le pétrole ; – classe III avec un point d’éclair de 55 à 100 °C. Tous les fiouls passent dans la classe III, seul le fioul lourd peut parfois avoir un point d’éclair supérieur à 100 °C et n’est donc plus soumis aux prescriptions en vigueur. Pour les points d’éclair, voir paragraphe 1.3.7-6, page 220.

Fig. 1.3.6-3 : Viscosité des fiouls.

195

1 DONNÉES DE BASE

La viscosité cinématique, désignée par la lettre ν, est la propriété la plus importante dans la combustion d’une huile. On entends par viscosité la capacité d’un fluide à s’écouler. Lorsque l’huile est chauffée, la viscosité diminue, et lorsqu’elle est refroidie, la viscosité augmente. Elle est mesurée en comparant le temps d’écoulement entre l’huile et l’eau à l’aide d’une buse normalisée au milieu du viscosimètre d’Engler. La viscosité se réfère toujours à une certaine température, qui est la plupart du temps à 20 °C pour l’huile légère et à 50 °C pour l’huile moyenne et l’huile lourde. Procédés de mesure d’après DIN 51561:1978-12, excepté 06.94. Dans le système international d’unités, la viscosité cinématique est mesurée en m 2/s (autrefois, l’unité était le degré Engler). À l’étranger, on utilise également d’autres unités de mesure pour la viscosité (voir tableau 1.3.6-5), notamment les secondes Sayboldt Universal aux Etats-Unis (S.U = Sayboldt Universal) et les secondes Redwood n° 1 en Angleterre (RI = secondes Redwood I). Ici, la viscosité est indiquée directement en secondes, suivant son temps d’écoulement et sans comparaison avec l’eau. Pour une combustion parfaite dans les brûleurs fioul à pulvérisation, le combustible doit avoir une viscosité d’environ 10 à 25 mm/s (viscosité de pulvérisation), et jusqu’à 60 mm/s pour les brûleurs à coupelles rotatives. C’est toujours le cas pour le fioul domestique. Par contre, les fiouls moyens et lourds doivent être réchauffés avant la combustion. La plupart du temps, les huiles de goudron ne nécessitent aucun préchauffage. Pour la viscosité des principales huiles, voir fig. 1.3.6-3.

1.3.6 Combustibles

1.3 Données thermodynamiques… Tableau 1.3.6-5 – Tableau de conversion des viscosités Viscosité cinématique v en mm2/s

Degrés Engler E

Redwood I en s

Sayboldt en s

Viscosité cinématique v en mm2/s

Degrés Engler E

Redwood I en s

Sayboldt en s

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

1,00 1,12 1,22 1,30 1,40 1,48 1,56 1,65 1,75 1,83 2,02 2,22 2,43 2,65 2,90 3,10 3,35 3,60 3,85 4,10

28,5 31,0 33,0 35,5 38,0 41,0 43,5 46,0 49,0 52,0 58,0 64,5 71,5 78,5 86 93 101 109 117 125

– 32,6 36,0 39,1 42,3 45,5 48,7 52,0 55,4 58,8 65,9 73,4 81,1 89,2 98 106 115 123 132 141

35 40 45 50 60 70 80 90 100 114 152 227 303 379 400 520 620 720 900 1 080

4,70 5,35 6,00 6,65 7,90 9,24 10,6 11,9 13,2 15 20 30 40 50 53 69 82 96 120 143

144 164 185 205 245 284 324 365 405 461 614 921 1 228 1 535 1 620 2 150 2 530 2 960 3 500 4 435

163 186 208 231 277 323 370 416 462 527 702 1 053 1 404 1 756 1 848 2 500 3 000 3 500 4 000 5 000

Points d’éclair : – essence –16… +10 °C ; – pétrole 20… 60 °C ; – fioul domestique 70… 120 °C ; – fioul lourd 120… 140 °C. -2.2.6 Point d’inflammation

C’est la température à laquelle il faut porter le combustible pour qu’il s’enflamme et continue à brûler. Il se situe le plus souvent à 15 voire 25 K au-dessus du point d’éclair. N’a que peu d’intérêt pour caractériser les propriétés des combustibles vis-à-vis des combustions. -2.2.7 Point de figeage, point d’écoulement

Le premier est la température à laquelle l’huile a du mal à s’écouler, ou se fige. Aujourd’hui l’appellation normalisée est point d’écoulement ; c’est la température la plus basse à laquelle l’huile peut encore s’écouler dans les conditions fixées1 par DIN ISO 3016, ce qui est important pour la température de pompage du fioul. Avant d’atteindre le point de trouble, des précipitations de paraffine apparaissent pour le pétrole, et des excrétions de naphtaline cristalline apparaissent pour les huiles de goudron, lesquelles peuvent causer des engorgements. Pour les huiles légères, ce « point de trouble » est souvent inférieur à –10 °C, et se situe à environ 45 °C pour les huiles lourdes. Tous les fiouls devraient donc être stockés à une température supérieure à celle-ci. -2.2.8 Soufre et cendres

La teneur en cendres varie en fonction du type et de l’origine du pétrole, elle est au plus de 0,3 % pour le fioul domestique et va jusqu’à ≈ 3 % pour le fioul lourd. La teneur en soufre du fioul se transforme la plupart du temps en SO2 lors de la combustion, et seulement dans une proportion infime en SO 3, qui normalement est gazeux dans les gaz de combustion et donc sans danger. Seul un refroidissement en dessous du point de rosée entraîne la formation de H 2SO4 (acide sulfurique), qui pollue l’environnement. Jusqu’en 1988, la teneur en soufre du fioul léger a été progressivement limitée à 0,2 % par les prescriptions de la loi fédérale sur les émissions (voir paragraphe 1.9 page 345). Le fioul lourd a une teneur en soufre plus élevée que le fioul léger. Lors du refroidissement des gaz de combustion, le point de rosée de l’acide sulfurique (≈ 150 °C) ne doit pas être atteint. Les cendres sont les résidus qui subsistent en petites quantités dans le fioul lors de la combustion ; leur teneur varie entre 0,01 et 0,15 %. Composées principalement de pentoxyde de vanadium (V 2O5) et d’oxyde de sodium (Na2O) La proportion de cendres doit être aussi infime que possible, car la cendre est corrosive et endommage les parois des chaudières. Contrairement au fioul lourd le fioul domestique ne contient pratiquement pas de cendres.

1. DIN ISO 3016:1982-10 : Produits d’huile minérale ; détermination du point d’écoulement.

196

1.3.6 Combustibles

1.3 Données thermodynamiques… -2.2.9 Eau et sédiments

L’eau peut se mélanger au fioul, par exemple sous forme de condensation, avant de se déposer au fond des cuves de stockage. Les sédiments sont des traces d’impuretés qui peuvent éventuellement endommager les petits brûleurs.

-3

Combustibles gazeux1,2

12

– selon le gisement Gaz naturel et gaz de pétrole ainsi que gaz de mine et gaz des marais Gaz manufacturés – selon le pouvoir calorifique H0 Gaz pauvres H0 < 2,5 kWh/m3 Gaz moyens (gaz à l’eau) H0 = 2,5… 4,0 kWh/m3 Gaz forts H0 = 4,0… 6,0 kWh/m3 Gaz très riches H0 > 6,0 kWh/m3 – ou d’après DIN 13403 Groupe I Groupe II Groupe III Groupe IV

H0 < 10 MJ/m3 H0 = 10...30 MJ/m3 H0 = 30...60 MJ/m3 H0 > 60 MJ/m3

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– d’après les propriétés de combustion (classification par familles) 1) Famille de gaz : gaz naturel et gaz de ville (abréviation S) Sous-groupe A (gaz de ville) Sous-groupe B (gaz naturel) 2) Famille de gaz : gaz naturel (abréviation N) Sous-groupe L (faible) : gaz naturel Sous-groupe H (élevé) : gaz de pétrole 3) Famille de gaz : gaz liquides (propane, butane) (abréviation F) 4) Famille de gaz : mélange de gaz de la 2 e et 3e famille avec de l’air. Les gaz de ville ou naturels, destinés au chauffage, étaient obtenus autrefois dans des usines à gaz essentiellement par distillation de la houille, où le coke apparaissait comme un sous-produit. Le gaz de ville utilisé était un mélange de gaz de houille et de gaz à l’eau, mais aussi de gaz de gazogène, réglé sur une valeur de combustion de H0  5,0 kWh/m3. Aujourd’hui, le gaz naturel remplace le gaz de ville et couvre actuellement plus de 90 % de la totalité des besoins en gaz. En 1986, environ 28 % des habitations étaient chauffées au gaz. Le pouvoir calorifique des gaz naturels varie selon la zone d’extraction. Par exemple : En Bavière Ho = 11,2 Hu = 10,0

Oldenburg 12,1 10,9

Schlochteren 9,8 kWh/m3 (PCS) 8,9 kWh/m3 (PCI)

À l’étranger, les États-Unis et la Russie notamment sont de très grands consommateurs de gaz naturels. En Europe et en Allemagne également, leur utilisation augmente rapidement grâce à l’aménagement de gazoducs dans toutes les régions. 1. Wilke, H. : H. R. 1969 page 29/37 et 153/63. Bieger, F. : Wkt 1970 page 171/5. Loos, J. : SHT 7/76 page 437/41. DIN 1871:1999-05 (combustibles gazeux, densité) 2. Respecter indications de la préface de l’harmonisation internationale des normes. Les sigles adoptés en Allemagne (par exemple H0 devient Hs, Hu devient Hi, gaz naturel L devient LL…) sont utilisés tels que dans la présente édition car les modifications des anciennes appellations ne sont pas encore achevée. 3. DIN 1340:1990-12 (combustibles gazeux, types, composants).

197

1 DONNÉES DE BASE

-3.1 Généralités Les gaz utilisés dans l’industrie et pour le chauffage qui sont aujourd’hui à notre disposition ont des propriétés très variables. La plupart du temps, ce sont des mélanges de gaz combustibles et incombustibles. Les composants combustibles sont surtout les hydrocarbures (méthane entre autres) et l’hydrogène, et dans une moindre proportion l’oxyde de carbone. À ceci s’ajoutent quelques traces de gaz. Des désignations inexactes entraînent de fréquentes erreurs. Répartition des gaz

1.3.6 Combustibles

1.3 Données thermodynamiques…

Une grandeur importante pour désigner la qualité d’un gaz par rapport à la combustion est l’indice de Wobbe (également appelé chiffre de Wobbe, nommé ainsi en 1926 par l’Italien Wobbe) : W0 = H0/ d v ou Wu = Hu/ d v en kJ/m3 ou kWh/m3 H0 = pouvoir calorifique supérieur en kJ/m 3 ou en kWh/m3 Hu = pouvoir calorifique inférieur en kJ/m 3 ou en kWh/m3 dv = rapport de densité dans l’air. L’indice de Wobbe (tableaux 1.3.6-6 et 1.3.6-7), sans dimension et calculé à partir des lois des écoulements dans les diaphragmes, fait office de référence approximative en cas de pression du gaz constante pour ce qui est du rendement de combustion et d’autres paramètres comme, entre autres, la température d’inflammation et l’induction d’air primaire. Les gaz possédant le même chiffre de Wobbe ont des caractéristiques de combustion similaires, des propriétés de combustion semblables, et peuvent brûler dans le même brûleur, sans qu’il faille changer le brûleur ou le gicleur. Tableau 1.3.6-6 – Caractéristiques des gaz combustibles (d’après F. Schuster entre autres) (1 kWh = 3 600 kJ) Composition volumétrique Vol.- % N°

Gaz Combustible H2

Pouvoir Pouvoir Densité Indice de Wobbes calorifique calorifique par Autres (C3H6) supérieur inférieur rapport W0 H 0 / d v CO CH4 CnHm hydro- CO2 N2 H0 kJ/m3 Hu kJ/m3 à l’air carbures

)

(

1 Gaz de gueulard 2 de hauts fourneaux

30

–

–

–

8 60

4 080

3 975

0,99

4 100

2 Gaz de générateur 12 de coke

28

< 0,5

–

–

5 54,5

5 340

5 025

0,88

5 700

3 Gaz de générateur 12 de houille

29

2

–

–

3 54

5 965

5 650

0,86

6 400

4 Gaz de générateur 15 de lignite

27

2

–

–

7 49

6 070

5 760

0,86

6 500

5 Gaz mixte (12+1) 19,3 22,2 8,4

0,6

–

6 43,7

9 125

8 370

0,80

10 200

6 Gaz de cokeries

50

40

< 0,5

–

–

5

4,5

11 510

10 460

0,55

15 500

7 Gaz double

50

35

5

–

–

5

5

12 770

11 615

0,53

17 550

8 Gaz de ville (12+6)

51

18

19

2

–

4

6

18 000

16 120

0,46

26 540

9 Gaz de ville II (12+2)

44

12

22

2

–

4 16

18 000

16 120

0,51

25 200

–

–

–

–

18

– 65

18 000

16 740

1,10

17 160

11 Gaz double raffiné

37

28

15

5

–

8

7

18 840

17 370

0,64

23 550

12 Gaz de cokerie (gaz naturel)

55

6

25

2

–

2 10

19 670

17 370

0,39

31 500

13 Gaz de coke raffiné

45

35

1

10

–

4

5

20 090

18 420

0,63

25 300

14 Gaz de houille

10 Propane + air (17 O2)

52

8

28

2.5

–

2 10

20 930

18 840

0,41

32 700

15 Gaz de soufre 25 (à base de houille)

5

45

5

10

5

5

33 500

30 350

0,62

42 550

16 Gaz naturel L

–

82

–

3

1 14

35 200

31 800

0,64

44 000

17 Gaz naturel H

–

–

93

–

5

1

1

41 300

37 300

0,61

52 880

18 Méthane

–

–

100

–

–

–

–

39 850

35 790

0,55

53 750

19 Gaz de pétrole

20

5

40

20

10

1

4

45 210

41 230

0,74

52 550

20 Propane C3H8

–

–

–

–

100

–

–

100 890

92 890

1,562

80 730

21 Butane n C4H10

–

–

–

–

100

–

–

133 870

123 650

2,091

92 600

198

1.3.6 Combustibles

1.3 Données thermodynamiques… Tableau 1.3.6-7 – Propriétés de combustion des gaz

1. Famille de gaz : gaz de ville et 2. Famille de gaz : gaz naturels gaz naturel

Indice de Wobbe kWh/m3 Valeur de combustion H0 en kWh/m3 Valeur nominale H0 en kWh/m3 Valeur nominale Hu en kWh/m3 Densité relative dv Teneur en hydrogène Vol.- % Pression gazeuse moyenne en mbar Limites d’inflammabilité dans l’air Vol.− % Vitesse maximale d’inflammabilité en m/s Température d’inflammabilité dans l’air en °C Besoins en air Lmin m3/kWh Hu Volume des gaz de combustion VAf m3/kWh Hu Température de combustion par λ = 1 en °C Teneur maximale en CO2 en %

Groupe A

Groupe B

6,4 … 7,8 4,6 … 5,5 4,9 4,3 0,40 … 0,60 40 … 60 7,5 … 15,5 5 … 35 0,55 … 0,75 550 … 570 0,86 1,0 2 000 12 … 13

7,8 … 9,3 5,0 … 5,9 5,5 4,8 0,32 … 0,55 45 … 67 7,5 … 15,5 5 … 30 0,65 … 0,80 550 … 570 0,90 1,0 2 000 ≈ 10

Groupe L

Groupe H

10,5 … 13,0 12,8 … 15,7 8,4 … 13,1 8,4 … 13,1 9,8 11,5 8,8 10,4 0,55 … 0,70 – 18 … 24 18 … 24 5 … 15 0,30 … 0,35 600 … 670 0,94 0,97 1,05 1,05 1 950 … 2 000 11,5 … 12,5

Dans le cas de pressions de gaz différentes, c’est « l’indice Wobbe élargi » qui fait référence au débit calorifique Woe = Wo · Δ p , ou Wue = Wu · Δ p qui tient également compte de la surpression de gaz Δp (N/m2) en service. Le débit de gaz dans le gicleur est, d’après les lois de l’écoulement à travers un diaphragme, proportionnel à la racine carrée de la pression p et à la surface du gicleur, soit proportionnel au carré du diamètre du gicleur. Dans le cadre de pressions de gaz différentes et de buses constantes, la capacité de combustion est constante lorsque le « chiffre Wobbe élargi » W reste contant : Woe = Wo · p = constante, ou Wue = Wu · p = constante

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L’indice de Wobbe élargi tient donc compte de la surpression du gaz p (N/m). Si le diamètre de la buse D peut changer, la capacité de combustion reste la même : W· p ·D2 = constante. Lors du changement d’un gaz de la famille 1 par un gaz de la famille 2, les conditions suivantes sont à respecter pour conserver la même puissance thermique :

W1 p ⋅ 1 W2 p2

Diamètre du gicleur

D2 = D1 ⋅

Pression du gaz

⎛W ⎞ ⎛ D ⎞ p2 = p1 ⎜ 1 ⎟ ⋅ ⎜ 1 ⎟ ⎝ W2 ⎠ ⎝ D2 ⎠

2

Exemple Gaz de ville W1 = 25 000, p1 = 800 N/m2, D1 = 2 mm Lors du passage au gaz naturel W2 = 42 000 et p2 = 2 000 N/m2, le diamètre doit être de

D2 = 2 ⋅

25 000 800 ⋅ = 1, 23 mm ∅ 42 000 2 000

Si le diamètre demeure, la pression doit être de : 2

⎛ 25 000 ⎞ p2 = 800 ⎜ = 285 N/m 2 ⎝ 42 000 ⎟⎠

199

1 DONNÉES DE BASE

Désignation

1.3 Données thermodynamiques…

1.3.6 Combustibles

Propriétés d’inflammabilité (voir aussi paragraphe 1.3-7 page 205) Les gaz de la famille 1 et 2 présentent des limites d’inflammabilité très différentes, ce qui est important pour la bonne tenue de la veilleuse (voir paragraphe 1.3.7-6 page 220). La température d’inflammabilité des gaz naturels est nettement plus élevée que celle des gaz de ville, d’où une température élevée à la surface du dispositif d’allumage, exemple le filament d’allumage (tableaux 1.3.7-9 à 1.3.7-11). La vitesse d’inflammabilité est également variable. Elle est plus faible pour les gaz naturels que pour les gaz de ville ce qui est mportant pour garder de bonnes distances entre les différents brûleurs. La composition du gaz destiné au public est réglementée d’après la norme DVGW G260-1 1983-04, où sont indiquées entre autres les exigences concernant la technique de combustion des différents types de gaz qui sont à garantir par les fournisseurs afin que les gazinières et autres appareils à gaz fonctionnent sans aucun problème.

-3.2 Distillation C’est la production de substances gazeuses par la décomposition chimique de combustibles solides par température élevée et sous couvert. On différencie la distillation effectuée à des températures supérieures à 600 °C (cokéfaction) et à des températures basses inférieures à 600 °C (distillation). Les gaz de cokéfaction (gaz de cokerie) sont extraits de la houille, notamment du charbon à gaz et du charbon flambant à gaz, à des températures oscillant entre 900 et 1 200 °C dans les usines à gaz et les cokeries, et ensuite traités en différentes étapes. Chauffage au gaz de gazogène. Le gaz de cokeries est récupéré au sommet des fours à coke, le coke est acheminé vers le bas et éteint avec de l’eau. Utilisation notamment comme gaz de ville et gaz naturel, mais dans la plupart des usines à gaz, il est mélangé à l’eau (également gaz de digestion et gaz de gazogène). Composants très différents les uns des autres. Livraison aux consommateurs par réseaux de distribution, dans les habitations et les usines avec une pression allant jusqu’à 50 mbar (basse pression). Pression minimum aux appareils d’au moins 7,8 mbar. Les gaz de ville et naturels sont toxiques en raison de leur teneur en oxyde de carbone. Pour la sécurité des consommateurs, ils doivent dégager une odeur qui sert d’avertissement (DVGW G 280:1980-07). Les gaz primaires sont obtenus à partir de lignite, moins de houille, comme sous-produit du goudron à des températures d’environ 500 à 600 °C. -3.3 Gazéification Contrairement à la distillation, la gazéification est la transformation complète des combustibles solides en combustibles gazeux. Le processus de gazéification s’effectue de façon à ce que l’air ou la vapeur d’eau ou les deux soient soufflés à travers les strates brûlantes du combustible solide à gazéifier, d’où apparition d’oxyde de carbone CO et d’hydrogène H 2. Parmi les gaz utilisés principalement dans les chaufferies industrielles, on distingue : Les gaz de gueulard sont obtenus comme produits secondaires des hauts fourneaux. Ils contiennent environ 1/3 de gaz combustibles que sont le CO et le H 2, et 2/3 de gaz non combustibles que sont le CO2 et le N2. Les gaz de gazogène sont obtenus dans les générateurs à partir de houille, lignite ou coke. Le principal composant combustible est le CO. Riche en azote (environ 50 %). Le gaz propre est un gaz de gazogène purifié pour les moteurs à gaz. Le gaz de coke à l’eau est obtenu en insufflant de la vapeur dans le coke chauffé à haute température ; faible en azote. Principaux composants combustibles : H 2 et CO. En ajoutant du gaz de pétrole (huile minérale divisée), on obtient le gaz à l’eau carburé. Le gaz double provient de la gazéification de carbone avec de la vapeur d’eau. C’est un mélange de gaz primaire et gaz de coke à l’eau. -3.4 Gaz de raffinerie (gaz riches, gaz de pétrole liquéfiés) Ils font figure de produits secondaires dans l’industrie pétrolière. Les plus importants sont des hydrocarbures comme le propane et le butane. Ils sont stockés sous pression et à l’état liquide dans des réservoirs, puis transportés dans des camions citernes et dans des bouteilles (gaz en bouteille). À la pression atmosphérique, ils sont gazeux, plus lourds que l’air et chimiquement neutres. Ils peuvent se liquéfier à pression très faible. Point d’ébullition du propane : – 43 °C, du butane : 0 °C. Ces dernières années ont accusé une hausse importante de la consommation de ces gaz pour le chauffage et l’eau chaude, pour la petite industrie, dans l’agriculture, pour le camping. Dès leur sortie des bouteilles, le propane et le butane deviennent gazeux. Le propane (C3H8) et le butane (C4H10) ont de nombreux isomères, c’est-à-dire des corps de même composition, mais de structure moléculaire différente, par exemple le butane-n et le butane-i. 1 kg de propane c’est-à-dire 1,87 l produit environ 0,50 m 3 de gaz de 0 °C. 1 kg de butane c’est-à-dire 1,67 l produit environ 0,37 m 3 de gaz. Pour la puissance thermique et autres caractéristiques, voir les tableaux 1.3.7-1 et 1.3.6-8. 1 kg de propane ou de butane correspond en termes de puissance thermique à environ 1,29 m 3 de gaz naturel H ou à 1,27 l de fioul. Les propriétés de combustion sont semblables à celles du gaz naturel. Exigences de qualité dans DIN 51622:1985-12.

200

1.3.6 Combustibles

1.3 Données thermodynamiques… Tableau 1.3.6-8 – Caractéristiques techniques des gaz de pétrole liquéfiés

Formule chimique Densité du liquide à 15 °C Volumes spécifiques à 0 °C liquide gazeux Densité (air = 1) Point d’ébullition à 1,013 bar Pression de vapeur à 20 °C Puissance thermique H0 Puissance thermique Hu Puissance thermique Hu Puissance thermique Hu Besoin moyen en air Température de flamme dans l’air Chaleur latente d’évaporation au point d’ébullition Humidité du volume de gaz de combustion

Propane

Butane

– kg/l

C3H8 0,51

C4H10 0,58

l/kg m3/kg – °C bar kJ/kg kJ/kg kJ/Nm3 kWh/Nm3 m3/m3 °C kJ/kg

1,87 0,495 1,52 − 42,5 8,53 50 340 46 350 93 630 26,01 23,8 510 448

1,67 0,370 2,09 − 0,5 2,06 49 500 45 720 123 570 34,33 30,9 490 404

m3/m3

26

33

-3.5 Gaz naturels1

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

1

On entend par gaz naturel tous les composés gazeux d’hydrocarbures, la plupart du temps constitués de mélanges, qui sont extraits du sous-sol de la Terre et qui sont combustibles. Ils sont par nature inodores. Les mélanges sont fréquemment constitués entre autres de NH 3, NO, NO2, H2S, CS2. Les lieux de production de gaz naturels sont les mêmes que ceux du pétrole et du charbon ; les gaz naturels proviennent d’organismes simples qui se sont déposés, puis transformés sous l’influence de pressions et de températures élevées. Accumulation dans les formations poreuses de roche issues des influences tectoniques et qui sont recouvertes en partie supérieure de strates (argile) riches en gaz. La composition des gaz naturels est très variable selon la zone d’extraction. Les gaz hollandais contiennent beaucoup de N2, alors que les gaz de la mer du Nord contiennent plus de grandes molécules d’hydrocarbures comme l’éthane et le propane. Le composant principal est pourtant toujours le méthane (CH4), qui peut atteindre des proportions oscillant entre 70 et 99 %. D’autres composants sont, entre autres, l’éthane, le dioxyde de carbone, et l’azote. Lorsque le gaz naturel contient également de grandes molécules d’hydrocarbures qui peuvent être condensées, il est appelé gaz naturel humide ou gaz de pétrole naturel (tableau 1.3.6-9). Une préparation est nécessaire avant l’utilisation du gaz naturel, pendant laquelle on élimine les composants indésirables comme, entre autres, l’hydrogène sulfureux, l’eau, à l’aide de procédés particuliers comme la dessiccation, le lavage, l’adsorption, etc. Sont particulièrement défavorables les mélanges contenant du soufre, car leur combustion produit du dioxyde de soufre SO2 toxique. L’acheminement et la distribution des gaz naturels se font grâce à des réseaux de conduites gérés par des entreprises privées ou publiques. Afin d’assurer une utilisation économique, des conduits sous hautes pressions avec stations de compression sont installés à intervalles adéquats ; on utilise également des réservoirs souterrains de grande contenance. Odeur détectable par odorisation. Le gaz naturel est en général liquéfié à –162 °C et livré sous la pression atmosphérique par tankers aux points de livraison, où, la plupart du temps, il est retransformé en gaz (GPL : gaz de pétrole liquéfié) à l’aide de vaporisateurs d’eau de mer. Le fait que le gaz naturel ne soit pas toxique constitue un gros avantage, car, contrairement au gaz de ville, il ne contient pas d’oxyde de carbone CO. Son pouvoir calorifique est environ 2 fois plus élevé que celui du gaz de ville. Pour les valeurs nominales moyennes du gaz de ville et du gaz naturel, consulter le tableau 1.3.6-7. Les Directives pour la composition du gaz naturel dans la distribution de gaz destiné au public sont formulées dans DVGW, où sont indiqués 2 groupes de combustibles interchangeables (tableau 1.3.6-7). Dans ces groupes, l’indice de Wobbe ne devrait varier qu’entre +0,7 et –1,4 kWh/m 3 (pour le gaz naturel H). Les gaz naturels hollandais et d’Allemagne du Nord appartiennent au groupe L avec un pouvoir calorifique de H0 = 9… 10 kWh/m3, tandis que les gaz H, plus riches en énergie, de la mer du Nord et de la 1. Cerbe entre autres : techniques de gaz 1981. Marx, E. : technique de chauffage. 3/84 page 8. Manuel sur le gaz de la Ruhr, 1985.

201

1 DONNÉES DE BASE

Unité

1.3.6 Combustibles

1.3 Données thermodynamiques…

Russie, possèdent un pouvoir calorifique de H0 = 11… 13 kWh/m3 (composés de plus de méthane et de moins d’azote). Passage progressif aux gaz du groupe H en raison de l’achat fréquent de gaz naturel en provenance d’Afrique du Nord et du Proche-Orient (DVGW G 260 : 1983-04). L’Europe convoite pour l’avenir le gaz naturel saharien ; mais actuellement, les difficultés de transport sont importantes ; il en est de même pour le gaz de la CEI et d’Iran, qui possèdent des gisements gigantesques. Transport par pipelines sous haute pression, ou après liquéfaction dans des tankers. Le grisou apparaît dans les gisements de houille par fermentation aérobie (intempéries). Principal composant : méthane. Le gaz d’épuration apparaît lors de la clarification biologique des eaux usées. Principaux composants : méthane à environ 60 % et CO2 à environ 30 %. Utilisation comme carburant et incorporation au gaz de ville. Le gaz des marais apparaît de façon similaire. Tableau 1.3.6-9 – Composition des différents gaz naturels en %. Zone de gaz naturel Allemagne Anzing Bentheim Goldenstedt Isen Rehden 5 Pays-Bas De Lier Slochteren Tubbergen France Lacq (gaz brut) Lacq (purifié) Italie Corregio Ravenna Autriche Marchfeld URSS Baku Algérie Hassi R’Mel

C2H6

C3H8

C4H10

CO2

N2

H2S

Hu kJ/Nm3

94,2 89,2**) 89,6 98,6 74,0

2,0 1,0 1,7 0,5 0,6

1,7 0,5 – 0,2 –

1,1 – – – –

0,8 2,8 0,5 0,1 17,8

– 5,5 8,2 0,6 7,5

– 0,6 – – –

37 800 33 300 32 200 35 700 26 200

88,8*) 81,9 85,1**)

6,2 3,5 1,8

1,0 0,4 0,8

0,5 – 0,6

0,1 0,8 3,0

1,4 14,4 8,6

– – 0,03

37 600 32 000 33 200

69,6*) 96,5**)

3,1 2,7

1,0 0,4

0,3 0,25

10,0 –

– –

15,1 –

33 200 37 000

99,6 99,5

– –

0,2 0,1

– –

– –

0,2 0,4

– –

35 700 35 600

97,0

0,8

0,3

–

0,6

1,3

–

36 300

93,0

3,3

–

–

2,2

0,5

–

35 500

79,6*)

7,4

2,7

1,4

0,2

5,1

–

42 600

CH4

*)gaz naturels humides. **) gaz naturels acides (sulfure d’hydrogène).

-3.6 Gaz de cracking Ils sont produits dans les usines à gaz et les raffineries par fission des produits d’huile minérale (entre autres gaz liquéfié, essence, pétrole). Mêmes propriétés que les gaz de ville. Selon le produit fini, les types de procédés catalytiques et thermiques sont nombreux. Avantages : utilisation de résidus, adaptation aux surcharges de pointe, aucun sous-produit, relativement bon marché.

-4

Combustibles renouvelables (énergies renouvelables)1 Travaux complémentaires du Dr Steffen Hofman, ingénieur à Wuppertal.

1

-4.1 Le bois Comme combustible naturel et végétal, le bois, pour parer à la hausse des prix des sources d’énergie fossiles, est devenu une alternative techniquement équivalente aux systèmes de chauffage traditionnels. La proportion de bois de chauffage dans la consommation d’énergie en Allemagne est d’environ 1 %. Un tiers de l’Allemagne est boisé. La surface forestière totale recouvre 10,5 millions d’hectares. Actuellement, seuls environ deux tiers de la croissance d’environ 6 mètres cube par hectare et par an sont exploités2. 1. Première ébauche pour la 71e édition de l’ingénieur Steffen Hofman, Wuppertal 2. Ruchser, M. : Guide pour la construction d’installations utilisant l’énergie du bois, 12/01 page 9.

202

1.3.6 Combustibles

Fig. 1.3.6-4 : Pouvoir calorifique du bois.*)

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

*) 67e édition, paragraphe 136-1.

Séchage à l’air Bois résineux

Bois de feuillage

en MJ/kg

Pouvoir calorifique Hu en kWh/kg

Pour le bois, le bilan de CO2 est neutre (sans chaîne de préparation préliminaire), c’est-à-dire que seule est libérée la quantité de CO2 qui a été stockée pendant la phase de croissance, puis éliminée naturellement lors de la décomposition. Gamme de bois : le bois, en tant que combustible, apparaît surtout dans la sylviculture comme bois de rebut et bois d’éclaircissage, et en pépinière comme bois coupé. Également comme bois de rebut industriel (scieries, fabricants de meubles, menuiseries) ou encore comme vieux bois et bois d’occasion (palettes, meubles, bois de démolition). La gamme du bois source d’énergie comprend entre autres le bois de chauffage, les copeaux de bois, la sciure, les granulés (billes et briquette). Le conditionnement s’effectue à l’aide de scies, fendeuses (bûches de bois), tronçonneuses, écorceuses à anneaux rotatifs, tambours écorceurs (petit bois), ou dans les briqueteries et les fabriques de billes de bois. Les billes de bois sont compressées sous haute pression dans de grandes installations (jusqu’à 20 000 tonnes par appareil) à partir de sciure ou de copeaux (description de la qualité d’après DIN 517131, DIN plus2 ÖNORM M 71353). Il n’existe actuellement pas de normalisation en Allemagne pour le petit bois, mais en Autriche il est décrit dans ÖNORM M 7133 4. Une norme unique européenne pour le bois combustible est actuellement en préparation. Propriétés du bois de chauffage : outre le type de bois, c’est essentiellement l’humidité qui détermine le pouvoir calorifique. Après un an minimum de stockage à l’air libre, le bois a séché (lutro) suffisamment pour ne plus présenter qu’une humidité d’équilibre contenant environ 20 à 30 % d’eau. Seule une dessiccation artificielle (< 100 °C) permet d’obtenir un bois absolument sec (atro). Les livraisons de bois de chauffage sont souvent facturées en fonction de la teneur en énergie (mesure de l’humidité ou quantités de chaleur produites). Unités de mesure pour le bois de chauffage : 1,0 Fm = 1,43 Rm = 2,43 Sm3 0,7 Fm = 1,0 Rm = 1,7 Sm3 0,41 Fm = 0,59 Rm = 1,0 Sm3 (Fm = mètre cube, Rm = stère, Sm3 = mètre cube de résidus)

Proportion d’humidité

Le pouvoir calorifique du bois dépend en grande partie de la teneur en humidité : Petit bois frais (environ 70 % d’humidité) : Hu = 6 000… 8 500 kJ/kg 350… 450 kg/Sm3 Petit bois séché à l’air (environ 25-35 %) : Hu = 14 000… 16 000 kJ/kg 230… 280 kg/Sm3 Copeaux (15-30 %) : Hu = 12 000… 13 500 kJ/kg 100… 170 kg/Sm3 Sciure (40-60 %) : Hu = 7 500… 10 000 kJ/kg 260… 320 kg/Sm3 Billes de bois (< 12 %) : Hu = 17 600… 19 500 kJ/kg 650… 670 kg/Sm3 Prix des combustibles : les prix du bois varient selon les régions et dépendent entre autres de l’essence, de l’origine, du degré de préparation, du degré de dessiccation et du volume d’enlèvement. Les coûts de préparation comprennent la récolte des composants, la préparation à la combustion, le stockage et le transport. Une combustion efficace nécessite avant tout une préparation élaborée et une dessiccation du bois. Le bois de chauffage est généralement stocké en stères (environ 50 à 70 €/stère). Prix du petit bois : bois des forêts provenant du bois forestier, du bois d’allumage (3 à 7 €/GJ ; 10 à 25 €/Sm3), bois scié (1,5 à 3 €/GJ ; 4 à 11 €/Sm3), vieux bois/bois d’occasion non pollué (1 à 2 €/GJ ; 3 à 7 €/Sm3). Le prix pour le concassage (hachage) est d’environ 1,2 à 1,6 €/GJ ; 4 à 6 €/Sm3 5. Les billes de bois (à l’unité : 7 à 9 €/GJ ; 140 à 170 €/t, en vrac : 12 à 13 €/GJ ; 220 à 240 €/t). 1. DIN 51731 : contrôle des combustibles solides – granulés de bois naturel – exigences et contrôle – octobre 1996. 2. Programme de certification „palettes de bois pour utilisation en petites chaufferies “d’après DIN 51731 – HP 5 (ÖNORM M 7135 – HP 1), état : janvier 2004. 3. ÖNORM M 7135: granulés de bois naturel ou d’écorce naturelle – palettes et briquettes – exigences et conditions de contrôle – novembre 2000. 4. ÖNORM M 7133: Petit bois à des fins énergétiques – exigences et conditions de contrôle – février 1998. 5. Weixler, H. : top agrar extra : Chauffer au bois ! (2000), page 65-67.

203

1 DONNÉES DE BASE

1.3 Données thermodynamiques…

1.3.6 Combustibles

1.3 Données thermodynamiques…

Procédé de combustion : la combustion du bois s’effectue en trois phases (voir fig. 1.3.6-5) : a) réchauffement et dessiccation (jusqu’à 150 °C), b) dissociation thermique et dégazage (jusqu’à environ 600 °C), c) combustion des gaz primaires (jusqu’à environ 1 200 °C). L’acheminement progressif de l’air (air primaire et secondaire, λ = 1,4… 2) cause la disparition complète du gaz de bois et du charbon de bois. Une teneur en eau plus élevée charge les gaz de fumée et peut mener à la corrosion dans le circuit des gaz de combustion (encrassement). Technique de combustion : différenciation (tableau 1.3.6-10) entre l’acheminement manuel (chaufferies de bois de chauffage) et automatique (chaufferies de billes de bois et de copeaux) du bois dans la chambre de combustion. Chauffage ventilé aussi pour sciure et copeaux de bois.

Phase

Chaîne de produits

Produit intermédiaire

Produit fini

Bois, lutro* Dessiccation

vapeur d’eau Bois, atro**

Dégazage phase de combustion (oxydation homogène)

air primaire gaz de combustion (CO, Gesamt-C, H2)

air secondaire

gaz de combustion

Charbon de bois calcination (oxydation hétérogène)

air primaire gaz de combustion (CO)

air secondaire

gaz de combustion

Cendres *lutro : séché à l’air **atro : complètement desséché

Fig. 1.3.6-5 : Tracé schématique des processus utilisés lors de la combustion du bois.*) *) Marutzky, R. ; Seeger, K. : Énergie produite à partir du bois et autres biomasses.

Les chaufferies à bois à chargement manuel fonctionnent la plupart du temps jusqu’à 50 kW. Une combustion efficace (rendement de la chaudière jusqu’à 85 %) et une longue durée de combustion (jusqu’à 10 h) sont assurées grâce à une arrivée d’air mécanique (air primaire/secondaire). Pour un fonctionnement efficace du chauffage, il est nécessaire d’utiliser un ventilateur (environ 100 L/kW). Certaines chaudières permettent une régulation du fonctionnement. Dans les chaufferies à bois automatiques, on utilise la plupart du temps les chutes et les copeaux de bois. Le transport de combustible peut être pneumatique ou se faire par chenilles, chaînes ou dispositifs hydrauliques. Les chaufferies automatiques sont la plupart du temps équipées de nettoyage des surfaces de chauffe et d’évacuation des cendres (voir aussi paragraphe 2.3.1-2.1 page 623).

-4.2 Oléagineux Du fait de leur valeur énergétique, les oléagineux (en Allemagne : huile de colza, huile de tournesol) sont essentiellement utilisés pour le fonctionnement des moteurs diesel et pour alimenter sans polluer les chauffages à huile végétale. L’utilisation de cette huile végétale pure comme carburant dans le domaine automobile (voitures particulières, poids lourds, tracteurs, moteurs elsbett tout comme dans les centrales thermiques, n’est possible qu’après une adaptation préalable. Actuellement, les oléagineux sont traités chimiquement (transestérification) comme biodiesel, ou méthyl-ester de colza, et utilisés comme carburants dans les moteurs diesel traditionnels des véhicules automobiles. Pour ce qui est des carburants diesel en Allemagne, le méthyl-ester de colza atteint aujourd’hui une part de marché d’environ 1,5 %. Le 1er janvier 2004, dans la loi fiscale sur l’huile minérale, une exonération fiscale a été étendue aux agrocarburants. Est également concernée la totalité des mélanges d’agrocarburants aux sources d’énergie fossiles ainsi que biocombustibles et mélanges à base de biocombustibles. On peut ainsi mélanger les méthyl-esters de colza avec des carburants fossiles jusqu’à une proportion de 5 % sans appellation spécifique.

204

1.3.7 Combustion

1.3 Données thermodynamiques…

Tableau 1.3.6-10 – Aperçu des installations de chaufferies pour les combustibles de bois Gamme de bois

Bois de chauffage Briquette de bois

Manuelle

Par gravité

Principe de fonctionnement Combustion par le bas Par le haut Combustion complète

< 250 kW

Piston

Bois au détail/en gros

Chargement mécanique Enfournement Soutirage (jusqu’à 2000 kW) Réchauffage de l’air (de 35 à 2 500 kW) Chauffage à grille (à partir de 1 000 kW)

pneumatiques

Sciure/poussière

Chauffage ventilé

Chenille

Copeaux (> 15 kW) Billes de bois (< 5 kW)

Automatique

1 DONNÉES DE BASE

Arrivée du combustible

1.3.7 Combustion -1

Généralités

La combustion est la réaction chimique (oxydation) sous l’effet de la chaleur des composants combustibles au contact de l’oxygène de l’air. Presque toutes les sources d’énergie, excepté le courant électrique, résultent de la combustion de matières dont les composants sont pour l’essentiel du carbone C et de l’hydrogène H, qui, en brûlant, se transforment en dioxyde de carbone CO 2 et en vapeur d’eau H2O. Pour les combustibles solides, la combustion s’opère en les chauffant, et pour les combustibles liquides et gazeux en dépassant la limite d’inflammabilité grâce à une étincelle.

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

-2

Pouvoir calorifique et chaleur de combustion

On appelle chaleur de combustion la quantité de chaleur libérée lors de la combustion complète d’un combustible (en kJ/kg ou kJ/m3). Définition dans DIN 5499:1972-01. Pour les combustibles qui contiennent de l’hydrogène, et donc de la vapeur d’eau dans les produits de combustion, on distingue la chaleur de combustion H0 (appelée autrefois pouvoir calorifique supérieur) et le pouvoir calorifique Hu (appelé autrefois pouvoir calorifique inférieur), suivant que l’on tient compte ou non de la quantité de chaleur latente de condensation de l’eau dans les gaz de combustion. La chaleur de combustion est plus grande que le pouvoir calorifique de la chaleur de condensation de l’eau contenue dans les gaz de combustion. Dans la plupart des chaufferies industrielles, les produits de combustion contiennent de l’eau à l’état de vapeur, si bien qu’il faut généralement effectuer les calculs de combustion à l’aide du pouvoir calorifique inférieur. C’est ainsi que

H 0 = Hu + r ⋅

9h + w en kJ/kg voire kJ/m3 100

r = enthalpie d’évaporation de l’eau = 2 500 kJ/kg ou 2 000 kJ/m 3 à 0 °C w = teneur en eau du combustible en % h = teneur en hydrogène du combustible en % Indications sur les pouvoirs calorifiques des combustibles solides, liquides et gazeux, tableaux 1.3.6-3, 1.3.6-6, 1.3.6-7, ainsi que 1.3.7-1 à 1.3.7-4. Pour les combustibles liquides et solides, la valeur exacte du pouvoir calorifique est transmise uniquement de façon calorimétrique en raison des nombreux types possibles de mélanges des composants. Le pouvoir calorifique peut être obtenu de façon empirique (d’après Boie) en décomposant le combustible comme suit : Hu ≈ 34,8 c + 93,9 h + 10,5 s + 6,3 n – 10,8 o – 2,5 w en MJ/kg c = teneur en carbone en kg/kg h = teneur en hydrogène en kg/kg n = teneur en azote en kg/kg o = teneur en oxygène en kg/kg s = teneur en soufre en kg/kg w = teneur en eau en kg/kg

205

206

1,17 3,73 2,71 2,60 1,35 2,19

1,26 1,25

0,72 1,52 2,01 1,91 4,87 0,090

26,04 78,1 58,1 56,1 30,1 46,11

28,05 28,01

16,04 32,04 44,09 42,08 92,11 2,016

75 37,5 81,8 85,7 91,2 0

85,7 42,9

92,5 92,2 83 85 80 52

25 12,5 18,2 14,3 8,8 100

14,3 0

7,5 7,8 17 15 20 13

H0 kJ/m3

47 150 10 100

63 410 12 630

48 220 58 470 40 580 157 970 45 715 134 060 45 290 125 860 47 490 70 290 27 710 67 070

Hu kJ/kg

55 500 50 010 39 820 23 840 21 090 36 200 50 340 46 350 101 240 48 920 45 780 93 580 42 850 40 940 208 890 141 800 119 970 12 745

50 280 10 100

49 910 42 270 49 500 48 430 51 880 30 570

H0 kJ/kg

35 880 32 030 93 210 87 575 199 570 10 780

59 460 12 630

26 490 151 650 123 810 117 710 64 345 60 790

Hu kJ/m3

Valeur de combustion, voire pouvoir calorifique

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Nr

gaz de gueulard des hauts fourneaux gaz de générateur de coke gaz de générateur de lignite gaz mixte 10+1 gaz de cokeries gaz double gaz de ville I 10+5 gaz de ville II 10+2 propane + air (1 = 4,5) gaz de cokerie (gaz naturel) gaz de coke raffiné gaz naturel L gaz naturel H propane C3H0 butane –n C4H10

Gaz de combustion 0,76 1,00 1,19 1,90 2,19 2,50 3,88 3,86 3,47 4,26 4,14 8,4 9,8 23,80 30,94

Besoin en air Lmin (m3/m3) 1,60 1,80 1,98 2,69 2,74 3,07 4,54 4,59 4,65 4,97 4,79 9,4 10,9 25,80 33,44

1,58 1,66 1,79 2,32 2,23 2,47 3,59 3,65 3,93 3,86 4,02 7,7 8,9 21,80 28,44

VA f VA tr (m3/m3) (m3/m3)

Volume de gaz de combustion

2,08 1,66 1,50 1,22 1,02 0,99 0,93 0,94 1,14 0,90 0,97 0,92 0,90 0,92 0,92

VA tr min/Lmin –

Tableau 1.3.7-2 – Combustion théorique des gaz de chauffage (valeurs indicatives d’après F. Schuster)

Pouvoir calorifique et valeur de combustion pour 25 °C et 1,013 bar, volumes pour 0 °C et 1,013 bar (DIN 51857).

Acétylène C2H2 C6H6 Benzène Butane (n) C4H10 C4H8 Butylène C2H6 Éthane C2H5OH Alcool éthylique C2H4 Éthylène CO Oxyde de carbone CH4 Méthane Méthanol CH3OH C3H8 Propane C3H6 Propylène C7H8 Toluène H2 Hydrogène

Produit

Teneur en Masse Masse Symbole moléculaire volumique 3 kg/kmol kg/m C poids H2 poids en % en %

Tableau 1.3.7-1 – Combustion des combustibles gazeux ou sous forme de vapeur

24,0 20,1 20,1 16,5 20,4 18,2 13,1 12,1 13,7 10,1 17,4 11,8 12,0 13,8 14,1

CO2max Vol.- %

13,3 5,0 11,8 11,2 10,4 26,4

11,3 1,91

10,2 10,2 11,4 11,6 12,3 7,0

14,6 6,0 12,8 11,9 10,9 32,0

12,1 2,30

10,6 10,6 12,4 12,4 13,4 8,0

13 32 38 48 143 140 113 93 42 111 117 36 49 42 39

11,7 15,1 13,8 15,1 17,1 0

15,1 34,7

17,5 17,5 14,1 14,9 13,2 15,0

4 080 5 340 6 070 9 125 11 510 12 770 18 000 18 000 18 000 19 670 20 090 35 150 41 100 100 880 133 870

Chaleur de combustion H0 (kJ/m3)

10,5 8,6 25,8 22,9 44,8 2,88

15,3 2,88

12,4 37,2 33,4 30,9 18,1 16,4

Vitesse d’inflammabilité (cm/s)

9,52 7,15 23,8 21,4 42,8 2,38

14,3 2,38

11,9 35,7 30,9 28,9 16,7 14,3

3 980 5 020 5 760 8 370 10 460 11 620 16 120 16 120 16 740 17 370 18 420 31 950 37 500 92 890 123 650

Pouvoir calorifique Hu (kJ/m3)

19,0 23 15,5 13,1 8,9 34,7

13,1 0

8,1 8,1 15,0 12,9 16,5 18,4

Volume d’air Humidité Gaz de Gaz de de combustion du volume de gaz combustion combustion théorique Lmin de combustion sec humide CO2 max H2O 3 3 3 3 3 3 m /kg m /m m /kg m /m Vol.- % Vol.- %

1.3 Données thermodynamiques… 1.3.7 Combustion

52,9 54,5 54,0 86 40 44

4,5 4,2 4,0 0,3 5 5

15,9 20,1 21,0 1,5 25 35

2 9… 12 2,5 9,2 2,4 12,4 5,7 … 6,2 1,57 … 20,9

25 … 32 29,3 26,6 72 … 77

1,8 … 6,5 5,4 … 12,5 9,5 … 12,0

o

3,4 … 5,3 4,7 … 5,2 4…5

h

73 … 83 70 … 78 72 … 78

c 0,9 0,6 0,8 0,2 1,0 0,2 1,0 2,1 0,4 0,35 0,7 1,0 0

0,3 0,3 0,4 – 0,6 0,8 0,7 1,5 2 0,5

s

1,1 1,2

n

Composition brute en poids (%)

8,9 5 6 12 7 0,5

3 5,7 3 5…7

4…7 3…8 5 … 7,5

a 30 140 … 33 070 28 050 … 31 400 28 460 … 30 560

15 15 14 1,5 20 15

20 930 20 090 20 090 29 300 15 490 15 490

50 … 60 7 530… 10 460 52 10 460 55 9 630 25 … 40 14 230 … 2 512

3…5 3…5 4…5

w

Pouvoir calorifique Hu (kJ/kg)

essence (valeur moyenne) Benzène Fioul de goudron de lignite Alcool éthylique pétrole gazeux (diesel) Fioul EL Fioul M Fioul S Hexane Méthanol Pentane Fioul de goudron de houille Toluène Xylol

Combustible

– C6H6 – C2H5OH – – – – C6H14 CH3OH C5H12 – C7H8 C8H10

– 78,1 – 46,1 – – – – 86,2 32,04 72,2 – 92,1 106,2

Masse Symboles chimiques moléculaire (kg/kmol)

Tableau 1.3.7-4 – Combustion des combustibles liquides 1 kWh = 3 600 kJ

85 92,2 84 52 87 86 85 84 83,6 37,5 82,2 91 91,2 90,5

C Poids 15 7,8 11 13 13 13 12 11 16,4 12,5 16,8 6,5 8,8 9,5

H2 poids

Teneur en

5,4 5,3 5,2 7,7 4,1 4,1

2,4 … 3,0 2,9 2,6 3,9 … 6,5

7,7 … 8,3 7,9 7,5

6,0 5,9 5,7 7,7 5,0 4,8

2,4 … 3,8 3,85 3,5 4,6 … 7,0

8,2 … 8,5 8,3 7,9

18,6 19,5 19,7 20,7 18,9 20,2

19,8 18,8 19,5 17,8 … 18,7

18,3 … 18,9 18,7 18,9

Volume des fumées Besoin VAmin (humide) CO2 max (%) théorique en air 3 Lmin (m /kg) (m3/kg)

720 875 925 794 870 850 910 960 660 790 626 1 060 867 863

60 … 120 80 – 78 230 … 360 200 … 350 250 … 400 > 300 60 64 37 – 111 140

46 050 42 270 42 700 30 570 44 710 44 790 43 120 42 280 48 680 23 840 49 010 39 150 42 850 43 290

207

11,5 10,2 10,3 7,0 11,2 11,2 10,8 10,6 11,8 5,0 11,8 9,8 10,4 10,6

10,7 9,8 9,6 6,5 10,4 10,2 10,1 10,0 10,9 4,7 10,9 9,2 8,9 10,0

DONNÉES DE BASE

42 700 40 580 40 230 27 710 41 820 42 700 41 020 39 770 45 100 21 090 45 350 37 680 40 940 41 220

12,3 10,6 10,9 8,0 11,9 11,8 11,7 11,4 12,6 6,0 12,7 9,9 10,9 11,1

15,0 17,5 16,1 15,0 15,5 15,5 15,7 15,9 14,3 15,1 14,2 18,1 17,1 16,8

Volume théorique Masse Besoin des fumées Va tr/Va f Point Chaleur de Pouvoir volumique CO2 max théorique m3/kg d’ébullition combustion calorifique à 15 °C air Lmin Vol.%. ρ (°C) H0 (kJ/kg) Hu (kJ/kg) en(m 3 Vatr Vaf /kg) (kg/m3) (m/kg) (m3/kg)

*) Suspension de la production de briquette de lignite en 1996 en raison de la teneur élevée en soufre (voir aussi paragraphe 194).

Houille Ruhr et Aix-la-chapelle Sarre Haute Silésie Lignite brut Rhénanie Saxe/Thüringen Lausitz Boême Briquette de lignite Bitterfeld/Leipzig*) Rhénanie Lausitz Coke (gaz de coke) Tourbe (séchée à l’air) Bois (séché à l’air)

Combustibles

Tableau 1.3.7-3 – Combustion des combustibles solides 1 kWh = 3 600 kJ

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

1.3 Données thermodynamiques… 1.3.7 Combustion

1

1.3.7 Combustion

1.3 Données thermodynamiques…

Pour ce qui est des mélanges combustibles gazeux, le pouvoir calorifique se calcule à partir de la somme des pouvoirs calorifiques des différents gaz : Hu = 10,78 H2 + 12,62 CO + 35,87 CH4 + 59,48 C2H4 + 56,51 C2H2 MJ/m3 H0 = 12,75 H2 +12,62 CO + 39,81 CH4 + 63,48 C2H4 + 58,48 C2H2 MJ/m3 où H2 = teneur en hydrogène en m3/m3 CO = teneur en oxyde de carbone en m 3/m3, etc. Pour d’autres composants combustibles, les équations doivent être décomposées en fonction des composants. Voir aussi DIN 51857:1997-03 pour les pouvoirs calorifiques des combustibles gazeux simples.

-3

Volume d’air comburant et gaz de combustion

La quantité d’air théoriquement nécessaire pour une combustion complète des combustibles est Lmin. Dans la plupart des chaufferies industrielles, il est toutefois requis d’avoir un excès d’air λ pour maintenir une combustion complète. On appelle volume d’air comburant la quantité d’air réellement acheminée L : L = λ . Lmin. Valeurs moyennes de λ au paragraphe 1.3.7-5 page 217. Formules principales de réaction en cas de combustion complète : C + O2 = CO2 →12 kg C + 32 kg O2 (22,4 m3) = 44 kg CO2 2H2 + O2 = 2H2O → 4 kg H2 + 32 kg O2 (22,4 m3) = 36 kg H2O S + O2 = SO2 → 32 kg S + 32 kg O2 (22,4 m3) = 64 kg SO2

-3.1 Combustibles solides et liquides Le tableau 1.3.7-5 présente le calcul du volume d’air de combustion théorique Lmin et des gaz de combustion (ou produits de combustion) Va avec leur composition. Les produits de combustion sont le dioxyde de carbone, le dioxyde de soufre et la vapeur d’eau. Les gaz de combustion contiennent en outre de l’azote et aussi de l’oxygène lorsque λ > 1. Le volume d’air de combustion théorique est (tableau 1.3.7-5) : Lmin =

22, 4 Ê c h s oˆ - ˜ = 8, 88 c + 26, 44 h + 3,32 s – 3,33o m3/kg Á + + 0, 21 Ë 12 4 32 32 ¯

où 22,4 = volume molaire des gaz en m 3/kg 0,21 = proportion en oxygène de l’air. Tableau 1.3.7-5 – Calcul de la combustion pour les combustibles solides et liquides

Substance

Besoin en air Lmin m3/kg

Volume de gaz de combustion m3/kg

kg/kg

Combustible

c poids-% h poids-% s poids-% o poids-% n poids-% w poids-%

8,88 c 26,44 h 3,32 s − 3,33 o – –

1,85 c 11,11 h 0,68 s – 0,80 1,24 w

3,67 c 9h+w 2s – n w

CO2 H2O SO2 – N2 H2O

Air

x kg/kg o n

Lmin (1 + 1,6 x) – –

λLmin .1,6 . x (λ – 1)0,21. Lmin λ . 0,7. Lmin

λ. Lmin .1,28 . x λ (0 – 3,330) λ.n

H2O O2 N2

Le volume sec du gaz de combustion est

Vgc = 1,85 c + 0,68 s + 0,8 n + (l – 0,21)Lmin m3/kg

208

Produits de combustion

1.3.7 Combustion

Le volume du gaz de combustion humide Vaf est additionné de la vapeur d’eau dans les gaz de combustion (ou brûlés). Il faut donc s’assurer que la vapeur d’eau apparaît non seulement à travers la teneur en hydrogène du combustible, mais aussi à travers la teneur en vapeur d’eau x de l’air de combustion. Autres valeurs, voir exemple ci-dessous. Exemple Combustion de 1 kg de houille avec un excès d’air λ = 1,5. Teneur en eau de l’air x = 10 g/kg. Composition du combustible : c 0,80 (carbone) h 0,05 (hydrogène) s 0,02 (soufre) o 0,07 (oxygène) n 0,0 (azote) w 0,04 (eau) a 0,02 kg/kg (cendres) Volume d’air théorique : Lmin = 8,88 c + 26,44 h + 3,32 s – 3,33 o = 8,88 . 0,80 + 26,44 . 0,05 + 3,32 . 0,02 – 3,33 . 0,07 = 8,26 m3/kg Volume d’air théorique nécessaire à la combustion : Vgc = 1,85 c + 0,68 s + (λ – 0,21) Lmin = 1,85 . 0,80 + 0,68 s . 0,02 + 1,29 . 8,26 = 12,15 m3/kg Volume de gaz de combustion humide (sans humidité de l’air x) : Vgh = Vgc + 11,11 h + 1,24 w = 12,15 + 11,11 . 0,05 + 1,24 . 0,04 = 12,76 m3/kg Volume de vapeur d’eau sans humidité de l’air x : W = 11,11 h + 1,24 w = 0,61 m3/kg Apparition d’une quantité supplémentaire de vapeur d’eau, soit x = 10 g/kg : W′= λ . Lmin . 1,6 x = 1,5 . 8,26 . 1,6 . 0,010 = 0,20 m3/kg Volume de dioxyde de carbone : 1,85 c = 1,85 . 0,80 = 1,48 m3/kg Teneur des gaz de combustion secs en dioxyde de carbone : 1,48 : 12,15 = 12,3 % Formule de base pour le besoin en air minimum : Lmin ≈ 0,25 m3 pour 1 000 kJ ou ≈ 0,9 m3 pour 1 kWh.

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-3.2 Combustibles gazeux Débit d’air théorique : Lmin =

⎤ 1 ⎡⎛ CO − + H 2 ⎞ + ( n + m/4 ) Cn H m − O 2 ⎥ m 3 /m 3 ⎢⎜ ⎟ 0, 21 ⎣⎝ 2 ⎠ ⎦

Débit d’air réel :

L = λ ⋅ Lmin m 3 /m 3 Volume de gaz de combustion humide (sans humidité de l’air) :

Vgh = λ ⋅ Lmin + 1/2 ( CO + H 2 ) +

m ⋅ Cn H m + CO 2 + O 2 + N 2 4

⎛ m⎞ = volume de gaz + λ Lmin − 0, 5 ( CO + H 2 ) − ⎜ 1 − ⎟ Cn H m m 3 /m 3 ⎝ 4⎠ Volume de vapeur d’eau dans le gaz de combustion :

H 2 + m/2(Cn H m ) m 3 /m 3 Réduction du volume entre (quantité de gaz + quantité d’air) et volume de gaz de combustion humide :

ΔV = 0, 5(CO + H 2 ) + (1 − m/4)Cn H m m 3 /m 3

209

1 DONNÉES DE BASE

1.3 Données thermodynamiques…

1.3.7 Combustion

1.3 Données thermodynamiques… Composition du gaz de combustion : Composant du gaz de combustion

Formule

Gaz de combustion en m3/m3

CO2 H2O O2 N2

CO2 + CO + n (CnHm) H2 + m/2 (CnHm) 0,21 (λ −1) . Lmin N2 + 0,79 λ . Lmin

Dioxyde de carbone Vapeur d’eau Oxygène Azote

Exemple Combustion de 1 Nm3 de gaz naturel H avec λ = 1,2 (voir tableau 1.3.7-1). Composition : CH4 0,93 C2H 6 0,03 C 3H 8 0,02 CO2 0,01 N2 0,01 m3/m3 Pouvoir calorifique Hu = 0,93 . 35 880 + 0,03 . 64 345 + 0,02 . 93 210 = 37 162 kJ/m3 Débit d’air théorique :

Lmin =

1 ( 2 ⋅ 0, 93 + 3, 5 ⋅ 0, 03 + 5 ⋅ 0, 02) = 9, 83 m 3/m 3 0, 21

Débit d’air réel : L = λ . Lmin = 1,2 . 9,83 = 11,8 m3/m3 Volume de gaz de combustion humide = volume de gaz + λ · Lmin (sans tenir compte de la dilatation) : Vgh = 1,0 + 11,8 = 12,8 m3/m3 Volume de vapeur d’eau : 2 · 0,93 + 3 · 0,03 + 4 · 0,02 = 2,08 m 3/m3 Composition du gaz de combustion : CO2 H2O O2 N2

0,93 + 2 . 0,03 + 3 . 0,02 + 0,01 2 . 0,93 + 3 . 0,03 + 4 . 0,02 0,21 . 0,2 . 9,83 0,01 + 0,79 . 1,2 . 9,83

Volume total du gaz de combustionVgh

= = = =

1,06 m3/m3 2,03 m3/m3 0,41 m3/m3 9,32 m3/m3

= 12,82 m3/m3

= = = =

8,3 Vol.-% 15,8 Vol.-% 3,2 Vol.-% 72,7 Vol.-%

= 100 Vol.-%

-3.3 Valeurs approchées Pour les valeurs approchées des volumes de gaz de combustion et de l’air concernant les combustibles liquides et gazeux d’après Rosin et Fehling1, voir tableau 1.3.7-6 et fig. 1.3.7-1 à 1.3.7-3 avec exemples. Pour les combustibles solides et liquides, les PCI sont à formuler en kJ/kg, et pour les combustibles gazeux, en kJ/m3. Avec une proportion d’air λ, le volume d’air est L = λ . Lmin, et le volume de gaz de combustion VA = VAmin + (λ – 1) Lmin.

1. Rosin, P. et Fehling, R. : Le diagramme it de la combustion. Berlin, édition VDI 1929.

210

1.3.7 Combustion

1.3 Données thermodynamiques…

1 = cλ

DONNÉES DE BASE

Besoin en air et volume du gaz de combustion

Détermination du facteur d’air λ

1,5

ve na

Teneur en CO2

tio us mb

o

ec

zd

me

a eg

d

lu Vo

Besoin en air Lmin pour une combustion théorique

Pouvoir calorifique

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

Fig. 1.3.7-1 : Volume du gaz de combustion (humide) et besoin en air des combustibles solides avec 2 exemples. Exemple 1 : D’après le tableau 1.3.7-3, la combustion de la houille avec un pouvoir PCI (Hu) = 32 MJ/kg (8,89 kWh/kg) et une teneur maximale en CO2 des fumées de 18,7 % donne, pour une proportion d’air λ = 1,50 : Besoin en air pour une combustion théorique Lmin = 5,3 m3/kg Quantité d’air réelle L = 1,3 . Lmin = 6,83 m3/kg. Quantité de produits de combustion réelle VA = 12,6 m3/kg = 12,4 % Teneur en CO2 des produits de combustion Exemple 2 : La combustion de briquettes de lignite avec un pouvoir calorifique PCI (Hu) = 20 000 kJ/kg et une teneur maximale en CO2 des gaz de combustion de 19,5 % d’après le tableau 1.3.7-3 donne, pour une proportion d’air λ = 1,3 : Besoin d’air pour une combustion théorique Lmin = 5,3 m3/kg Quantité d’air réelle L = 1,3 . Lmin = 6,89 m3/kg Quantité de gaz de combustion pour une combustion théorique VAmin = 5,89 m3/kg Quantité de gaz de combustion réelle Va = 7,5 m3/kg = 15 % Teneur en CO2 des gaz de combustion

211

1.3.7 Combustion

1.3 Données thermodynamiques…

Besoin en air et volume du gaz de combustion

Détermination du facteur d’air λ

Teneur en CO2

,5 az λ=1 de g vec e a m n Volu mbustio o de c

Besoin en air Lmin pour une combustion théorique

Pouvoir calorifique

Fig. 1.3.7-2 : Volume des produits de combustion (humide) et besoin en air de combustion des combustibles liquides avec 2 exemples. Exemple 1 : D’après le tableau 1.3.7-4, la combustion du fioul domestique avec le pouvoir calorifique PCI (Hu) = 42 MJ/kg (11,67 kWh/kg) et CO2max = 15,5 % donne, pour une teneur en CO2 de 10 % des produits de combustion Excès d’air λ = 1,55 Besoin d’air pour une combustion théorique Lmin = 10,4 m3/kg Volume d’air réel L = 1,55 . Lmin = 16,1 m3/kg Quantité de gaz de combustion (humide) réelle Va = 16,8 m3/kg Exemple 2 : Le fioul domestique avec un pouvoir calorifique PCI = 44,8 MJ/kg et CO2max = 15,4 % donne, pour une teneur en CO2 de 13 % des produits de combustion : Excès d’air λ = 1,18 Besoin d’air pour une combustion théorique Lmin = 11,1 m3/kg Volume d’air réel L = 11,1 . 1,18 = 13,1 m3/kg Volume des produits de combustion (humide) réel Va = 13,8 m3/kg

212

1.3.7 Combustion

tio n

av ec

λ=

1,5

1.3 Données thermodynamiques…

DONNÉES DE BASE

zd ga de me Vo lu

Besoin en air et volume du gaz de combustion

ec

om

bu s

1

Gaz pauvres

Besoin en air Lmin pour une combustion théorique

Gaz riches

Pouvoir calorifique

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

Fig. 1.3.7-3 : Volume des produits de combustion (humide) et besoin en air des combustibles gazeux avec 2 exemples. Exemple 1 : La combustion de gaz de ville avec le pouvoir calorifique PCI = 16 MJ/m3 (4,44 kWh/kg) donne, pour un excès d’air λ = 1,3 : Besoin d’air pour une combustion théorique Lmin = 3,9 m3/m3 Volume d’air réel L = 1,3 . Lmin = 5,1 m3/m3 Volume des fumées pour une combustion théorique VAmin = 4,6 m3/m3 Volume réel des fumées VA = 5,8 m3/m3 Exemple 2 : La combustion de gaz naturel avec le pouvoir calorifique PCI = 34 000 kJ/m3 (9,44 kWh/kg) donne pour un excès d’air λ = 1,3 : Besoin d’air pour une combustion théorique Lmin = 8,6 m3/m3 Volume d’air réel L = 1,3 . 8,6 = 11,2 m3/m3 Volume des fumées pour une combustion théorique VAmin = 9,5 m3/m3 Quantité de gaz de combustion réelle VA = 12,1 m3/m3

213

1.3.7 Combustion

1.3 Données thermodynamiques…

Tableau 1.3.7-6 – Valeurs approchées du volume d’air théorique et du volume de produits de combustion

Lmin m3/kg voire m3/m3

Combustible

0,241 Hu

Combustibles solides

1 000 0,203 Hu

Fiouls

1 000

+ 0,5 + 2,0

VA min m3/kg voire m3/m3 0,212 Hu 1 000 0,265 Hu 1 000

Gaz pauvres (Hu < 12 500 kJ/m3) (gaz à l’eau, gaz de gazogène, gaz de hauts fourneaux)

0,209 Hu

0,173 Hu

1 000

1 000

Gaz riches (Hu > 12 500 kJ/m3) (gaz de pétrole, de cokeries, d’éclairage)

0,260 Hu 1 000

− 0,25

+ 1,65

0,272 Hu 1 000

+ 1,0

+ 0,25

-3.4 Masse volumique des produits de combustion La masse volumique ρ des gaz de combustion se calcule à partir de la composition qui suit : ρ = ρCO2 . CO2 + ρO2 . O2 + ρN2 . N2 + ρH2O . H2O en kg/m3 CO2 = teneur CO2 en m3/m3, etc.

ρ = p/RT (R = constante des gaz).

Masse volumique ρ

Les densités des différents composants du gaz de combustion sont : CO2 ρ = 1,97 kg/m3 O2 ρ = 1,43 kg/m3 N2 ρ = 1,257 kg/m3 H 2O ρ = 0,804 kg/m3 CO ρ = 1,25 kg/m3 Plus la masse volumique est forte, plus la teneur en CO 2 est élevée, et plus elle est faible, plus la teneur en H2O est élevée. La fig. 1.3.7-4 donne des valeurs moyennes de masses volumiques pour les combustibles liquides et solides. Pour celles des combustibles gazeux, les valeurs sont à calculer au cas par cas, car elles sont très variables.

solide

liquide

Puissance calorifique Hu kJ/kg

Fig. 1.3.7-4 : Masse volumique des produits de combustion humides pour les combustibles liquides et solides. 1 000 kJ = 0,28 kWh.

Ordres de grandeur pour des conditions moyennes : Combustibles solides ρ ≈ 1,33 kg/m3 Fioul ρ ≈ 1,32 kg/m3 Gaz de ville ρ ≈ 1,25 kg/m3 Gaz naturel (méthane) ρ ≈ 1,25 kg/m3

-3.5 Capacité thermique massique des produits de combustion Pour les produits de combustion de composition moyenne, la véritable capacité thermique massique est : Cp = 1,35 + 0,00030 t en kJ/m3 .K.

214

1.3.7 Combustion

1.3 Données thermodynamiques…

Pour des calculs exacts, il faut prendre en compte les capacités thermiques massiques réelles des composants élémentaires des produits de combustion. D’où, pour n composants élémentaires, on a la relation : Cp = Σ n C p La plupart des échanges thermiques s’effectuent dans une large plage de température. Dans ces cas, il faut calculer la capacité thermique massique moyenne Cpm (tableau 1.3.7-7 et fig. 1.3.7-8) : Valeur moyenne Cpm = 1,35 + 0,00015 t.

Tableau 1.3.7-7 – Capacité thermique spécifique moyenne Cpm des gaz entre 0 et t °C par rapport à un volume normal en kJ/m3 .K t en °C

N2

O2

CO2

H2O

0 200 400 600 800 1 000

1,30 1,31 1,33 1,35 1,37 1,40

1,31 1,34 1,38 1,42 1,45 1,48

1,61 1,80 1,94 2,06 2,15 2,20

1,49 1,52 1,56 1,61 1,66 1,72

-3.6 Teneur en vapeur d’eau et point de rosée des produits de combustion Pour connaître le point de rosée des produits de combustion, on calcule d’abord, d’après le paragraphe 1.3.73.1 page 208 et -3.3 page 210, la teneur en vapeur d’eau des gaz de combustion en % du volume H2O = (11,20 h + 1,24 w)/VA, d’où une pression de vapeur d’eau en mbar proportionnelle à ce pourcentage, puis, à partir du tableau de vapeur d’eau, la température de saturation qui correspond au point de rosée. Plus le point de rosée des produits de combustion est élevé, plus la teneur en hydrogène et en eau des combustibles est importante. Exemple Teneur en vapeur d’eau des produits de combustion de la houille dans l’exemple du paragraphe 1.3.7-3.1 page 208 : 0,61/kg = 0,61/12,67 = 4,8 Vol.- % (18/22,4 . 48 = 0,804 . 48 = 39 g/m3) Pression de vapeur : 4,8/100 . 1 013 = 48 mbar. Point de rosée : 32 °C (à partir du tableau 1.3.4-1 page 126). Pour éviter la formation d’humidité et de graisse sur les surfaces de chauffe ainsi que la corrosion, les produits de combustion ne doivent pas être refroidis en dessous du point de rosée. Les points de rosée moyens pour différents combustibles en fonction de l’excès d’air sont indiqués sur la fig. 1.3.7-6, en fonction de la teneur en eau des produits de combustion sur la fig. 1.3.7-5.

Point de rosée

Lign ite b rut a vec 6 0%

Point de rosée

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La capacité thermique massique cp par kg est cp = Cp/ρ (ρ = densité en kg/m3).

G a z de

Teneur en eau des fumées en g/m3

Fig. 1.3.7-5 : Point de rosée et teneur en eau des produits de combustion dans des conditions normales.

de H O 2

Gaz d G az e ville B o i s n a t u r el s , Lign tourbe ec ite as séché Fiou à 15 % Houlil le

haut four n

eau

Quantité d’air λ

Fig. 1.3.7-6 : Point de rosée pour la vapeur d’eau concernant les différents combustibles.

215

DONNÉES DE BASE

1

Voici certaines valeurs standard pour Cpm avec des températures comprises entre 100 et 300 °C : Combustion de charbon Cpm = 1,37 kJ/m3 .K Combustion de gaz Cpm = 1,38 kJ/m3 .K Combustion de fioul Cpm = 1,39 kJ/m3 .K

1.3.7 Combustion

1.3 Données thermodynamiques…

Pour les combustibles contenant du soufre, il peut se former à partir du SO 2 une plus ou moins grande quantité de SO3 (anhydride sulfurique) dans les produits de combustion dans certaines circonstances, notamment en cas d’excès d’air élevé. Le SO 3 se mélange à la vapeur d’eau des produits de combustion pour devenir le H2SO4 (acide sulfurique). Lorsque la teneur en soufre du fioul est de 0,5 %, le point de rosée de l’acide est d’environ 130 °C. Voir paragraphe 1.10.5 page 384.

-4

Température de combustion

La température de combustion tc est la température que les produits de combustion devraient théoriquement atteindre en l’absence de perte de chaleur vers l’extérieur (combustion adiabatique). Elle se calcule à partir du pouvoir calorifique inférieur des combustibles PCI et de la capacité thermique massique moyenne Cpm des produits de combustion. Tableau 1.3.7-7 et fig. 1.3.7-8. C’est ainsi qu’on calcule, connaissant le volume de produits de combustion VA, la température de combustion théorique T = PCI/C . V en °C. c

pm

A

Des températures de combustion théoriques pour différents combustibles sont données fig. 1.3.7-9. Le calcul exact est d’autant plus difficile qu’avec des températures supérieures à ≈ 1 500 °C, le CO2 et le H2O se dissocient sous l’effet de la chaleur, si bien que les températures baissent (dissociation). Pourtant, pour des calculs pratiques, il suffit d’utiliser une composition moyenne des gaz de combustion dont la capacité thermique massique ne dépend que de la température et du pourcentage en air. C’est sur quoi repose la construction du diagramme h, t, qui indique l’enthalpie h, t par m3 du gaz de combustion en fonction de la température et du pourcentage en air (fig. 1.3.7-7). On détermine ensuite l’enthalpie des produits de combustion d’après la formule : Hu H h= = u kJ/m 3 VA min + (λ − 1) Lmin VA et le pourcentage d’air dans les produits de combustion :

(λ − 1) Lmin (λ − 1) Lmin = VA min + (λ − 1) Lmin VA Fioul

Gaz

or

ti o

Teneur en air l

n d Facteur d’air λ ’ a ir l= 0

Charbon

Pr

op

Pouvoir calorifique Hu MJ/kg Exemple : Houille Hu

G

d az

e

co

m

s bu

ti o

n

n sa

s

ai

r

r Ai

Température de combustion tv

Fig. 1.3.7-7 : Diagramme t, h pour les produits de combustion (d’après Rosin et Fehling).

216

Enthalpie de gaz de combustion h

l=

1.3.7 Combustion

1.3 Données thermodynamiques…

On peut ensuite lire la température théorique de combustion à partir du diagramme. À l’inverse, l’enthalpie des produits de combustion peut être calculée en kJ/m 3 avec une température définie. Dans les combustions réelles, la température de la flamme, par suite du rayonnement des flammes et de la déperdition de chaleur, est plus faible que la valeur théorique et en outre très différente (tableau 1.3.7-8). La dissociation est déjà prise en compte dans le diagramme. Exemple Combustion de gaz de ville avec PCI = 20 900 kJ/m 3 (5,81 kWh/m3). Température initiale t1 = 20 °C, λ = 1,3. Quelle est la température de combustion théorique tc ?

0, 272 ⋅ 20 900 + 0, 25 = 5, 93 m 3 /m 3 1 000 20 900 = = 2 792 kJ/m 3 5, 93 + 0, 3 ⋅ 5,18

VA min = h

l=

0, 3 ⋅ 5,18 = 0, 21 5, 93 + 0, 3 ⋅ 5,18

Selon le diagramme t, h, la température de combustion est tc = 1 700 + 20 = 1 720 °C. Les valeurs pour Lmin et VA peuvent également être déduites de la fig. 1.3.7-3. au

d’e

ur

pe Va

Fig. 1.3.7-8 : Capacité thermique massique moyenne des produits de combustion secs et de la vapeur d’eau entre 0 et t °C.

Gaz p

Température des produits de combustion

Température

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Fig. 1.3.7-9 : Températures théoriques de combustion de différents combustibles.

CO 2

o

ec

zd

Ga

0%

n2

io ust mb

vres au

Gaz riches

Fiouls

Combustibles solides

Pouvoir calorifique Hu (PCI) kJ/kg ou kJ/m3

Tableau 1.3.7-8 – Température moyenne de combustion dans des brûleurs Température théorique en °C Houille Lignite Fioul EL (domestique) Fioul S (lourd) Gaz pauvres Gaz naturel

-5

≈ 2 200 ≈ 1 500 ≈ 2 100 ≈ 2 000 1 000 … 2 000 ≈ 1 950

Température réelle en °C Brûleur à grille mobile Brûleur de charbon pulvérisé Brûleur à cendre fondue Brûleur à fioul Brûleur au gaz naturel Brûleur d’ordures ménagères

1 200 … 1 400 1 300 … 1 500 1 400 … 1 700 1 200 … 1 600 1 200 … 1 600 900 … 1 000

Analyses des produits de combustion

La composition des produits de combustion permet de juger de la qualité de la combustion. Dans les combustions bien conduites, la composition des produits de combustion est contrôlée en continu par des instruments de mesure spécifiques. L’excès d’air le plus approprié est celui pour lequel les pertes calorifiques sont les plus minimes. Une teneur en CO 2 élevée des produits de combustion ne convient pas du tout, car il apparaît la plupart du temps du monoxyde de carbone.

217

DONNÉES DE BASE

Lmin

1

0, 260 ⋅ 20 900 = − 0, 25 = 5,18 m 3 /m 3 (tableau 1.3.7-6). 1 000

1.3.7 Combustion

1.3 Données thermodynamiques…

On doit avoir en général pour : λ = 1,1 … 1,3 – les brûleurs à gaz à air soufflé – les brûleurs atmosphériques à gaz λ = 1,25… 1,5 – les brûleurs à fioul λ = 1,2 … 1,5 – les foyers à charbon pulvérisé λ = 1,2 … 1,3 – les foyers à charbon à chargement mécanique λ = 1,3 … 1,5 – les foyers à charbon à chargement manuel λ = 1,5 … 2,0 Pour les rendements de combustion et les pertes calorifiques, voir paragraphe 2.3.1-2.6 page 672.

-5.1 Combustion complète Lors de la combustion complète, les produits de combustion secs ne contiennent que du CO 2, SO2 et N2. Concernant les combustibles solides et liquides pour lesquels la teneur en dioxyde de soufre et en azote peut être négligeable, l’excès d’air λ se calcule à partir de la teneur en dioxyde de carbone CO 2 des produits de combustion d’après l’équation ci-dessous : tr ⎛ CO 2 max ⎞ VA min λ = 1+ ⎜ − 1⎟ ⎝ CO 2 ⎠ Lmin

CO2 = teneur en dioxyde de carbone des produits de combustion CO2 max = teneur maximale en dioxyde de carbone des produits de combustion VtrA min = volume théorique des produits de combustion sec en m 3/kg Lmin = volume d’air théorique en m3/kg Étant donné que pour les combustibles solides V A min ≈ Lmin, on a approximativement :

λ=

CO 2 max . CO 2

Pour le fioul domestique :

⎛ CO 2 max ⎞ λ = 1+ ⎜ − 1⎟ 0, 93… 0, 97. ⎝ CO 2 ⎠ Pour les combustibles gazeux, le rapport VtrA min/Lmin oscille en fonction de la composition des gaz entre 0,9 et 1,9, si bien qu’il faut toujours effectuer les calculs de λ avec la formule exacte. Pour les gaz naturels et le gaz de ville, on peut accepter un rapport compris entre de 0,9 à 1,0. Pour les combustibles gazeux contenant de l’azote, on utilise l’équation générale suivante :

λ=

⎛ 21 O ⋅V ⎞ 1+ 2 N 21 − 79 O 2 /N 2 ⎜⎝ N 2 ⋅ O min ⎟⎠

VN = teneur en azote du gaz que l’on va brûler en m 3/m3 O2 = teneur en O2 des produits de combustion en m3/m3 N2 = teneur en N2 des produits de combustion en m3/m3 Présentation graphique fig. 1.3.7-10.

ke Co lle ul ui Ho Fio le de vil Gaz rel natu Gaz

Gaz de ville et gaz naturel

218

d

Fig. 1.3.7-10 : Excès d’air λ et teneur en O2 en fonction de la teneur en CO2 des produits de combustion pour différents combustibles et en cas de combustion complète.

r ula

ue

eg zd

Ga

Volume d’air λ

Charbon et fioul

Teneur en CO2 et O2

1.3.7 Combustion

1.3 Données thermodynamiques…

La teneur maximale en CO2 CO2max des produits de combustion secs résulte pour différents combustibles de la formule :

1, 87 c 1, 87 c = 1,87 c + 0,79 .Lmin 8,86 c + 21h – 2,6o

Pour le carbone pur (c = 1, h = 0, o = 0), CO2max = 0,21, alors qu’elle est plus faible pour les combustibles solides et liquides (fig. 1.3.7-14). Exemple Les produits de combustion d’un fioul ont une teneur en dioxyde de carbone de 11 %. Quels sont l’excès d’air λ et la composition des produits de combustion secs ? Selon les fig. 1.3.7-10 et 1.3.7-14 : λ = 1,40 et O2 = 6,2 %. Composition des produits de combustion : 11,0 CO 2 + 6,2 O2 + 82,8 N2 ≈ 100 %.

-5.2 Combustion incomplète Lors de la combustion incomplète, qui peut se produire en cas de manque d’air, de mauvais mélange combustible/air ou de sous-refroidissement des gaz à brûler, les fumées contiennent encore des composants non brûlés, notamment de l’oxyde de carbone CO, de l’hydrogène H 2, ainsi que des suies. En raison du grand pouvoir calorifique du CO, une teneur en CO même infime des gaz est synonyme de fortes pertes calorifiques. C’est pourquoi le contrôle du CO et du H 2 des produits de combustion, des chaufferies, est un moyen important d’en vérifier le bon fonctionnement. L’équation de l’excès d’air λ est :

( CO2 + CO ) ⋅ 100 tr 100 − 0, 5 CO − 1, 5 H 2 VA min ⋅ Lmin ( CO2 + CO ) ⋅ 100 100 − 0, 5 CO − 1, 5 H 2

CO 2 max −

λ = 1+

En cas de combustion complète, l’excès d’air est calculé avec l’équation correspondante. Directives d’après la loi sur la protection contre les émissions au paragraphe 2.3.1-2.6 page 672.

or op

Teneur en CO2

Gaz naturel

Pr n

tio rλ

ai

d’

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

-5.3 Diagrammes de combustion La composition des fumées permet d’obtenir une vue d’ensemble grâce au triangle de gaz de combustion (triangle de combustion), dont il existe plusieurs types. Le triangle de combustion dit « diagramme d’Ostwald » doit être dessiné séparément pour chaque combustible, et indique la teneur en CO et l’excès d’air λ en fonction de la teneur en CO2 et O2 des fumées. Il peut également être utilisé pour le contrôle des analyses des fumées. En ordonnées figure la teneur de CO2max, en abscisses la teneur de O2 = 0,21. Les droites de CO sont parallèles aux hypoténuses. Exemples fig. 1.3.7-11 à 1.3.7-13.

Teneur en O2

Fig. 1.3.7-11 : Diagramme d’Ostwald pour le gaz naturel (Groningen). Avec O2 = 3,5 % et CO2 = 9,8 %, λ = 1,18.

219

1 DONNÉES DE BASE

CO 2 max =

1.3.7 Combustion

Teneur en O2 des gaz de combustion secs

1.3 Données thermodynamiques…

Pr

op

or

tio

n

de

l’e xc

ès

d’

ai

rλ

Teneur en CO2 des gaz de combustion secs

Fig. 1.3.7-12 : Diagramme d’Ostwald pour le fioul domestique (CO2max = 15,5 %). Avec CO2 = 11 %, l’excès d’air λ = 1,43 en cas de combustion complète.

Carbone Bois Houille

Teneur en CO2

Fioul Gaz de ville Gaz naturel

Gaz de hauts fourneaux

Teneur en O2

Fig. 1.3.7-13 : Diagramme d’Ostwald pour le charbon gras et le charbon à gaz (CO2max = 18,6 %).

Exemple L’analyse des produits de combustion au moyen d’un appareil d’Orsat pour la houille donne : CO 2 = 13 %, O2 = 6 % donne CO = 0,5 %, proportion d’air λ = 1,38. Sur le triangle de Bunte, quel que soit le combustible, figure le point de mesure en cas de combustion complète sur la ligne droite qui traverse le point 0 en dessous de 45° (fig. 1.3.7-14). En cas de combustion incomplète, le point de mesure se trouve à gauche de la droite. Lorsque les points de mesure se trouvent à droite de la ligne droite, les mesures sont fausses. Exemple Combustion de fioul domestique. D’après la fig. 1.3.7-14 : CO 2max = 15,5 %. Lorsque CO2 = 10 %, O2 = 7,4 %. λ = CO2max/CO2 = 1,55.

-6

Température d’inflammation et limites d’inflammabilité

L’inflammation d’un mélange de combustible et d’air comburant s’effectue uniquement au-dessus d’une certaine température appelée température d’inflammation (point d’auto-inflammation). Elle dépend de plusieurs conditions extérieures et intérieures et n’est donc pas une valeur constante. On distingue en outre pour les gaz et vapeurs une limite d’inflammabilité supérieure et inférieure (limite d’explosion). L’inflammation du mélange s’effectue uniquement dans ces limites (tableaux 1.3.7-9 à 1.3.7-11).

220

1.3.7 Combustion

1.3 Données thermodynamiques…

La vitesse de propagation de la flamme est la vitesse à laquelle la combustion s’opère dans un mélange. Elle varie selon la composition du mélange et présente un maximum dans le cadre des limites d’inflammabilité. Dans le mélange avec l’oxygène, la vitesse de propagation de la flamme est de 5 à 12 fois plus grande que dans le mélange avec l’air. Quelques valeurs sont données, en cas d’écoulement laminaire, sur la fig. 1.3.7-15. En cas de grande vitesse d’inflammabilité, léger retour de flamme, par exemple pour les gaz naturel à teneur élevée en H2. En cas de faible vitesse d’inflammabilité, légère élévation de la flamme du brûleur. Entre ces limites se situe le processus de combustion stable.

Combustible

Temp. d’inflammation en °C

Essence Benzol Butane (n) Gaz naturel Fioul domestique Fioul lourd Bois Charbon de bois Coke Propane

350 … 520 520 … 600 430 ≈ 650 230 … 245 ≈ 340 200 … 300 300 … 425 550 … 600 ≈ 500

Combustible

Temp. d’inflammation en °C

Lignite brut Suie Gaz de ville Houille Poussière Charbon gras Charbon actif Anthracite Bois à brûler Tourbe séchée

200 … 240 500 … 600 ≈ 450 150 … 220 ≈ 250 ≈ 260 ≈ 485 170 225

Tableau 1.3.7-10 – Limites d’inflammabilité et températures d’inflammation des principaux gaz et vapeurs dans l’air à la pression 1,013 bar

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

Type de gaz et de vapeurs

ammoniac Acétylène Essence Butane (n) Gaz naturel H Gaz naturel L Éthane Éthylène Gaz naturel Gaz liquéfié (50 % propane/butane) Gaz de gazogène (houille) Gaz pauvre de haut fourneau Fioul domestique Gaz de digestion Monoxyde de carbone Méthane Propane Propylène Sulfure d’hydrogène Gaz de ville type I Gaz de ville type II Hydrogène

Limites d’inflammabilité (dans l’air) (Vol.-%)

Formule chimique

Rapport de densité à l’air (air = 1)

Température d’inflammation (dans l’air) (°C)

NH3 C 2H 2 – C4H10 – – C 2H 6 C 2H 4 – –

0,59 0,90 – 2,05 0,67 0,64 1,047 1,00 0,39 1,79

15 … 28 1,5 … 82 0,6 … 8 1,8 … 8,5 5 … 14 6 … 14 3,0 … 12,5 2,7 … 34 5 … 33 2…9

630 335 220 460 640 670 510 425 600 490

– – – – CO CH4 C 3H 8 C 3H 6 H 2S – – H2

0,90 0,98 0,67 0,60 0,97 0,55 1,56 1,48 1,19 0,47 0,51 0,07

18 … 64 35 … 75 0,6 … 6,5 5 … 14 12,5 … 74 5,0 … 15 2,1 … 9,5 2 … 11,7 4,3 … 45,5 5 … 38 6 … 32 4 … 76

625 495 ≈ 230 – 605 595 470 455 270 550 550 585

221

DONNÉES DE BASE

1

Tableau 1.3.7-9 – Température d’inflammation des combustibles dans l’air (valeurs moyennes)

1.3.7 Combustion

1.3 Données thermodynamiques…

Tableau 1.3.7-11 – Limites d’inflammabilité, points éclair et températures d’inflammation des principaux solvants

Solvant

Acétone

Formule chimique

Masse volumique kg/dm3

Point éclair °C

2,1-13

−17

450

2,2-11,5

−4

450

1,6-40

− 40

175

11

558

− 50

519

CH3-CO-CH3

0,79

CH3-COOC2H5

0,90

Éther éthylique

C2H5-O-C2H5

0,71

34,5

Alcool éthylique

C2H5-OH

0,80

78,3

3,3-19

C2H5Cl

1,26

12,2

3,6-14,8

H2C-O-CH2

0,90

10,7

3,0-80

− 30

440

Acétate éthylique

Chloride éthylique Oxyde éthylique Glycol éthylique

56,5

Zone Point Température d’inflammabilité d’inflammation d’inflammation (dans l’air) Vol.- %

150

C4H10O2

1,11

137

1,8/2,6-14,0/15,7

40

240

Alcool d’allyle

CH2-CH-CH2-OH

0,87

97

2,4-17

21

380

Acétate d’amyle

CH3COO (CH2) 4CH3

0,87

143

1-7

19

380

Alcool d’amyle

CH3 (CH2) 4-OH

0,81

131

1,2-7,5

33

330

C7H16

0,70

60 … 140

1,2-6,0

–16 … +10

430-550

Benzol

C 6H 6

0,88

80

1,4-9,5

–11

730

Butanol

CH3-CO-C2H5

0,81

117

1,7-9,5/11,5

–1

515

CH3COO (CH2) 3CH3

0,88

118

1,7-15

18

420

Alcool butylique

C4H9-OH

0,81

83

1,4-5

22

450

Dichloréthylène

CHCI-CH-Cl

1,26

48,4

6,2-12,8

14

460

11

375

– 13

455

Essence

Acétate butylique

Dioxane

OCH2CH2-OCH2CH2

1,03

101

2-22,2

Acétate méthylique

CH3-COO-CH3

0,93

58

3,1-15,5

Alcool méthylique

CH3-OH

0,79

64,5

6-36,5

Bromure de méthyle

CH3Br

1,68

2,7

Dichlorométhane

CH3Cl

0,92

–23,7

Chloride de méthylène

CH2Cl2

1,34

41

Glycol méthylique

6,5

500

8,6-20,0

–

535

8,1-17,2

–

632

13-18

–

640

36

285

21

?

C 3H 3O 2

0,97

Éther propylique

C3H7-O-C3H7

0,75

69

Alcool propylique

C3H7-OH

0,79

97,2

12

420

Carbone de soufre

CS2

1,26

46

1,2-50

− 30

120

–

0,85

160

0,8-7

30… 35

255

Essence de térébenthine Tétraline toluène Trichloréthylène Chlorure de vinyle Xylène

222

151-130 2,5/3,0-14,0/20,0 ? 2,5-13,5

C10H12

0,97

206

?

80

490

C6H5-CH3

0,87

111

1,3-7

7

620

CCI2-CHCl

1,46

87

11,0-31,0

?

400

CH2-CHCl

–

− 13,9

4-31

30

?

CH3-C6H4-CH3

0,86

138

1-7

23

757

1.3.7 Combustion

1.3 Données thermodynamiques…

Carbone Bois

Teneur en CO2

Houille

1 DONNÉES DE BASE

Fioul Gaz de ville Gaz naturel

Gaz de hauts fourneaux

Vitesse de propagation de flamme

Teneur en O2

Hydrogène

Gaz à l’eau Gaz de ville

% en volume de gaz dans le mélange

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

Fig. 1.3.7-14 : Triangle de Bunte avec les valeurs de CO2 max pour différents combustibles.

Fig. 1.3.7-15 : Vitesse d’inflammabilité des gaz dans l’air.

Le gaz naturel ne contient pas d’hydrogène libre et présente donc une vitesse de propagation de flamme nettement plus faible que le gaz de ville ou le gaz naturel. Le point éclair d’un liquide (tableau 1.3.7-11) est, contrairement à la température d’inflammabilité, la température la plus basse à laquelle les vapeurs se trouvant au-dessus de la surface liquide peuvent s’enflammer. La teneur en vapeur de l’air au-dessus du liquide doit donc atteindre la limite inférieure d’inflammabilité. Les valeurs mesurées sont très variables selon les conditions de test. En conséquence, suivant leur degré d’inflammabilité, les combustibles liquides sont répartis en 3 classes correspondant au point éclair : Classe I II III Point éclair °C < 21 21-55 55… 100 (Prescription du gouvernement fédéral sur les liquides combustibles – VbF – du 27.2.80.)

-7

Combustion catalytique1,2,3

123

Déjà en 1840, Davy a observé une réaction catalytique sur la surface supérieure de corps solides avec des fils métalliques recouverts de platine. Ce domaine du génie climatique n’a trouvé de réel intérêt qu’avec la polémique de plus en plus fréquente sur le NO x. Le catalyseur est une substance qui, par sa présence, provoque une réaction chimique ou détermine son déroulement, mais demeure elle-même en l’état. Pour une combustion catalytique, le palladium ou le platine servent normalement de catalyseur. Pour augmenter la surface microscopique de réaction, ces 1. Nouvelle ébauche par le Dr Seonhi Ro, ingénieur à Remscheid, pour la 68e édition. 2. Schlegel, A. : Recherche expérimentale et numérique de la formation de Nox lors de combustion maigre et catalytiquement stabilisée. Thèse ETH Zurich 1994. 3. Lamm, A. : Description et simulation modèle d’un système de chauffage avec brûleur à rayonnement céramique. Rapports du centre de recherche Jülich 3044, 1994.

223

1.3.7 Combustion

1.3 Données thermodynamiques…

éléments sont mélangés à des oxydes d’aluminium spécialement préparés appelés Wash Coat avant d’être déposés sur le matériau porteur. Les différences entre combustion catalytique et combustion homogène sont visibles sur la fig. 1.3.7-16. Combustion homogène

Énergie

avec catalyseur

Extraits Produits

Chaîne de réaction E : énergie libérée par la combustion (E = EK) Ea : Énergie d’activation dans la combustion homogène Ea, K : Énergie d’activation dans la combustion catalytique Tf : température d’inflammation À partir de Ea, K < Ea on obtient Tf, K < Tf Phase gazeuse

Catalyseur Matériau source Matériau source Matériau source

Fig. 1.3.7-16 : Principe de fonctionnement et réaction énergétique de la combustion catalytique.

En cas de combustion homogène, une forte énergie d’activation Ea est nécessaire pour déclencher la réaction chimique. Tout d’abord, après préparation de cette quantité d’énergie, la quantité d’énergie Ea + E est libérée grâce à la réaction qui s’effectue, et produit ainsi un surplus d’énergie. C’est pourquoi une température minimum est nécessaire pour maintenir la combustion homogène. Pour ce qui est de la combustion catalytique, la réaction de la surface de contact se déroule en trois étapes : 1. Transport de matière des extraits vers la surface supérieure du catalyseur et ensuite adsorption. 2. Transformation des extraits adsorbés en produits (réaction chimique). 3. Désorption des produits et transport de matière depuis la surface supérieure du catalyseur. Pour ce second procédé, l’énergie d’activation est également nécessaire pour la transformation catalytique. Elle n’est pourtant pas aussi forte que pour la combustion homogène, si bien qu’une température plutôt basse est suffisante pour préparer cette quantité d’énergie. Mais des températures de combustion assez faibles permettent simultanément une formation insignifiante de NO x. La température de la surface supérieure du catalyseur est déterminante pour la vitesse de réaction (fig. 1.3.7-17).

Vitesse de réaction

Cinétique contrôlée par la réaction en surface

Réaction catalytiquement homogène

Contrôlée grâce au transport de substances

Température de la surface supérieure

224

Fig. 1.3.7-17 : Vitesse de réaction en fonction de la température de la surface supérieure.

1.3.8 Moteurs thermiques

Avec une échelle de température basse, la cinétique de réaction des surfaces de contact est déterminante pour le déroulement de la réaction de la combustion. Ainsi peut-elle conduire à une combustion incomplète. En cas de combustion purement catalytique, la température du catalyseur est en pratique à température moyenne, si bien que la vitesse de réaction est généralement contrôlée par le transport de matière et donc par le catalyseur. En cas de températures suffisamment élevées, le mélange restant ne réagissant pas encore est transformé par la combustion homogène pendant la phase gazeuse. Dans ce cas, la combustion homogène est stabilisée par la combustion catalytique, les deux procédés de réaction se déroulant parallèlement. La flamme homogène peut donc rester stable même avec des composants de gaz inertes (produits de combustion catalytique) et permet également des températures plus basses que celles de la flamme homogène pure. Il n’est toutefois pas possible d’obtenir une émission nulle de NO x comme lors de la combustion catalytique. La fonction des catalyseurs peut, en période de fonctionnement, être altérée par des « poisons de catalyseur ». Il s’agit, en plus de nombreux métaux lourds, du soufre, qui peut par exemple apparaître lors de l’odorisation du gaz naturel désulfuré. Ces substances s’emmagasinent dans les centres de réaction du catalyseur qu’ils « obstruent ».

1.3.8 Moteurs thermiques Machines à vapeur à pistons et turbines à vapeur

Entropie s

Fig. 1.3.8-1 : Processus de machine à vapeur sur le diagramme h, s.

sta con p=

Température T

nte

Dans les machines à vapeur, l’énergie du combustible est indirectement utilisée grâce à la vapeur produite dans la chaudière. Dans les machines à vapeur à pistons, la vapeur fournit le travail par expansion dans un cylindre et grâce au mouvement d’un piston. Dans les turbines à vapeur, l’énergie de la vapeur se transforme tout d’abord en énergie cinétique, laquelle évolue en énergie mécanique dans les aubes des turbines. Le travail fourni par la vapeur dans une machine, en supposant les pertes nulles, est égal à la diminution de son enthalpie h (capacité thermique). Si h1 est l’enthalpie de la vapeur à l’entrée dans la machine, h2 l’enthalpie à la sortie, le travail fourni sera donc W = h1 – h2. Cette somme est dite chute de travail adiabatique. Cette chute est représentée sur le diagramme h, s par l’écart perpendiculaire entre les points d’état de la vapeur avant et après son entrée dans la machine (fig. 1.3.8-1). Le diagramme T, s, quant à lui, (fig. 1.3.8.-2) représente le processus du travail théorique des machines à vapeur motrice, y compris ce qui se passe dans la chaudière : 1… 2 Réchauffage de l’eau de la température du condenseur à celle de la chaudière dans le préchauffeur et dans la chaudière 2… 3 Vaporisation de l’eau dans la chaudière 3… 4 Surchauffe de la vapeur dans le surchauffeur 4… 5 Détente adiabatique de la vapeur dans la machine motrice à vapeur 5… 1 Condensation de la vapeur dans le condenseur, lequel va céder la chaleur de condensation à l’eau de refroidissement La quantité de chaleur transformée en travail par la vapeur est repésentée par la surface hachurée et la chaleur dépensée par la surface a 1 2 3 4 5 b. On appelle ce cycle théorique le cycle Clausius-Rankine, lequel est utilisé comme processus parfait de comparaison pour évaluer l’efficacité des différents types de machines thermiques. Amélioration du rendement par : a) une surchauffe intermédiaire de la vapeur (fig. 1.3.8-3) ; b) le préchauffage de l’eau d’alimentation avec de la vapeur de soutirage (fig. 1.3.8-4) ; c) des pressions et températures plus élevées ou encore le préchauffage de l’air.

Enthalpie h

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

-1

Entropie s

Fig. 1.3.8-2 : Processus de machine à vapeur sur le diagramme T, s.

225

1 DONNÉES DE BASE

1.3 Données thermodynamiques…

1.3.8 Moteurs thermiques

1.3 Données thermodynamiques…

Le rendement effectif est indiqué par le rapport de travail Pe réel disponible à l’arbre de la machine et la quantité de chaleur Q apportée à la vapeur, soit Q = h1 – hsp. Cette valeur est déterminante pour juger concrètement de la quantité de chaleur utilisée par une machine et peut se vérifier en mesurant la puissance de la machine et la consommation de vapeur. D’autres pertes lors de la production de courant sont détectées au niveau du rendement du générateur et de l’étanchéité. Par rapport à d’autres machines, on utilise le plus souvent l’expression consommation spécifique de chaleur q par kWh ou consommation massique de vapeur d par kWh au lieu du rendement ηges, soit : – consommation spécifique de chaleur q = – consommation massique de vapeur d =

3 600 en kJ/kWh ηges

3 600 q = en kg/kWh. h − hsp ηges h1 − hsp 1

(

)

Les centrales thermiques modernes atteignent des pressions d’admission de vapeur (à l’entrée de la turbine) de plus de 200 bar, parfois même des pressions au-delà de la pression critique (221 bar), avec des températures de vapeur d’admission oscillant entre 500 °C et 580 °C. Modèle avec surchauffe intermédiaire en deux étapes et préchauffage en plusieurs étapes (fig. 1.3.8-5). Les centrales à grande puissance réalisent un rendement global de 40 %.

Surchauffe intermédiaire

Entropie Surchauffe intermédiaire

Turbine

Chaudière Préchauffage Condenseur

Fig. 1.3.8-3 : Processus de la machine à vapeur avec surchauffe intermédiaire de la vapeur.

Fig. 1.3.8-4 : Processus de la machine à vapeur avec préchauffage de l’eau d’alimentation.

Surchauffe intermédiaire Surchauffe Turbine

250 bar 550 °C

Chaudière

Générateur 0,04 bar

250 °C

Condenseur Vapeur au soutirage Pompe d’alimentation actionnée avec une turbine Dégazeur

Préchauffage

Pompe de condensats

226

Tour de refroidissement

Fig. 1.3.8-5 : Schéma simplifié d’une centrale thermique moderne avec préchauffage de l’eau d’alimentation en quatre

1.3.8 Moteurs thermiques

1.3 Données thermodynamiques…

-2

Moteurs à combustion interne

Dans ces machines, la combustion s’effectue directement dans la machine et, suivant le type de combustion, on distingue les machines à explosion et auto-allumage, ainsi que les turbines à gaz.

-2.2 Moteurs à combustion à auto-allumage (moteurs Diesel) À l’inverse des moteurs à allumage par étincelle, le combustible liquide est injecté dans ce type de machine dans de l’air porté à une pression allant de 30 à 60 bar, et à haute température (550… 600 °C), de telle sorte que la combustion s’effectue pratiquement à pression constante. Les combustibles sont des huiles moyennes (gazole, diesel). La principale différence des moteurs Diesel par rapport aux moteurs à explosion consiste dans le fait que le combustible pénètre dans le cylindre sous forme liquide et non de vapeur et que l’allumage s’effectue non pas à l’aide d’une étincelle électrique, mais par inflammation spontanée dans l’air fortement comprimé (auto-inflammation). Les degrés de compression ε normaux pour les véhicules oscillent entre 12 et 20. Les moteurs Diesel fonctionnent à des températures plus élevées que les moteurs à allumage par étincelle, d’où des rendements plus élevés, dépassant les 40 %. Les moteurs Diesel sont utilisés aussi bien dans l’automobile que dans les installations fixes. Le rendement des moteurs Diesel et à allumage par étincelle figure sur le tableau 1.3.8-1. Dans le cas d’un fonctionnement à charge partielle, le rendement est nettement inférieur. Règle empirique de base : le combustible utilisé fournit environ chaque fois un tiers de travail mécanique, un tiers de chaleur perdus dans les produits de combustion et un tiers de chaleur évacué dans le radiateur. Tableau 1.3.8-1 – Rendement global ηges et consommation spécifique d’énergie et de chaleur des moteurs à combustion interne

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Type de moteur

Moteurs à explosion Petits moteurs à gaz Gros moteurs à gaz, Moteur de véhicule Moteur d’avion Moteurs Diesel Petit Gros Moteur de véhicule Turbines à gaz Petites Grosses

Rendement global ηges (%)

Consommation spécifique de chaleur qe (kWh/kWh)

Consommation spécifique de carburant be (kg/kWh)

Essence Essence

0,25 … 0,30 0,30 … 0,35 0,20 … 0,25 0,28 … 0,32

4,0 … 3,3 3,3 … 2,8 5,0 … 4,0 3,5 … 3,1

– – 0,43 … 0,34 0,31 … 0,27

Diesel Diesel Diesel

0,30 … 0,35 0,35 … 0,40 0,25 … 0,30

3,3 … 2,8 2,8 … 2,5 4,0 … 3,3

0,28 … 0,24 0,24 … 0,22 0,34 … 0,28

Fuel Fuel

0,20 … 0,25 0,25 … 0,30

5,0 … 4,0 4,0 … 3,3

0,43 … 0,34 0,34 … 0,28

Carburant

de hauts-fourneaux {Gaz Gaz de de gazogène

-2.3 Turbines à gaz Dans les turbines à gaz (turbines à combustion interne), les gaz résultant de la combustion de carburants (gaz, pétrole) transmettent par expansion l’énergie aux ailettes de la turbine, laquelle entraîne un générateur. Les principaux éléments des turbines à gaz sont le compresseur (la plupart du temps, compresseur axial à plusieurs étages), la chambre de combustion (le plus souvent annulaire) et la turbine. La turbine actionne le compresseur, tous deux sont sur le même arbre. Sur les diagrammes p, v et T, s (fig. 1.3.8-6 et fig. 1.3.8-7), le cycle de travail idéal est figuré comme suit : 1… 2 compression adiabatique (ou isothermique 1...2) de l’air dans le compresseur de p1 à p2 2… 3 combustion à pression constante p2 dans la chambre de combustion 3… 4 détente adiabatique des produits de combustion de p1 à p2 dans la turbine à gaz 4… 1 sortie des produits de combustion dans l’atmosphère.

227

1 DONNÉES DE BASE

-2.1 Moteurs à explosion (ou moteurs à allumage par étincelle) Les combustibles sont soit des gaz combustibles, notamment des gaz de gazogène, de haut-fourneaux et de cokerie, soit des pétroles légers comme l’essence ou le benzène, lesquels sont atomisés avant la combustion par gazéification ou injection. Le mélange air-combustible aspiré s’embrase dans le cylindre de la machine à l’aide d’une étincelle électrique. Tout en conservant pratiquement le même volume, les produits de combustion sont alors portés brutalement à haute température et haute pression et, du fait de la détente qui en résulte, accomplissent un travail mécanique grâce au déplacement d’un piston. Les taux de compression ε pour les véhicules vont de 6 à 9. Les moteurs à gaz sont aujourd’hui essentiellement utilisés comme installations fixes pour actionner générateurs, machines, ventilateurs, etc. et les moteurs à essence en priorité dans l’automobile.

1.3.8 Moteurs thermiques

1.3 Données thermodynamiques… La surface hâchurée représente le travail utile.

Rendement possible dans la pratique à une température des gaz de 600 °C à une température des gaz de 800 °C

Fig. 1.3.8-6 : Cycle d’une turbine à gaz dans le diagramme p, v.

En utilisant ou non la chaleur des gaz d’échappement Sans Avec environ 20 % environ 30 %

de 25 à 30 % environ de 35 à 40 % environ

Fig. 1.3.8-7 : Cycle d’une turbine à gaz dans le diagramme T, s.

Exemple d’exécution Turbine à circuit ouvert. L’air est aspiré de l’extérieur et comprimé dans le compresseur avec une surpression de 3 à 8 bar ; combustion dans la chambre de combustion avec combustibles liquides ou gazeux à environ 1 500 °C ; température d’admission dans la turbine entre 600 et 800 °C ; détente dans la turbine (fig. 1.3.8-8). Environ les deux tiers de la puissance sont absorbés dans le compresseur. Amélioration du rendement en préchauffant l’air dans un échangeur de chaleur, lequel est chauffé par les gaz d’échappement de la turbine. Turbine à circuit fermé (ou à air surchauffé). De l’air ou d’autres gaz, comme l’hélium, circulent entre 10 et 30 bar dans un circuit fermé. Chauffage de l’air dans des corps de chauffe particuliers avec n’importe quel type de carburant. Détente dans la turbine, compression dans le compresseur (fig. 1.3.8-9). Une partie de la chaleur perdue est évacuée par l’intermédiaire d’eau de refroidissement. Les turbines à gaz d’échappement sont utilisées dans les moteurs à combustion interne pour entraîner les compresseurs afin de rendre les moteurs plus performants (turbocompresseur à gaz d’échappement). La température des gaz d’échappement peut s’élever jusqu’à 1 100 °C. Compresseur A Turbine Chambre de combustion

WA K

a

b Aérochauffeur Eau de refroidissement Compresseur Air

Turbine Gaz d’échappement

a = moteur de lancement b = générateur

Fig. 1.3.8-8 : Schéma d’une turbine à gaz de type ouvert.

228

A = moteur lancement K = batterie de refroidissement G = générateur WA = échangeur de chaleur

Fig. 1.3.8-9 : Schéma d’une turbine à gaz de type fermé (turbine à air surchauffé).

1.3.9 Piles à combustible

Les turbines à gaz à circuit ouvert sont les plus fréquentes. Elles permettent en effet d’utiliser tous les carburants possibles, qu’ils soient liquides ou gazeux. puissance jusqu’à environ 150 MW. Avantages : temps de démarrage infime : entre 10 et 20 minutes ; encombrement réduit (pas de local technique) ; pas d’eau d’alimentation, coûts d’entretien minimes ; faible consommation d’eau de refroidissement pour refroidir l’air et l’huile ; frais d’investissement minimes. Inconvénients : bruyantes ; faible rendement thermique, entre 25 et 30 % environ, diminuant en cas de charge partielle. Utilisation : notamment pour assurer une surcharge de pointe, comme groupe électrogène de secours et comme moteur auxilliaire. Les combinés centrales thermiques à vapeur et turbines à gaz gagnent depuis peu de l’importance sur le plan économique (centrales thermiques GUD), fig. 1.3.8-10. Le gaz d’échappement sortant de la turbine à environ 450 °C alimente, sans autres frais de carburant, une turbine à vapeur qui entraîne un générateur. Les centrales thermiques GUD atteignent actuellement un rendement allant jusqu’à 50 %. Une autre augmentation du rendement pouvant aller jusqu’à 60 % sera obtenue dans les années à venir, notamment grâce à une nouvelle optimisation des turbines à gaz. Chambre de combustion Gaz

Turbine à gaz Turbine à vapeur

Compresseur Air Générateur de vapeur Gaz d’échappement Condensateur

Fig. 1.3.8-10 : Combiné centrale thermique à vapeurturbine à gaz

En cas d’utilisation dans des centrales thermiques, le refroidissement des gaz de combustion peut atteindre environ 100 °C. À titre d’exemple, voir paragraphe 2.2.3 page 583.

1.3.9 Piles à combustible Complément d’informations apporté par Gesine Arends, ingénieur diplômé de Gerlingen, pour la 70e édition

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Les piles à combustible présentent des rendements électriques élevés pour des émissions minimes de polluants. Depuis le milieu des années 90, les applications tant mobiles que fixes connaissent un regain d’intérêt.

-1

Principe de fonctionnement

Les piles à combustible transforment l’énergie chimique directement en électricité et en chaleur. Le principe de fonctionnement est la réaction inverse de l’électrolyse, ce qui figure à titre d’exemple sur la fig. 1.3.9-1. L’hydrogène H2 se divise sur la couche catalytiquement active de l’anode en protons (H +) et électrons (e–). Les H + accèdent à la cathode par le biais de l’électrolyte acheminant les protons, les électrons fournissent du courant électrique dans le circuit extérieur et parviennent ensuite à la cathode. Là, H + et e– réagissent avec de l’oxygène pour se transformer en eau. Survient une tension entre anode et cathode, laquelle au repos est d’environ 1 V. La densité de courant linéaire plus élevée fait chuter la tension, tandis que la puissance se met à augmenter. Il est possible d’obtenir des tensions plus élevées en empilant en série des éléments isolés.

-2

Types

Les cinq types de piles à combustible sont dénommés d’après l’électrolyte utilisé, lequel détermine également la température de service, car les différents matériaux conduisent correctement les ions à des températures différentes. Les piles à combustible à basse température ne peuvent supporter que de très faibles quantités de CO dans le gaz combustible, car le CO désactive le catalyseur à électrodes. Plus la température est élevée, moins ce processus devient critique. Les piles à combustible à température élevée peuvent même utiliser le CO directement comme gaz combustible. La pile à combustible alcaline nécessite qu’hydrogène et oxygène soient d’une extrême pureté. Outre quelques essais dans l’industrie automobile, elle ne sera utilisée dans l’avenir qu’à des fins bien spéci-

229

1 DONNÉES DE BASE

1.3 Données thermodynamiques…

1.3.9 Piles à combustible

1.3 Données thermodynamiques…

Chaleur Cathode Anode

Air

Gaz d’échappement

Puissance (W)

Électrolyte

Tension (V)

Air sortant

Gaz de combustion

Courant (A) Résistance

Fig. 1.3.9-1 : Principe de fonctionnement d’une pile à combustible avec électrolyte conducteur protonique.

Fig. 1.3.9-2 : Courbe caractéristique courant-tension.

fiques, c’est pourquoi il n’en sera pas davantage question ici. 1 Le PEFC peut aussi être utilisé, et ce, moyennant un modèle spécial, directement avec un mélange eau-méthanol et être alors désigné comme DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). Au cas où les puissances volumiques pourraient encore être augmentées, outre les applications mobiles, il est largement question de l’utiliser dans l’industrie automobile. Tableau 1.3.9-1 – Types de piles à combustible AFC

PEFC ou PEMFC

PAFC

MCFC

SOFC

Électrolyte

Potasse caustique

Membrane polymère

Acide phosphoreux

Carbonate de fusion

Céramique

Température de service

60-90 °C

60-90 °C

180-200 °C

650 °C

750-1 000 °C

Système de rendement él.

55-60 % (H2 pur)

32-42 %

37-42 %

50-55 % avec GUD > 60 %

50-55 % avec GUD > 60 % ; petit système 30-50 %

Env. 80 %

Env. 80-90 %

Env. 90 %

Env. 90 %

Degré d’exploitation global Combustible

H2

H2 de gaz nat., curage, carbone

H2 de gaz nat., H2 de gaz nat., H2 de gaz nat., curage, curage, carbone curage, carbone carbone

Particularités

H2, O2 très purs

CO < 100 ppm

CO < 2 %

Prép. gaz avec Prép. gaz partiellement chal. perdue pile interne

Application

Aérospatiale, mobile

Mobile, BHKW

BHKW

KW, BHKW

KW, BHKW

Point

Aérospatiale, Prototypes Petite série sous-marin, tests 2-5 kW, 250 kW, 200 kW en ext. mobile ainsi que mobile

Démonstration 300 kW, 2 MW

Tests en extérieur 1 kW, démos 250 kW, bientôt 2 MW

1. Mais en raison de coûts potentiellement peu élevés, on a à nouveau recours isolément à cette technologie, par exemple www.astrisfuelcell.com, www.electricauto.com.

230

1.3.9 Piles à combustible

1.3 Données thermodynamiques…

Transfert de chaleur

Gaz riche en H2 Préparation du gaz

Chaleur utile Eau chaude

Pile à combustibe

1

Courant alternatif

Courant continu Convertisseur de fréquence

DONNÉES DE BASE

Gaz d’échappement

Gaz d’échappement Gaz (Air) naturel

Air

Fig. 1.3.9-3 : Schéma du fonctionnement d’une installation fixe de pile à combustible destinée à produire courant et chaleur (sans chauffage d’appoint ni utilisation de vapeur).

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

-3

Systèmes

Les composants fondamentaux d’un système fixe sont la préparation du gaz, l’ensemble des piles à combustible, le transformateur ou convertisseur de chaleur avec éventuellement un système de protection du réseau, la gestion de l’eau, le refroidissement/le transfert de chaleur, le réglage et, le cas échéant, un chauffage d’appoint. Pour fonctionner de manière indépendante, il faut une batterie pour fournir la puissance nécessaire aux périphériques (pompes, ventilateur/compresseur, systèmes de réglage) au moment de la mise en marche. D’autres installations produisent de l’hydrogène par électrolyse avec du courant photovoltaïque, ce qui rend superflue la préparation du gaz ; elles sont encore à l’état expérimental. En l’absence d’une infrastructure H2, les installations de piles à combustible fonctionnent la plupart du temps avec du gaz naturel. L’utilisation de gaz de houille ou de biogaz est également possible, à condition que ces gaz soient progressivement purifiés. Le gaz désulfuré se transforme dans des réacteurs catalytiques (le plus souvent d’après un procédé appelé Reformer) tout d’abord en H 2, CO, puis en H2 et CO2. MCFC et SOFC peuvent directement fonctionner avec du CO, d’où économie des autres étapes, coûteuses. On travaille ici à réaliser la transformation du gaz naturel directement dans la pile. Le dédoublement catalytique de CHn en C et H2, au cours duquel la couche catalytique chargée de carbone doit être périodiquement régénérée, est actuellement à l’étude. Ce processus est dans l’ensemble très peu polluant, notamment au niveau des émissions de CO, NO x et SOx. Seules les unités périphériques (compresseur) émettent du bruit.

-4

Applications

a) BHKW Le modèle commercialisé le premier et le plus répandu est, avec plus de 150 installations de par le monde, le 200 kWel-PAFC de la société ONSI ; mais la technologie ne permettant pas d’envisager une forte baisse de son coût actuel, qui est d’environ 1 100 $/kW, la recherche concentre ses efforts sur d’autres modèles. Les piles à combustible de carbonate de fusion MCFC ont été testées aux États-Unis pour des applications dans des centrales thermiques et sur des bateaux. Le modèle compact 250 kW-BHKW « Hot module » mis au point par MTU s’achemine vers la production en série. Les SOFC promettent des rendements particulièrement élevés grâce à l’utilisation de gaz d’échappement chauds dans les turbines à gaz. Cette technologie, alliant éléments tubulaires et combinaison avec une micro-turbine à gaz, a été démontrée par Siemens Westinghouse sur une échelle de 220 kW. Les PEFC doivent aussi être utilisées comme BHKW. Des installations de 250 kW de Alstom/Ballard Generation Systems ont été présentées à Bewag et EnBW. La chaleur perdue ne peut toutefois pas alimenter directement un réseau de chaleur immédiate en raison d’une température trop basse. b) Alimentation en énergie domestique Pour l’alimentation en énergie domestique, des systèmes tant à basse température (PEFC) qu’à haute température (SOFC) sont envisagés. À partir d’un concept SOFC plate, Sulzer Hexis a mis au point une

231

1.3.9 Piles à combustible

1.3 Données thermodynamiques…

installation de 1 kWel, qui a été testée en extérieur et qui, suivant la charge, doit atteindre un rendement électrique de plus de 30 % et une productivité globale de plus de 85 %. 2,5 kW th peuvent être directement captés ; la chaleur nécessaire en plus est fournie par un chauffage d’appoint. Étant donné qu’il faut maintenir en continu l’ensemble des piles à combustible à une température élevée, longues durées de fonctionnement et petit débit sont recommandés. Les systèmes PEFC existent en modèles de démonstration. Depuis 2001, l’entreprise Vaillant effectue des tests sur le terrain avec des systèmes 4,6 kW el dans des petits immeubles et des locaux commerciaux. Des projets similaires existent aussi chez Buderus et RWE Fuel Cells, tandis que les mises au point effectuées par Viessmann et l’European Fuel Cell GmbH avec des 2, voire 1,5 kW el, ciblent également les maisons individuelles. Les températures de chaleur perdue des PEFC sont appropriées aux installations de chauffage. Le potentiel d’optimisation des installations PEFC actuelles est à envisager surtout au niveau du coût, de la mise au point sonore des unités périphériques (compresseur, convertisseur de fréquence), de la préparation du gaz (compacité, dynamique), mais aussi de l’intégration du système. Par la suite, il faudra soit augmenter la durée de vie des piles, soit réduire les frais de changement de piles. À cette fin, de nouveaux matériaux sont à l’étude sur les SOFC.

Accumulateur

Pile d’éléments

Air Couplage électrique au réseau

inverseur binaire DC/AC

Réglage, Interface Convertisseur de fréquence

Gaz naturel

Reformeur

Eau chaude

Ensemble de piles à combustible (en série)

Chauffage Humidificateur à membrane

Gaz d’échappement

Fig. 1.3.9-4 : Schéma du système de fonctionnement de l’installation SOFC de Sulzer Hexis (gauche).*) Appareil de chauffage à piles à combustible de Vaillant (droite)**) *) http://www.hexis.de **) http://www.vaillant.de

-5

Dimensionnement et rentabilité

Comme pour les moteurs à couplage énergie-chaleur traditionnels, le dimensionnement des installations est fonction des besoins spécifiques en courant et en chaleur. Les avantages de la technique des piles à combustible sont potentiellement d’assez petits débits, des quantités élevées d’électricité, ainsi qu’une modulation largement possible sans aucune répercussion sur le rendement. Par rapport aux modes de production traditionnels de courant et de chaleur, le mode de fonctionnement thermique utilisé pour l’alimentation en énergie domestique permet de réaliser les économies d’énergie les plus élévées. 1 Mais la rentabilité s’aligne aussi sur les prix du gaz et de l’électricité, y compris sur d’éventuels avantages fiscaux ainsi qu’un apport initial, de façon à ce qu’avec un apport initial même minime et l’utilisation d’un accumulateur de chaleur, un mode de fonctionnement électrique soit meilleur marché. Le fonctionnement avec l’aide d’EVU2, qui pourraient vendre la chaleur et le courant produits de façon décentralisée, est aussi envisageable. C’est pourquoi différents EVU s’impliquent dans des projets de démonstration.

1. C. Hutter, T. Krammer. Application fixe d’piles à combustible dans le couplage énergie-chaleur. Initiative hydrogène, Bavière, février 2000. 2. Energieversorgungsumternehmem : producteurs-transporteurs d’énergie.

232

1.4 • LOIS D’ÉCOULEMENT DES FLUIDES

D

1.4.1 Écoulement laminaire -1

Fluide idéal

L’étude de l’écoulement des fluides traite des lois régissant cet écoulement (Fluides). Pour simplifier la représentation des processus de déplacement, on a introduit la notion de fluide idéal, imaginé comme un élément sans résistance et incompressible. Sous l’appellation « fluide », sont aussi répertoriés, au sens plus large, l’air et d’autres gaz, dont les changements de masse volumique dus aux différences de pression sont toutefois négligeables. Un fluide sans frottement se déplace sans la moindre résistance dans un tube, et les corps inhérents au courant sont portés par lui sans résistance. Le courant d’un fluide idéal est modélisé mathématiquement, tel que les particules élémentaires infiniment petites du fluide, pendant la circulation du courant, sont certes déformées, mais ne tournent pas autour de leur axe. On appelle donc ce genre de courant « sans rotation » (courant potentiel).

-2

Équation de continuité

Du principe de conservation de la masse découle, pour un tube parcouru par un fluide incompressible, l’équation suivante (fig. 1.4.1-1) :

A1 w1 = A2 w2 A1 et A2 surfaces des sections 1 et 2 en m2 w1 et w2 vitesses moyennes dans les sections 1 et 2 en m/s.

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

-3

Fig. 1.4.1-1 : Schéma de principe d’un tube de courant illustrant l’équation.

Énergie potentielle

Lorsque les particules d’un liquide de volume v et de masse m sans changement de hauteur circulent dans un tube horizontal se rétrécissant, la vitesse augmente alors à l’endroit le plus étroit, au passage de w1 à w2. Suivant les principes de la dynamique, l’augmentation en énergie cinétique est identique au travail fourni par la force à exercer, soit d’après la fig. 1.4.1-1 :

( p1 − p2 ) v = ( w22 − w12 ) 2 m

ou avec

m = ρ (masse volumique) v

ρ 2 w2 − w12 ou bien 2 ρ p + w 2 = constante en Pa (équation de Bernoulli) 2 p = pression statique (pression sur l’élément = pression de la paroi) p1 − p2 =

(

)

ρ 2 w = pression dynamique ou pression cinétique ou pression de pesanteur en Pa 2 ρ p + w 2 = pges = pression totale 2 La somme de la pression statique p et de la pression de pesanteur q/2 . w2 est en tous points constante pour un courant sans perte. L’énergie cinétique peut donc se transformer en énergie de pression, qui se transforme à son tour en énergie cinétique. Mais avec les courants réels, ce processus subit pourtant des pertes, notamment le premier cité. Exemple Quelle est la pression p2 à l’endroit le plus étroit du tube où circule de l’air sur la fig. 1.4.1-1, si 1 bar = 100 000 Pa, w1 = 10 m/s, w2 = 20 m/s = 2 w1 ? ( ρ = 1, 20 kg/m 3 )

233

DONNÉES DE BASE

1

1.4 • Lois d’écoulement des fluides

1.4.1 Écoulement laminaire

ρ 2 w2 − w12 2 ρ p2 = p1 − 4 w12 − w12 2 ρ = p1 − 3w12 2 1, 20 ⋅ 3 ⋅ 100 = 100 000 Pa − Pa 2 = 99 820 Pa La différence de pression permet de calculer la vitesse et le volume en circulation. Principe du tube de Venturi. Les autres exemples sont le vaporisateur, le bec bunsen, et la pompe à rayons. p1 − p2 =

( (

-4

)

)

Écoulement annulaire

Si un fluide circule sans résistance de façon circulaire, une pression croissante vers l’extérieur s’exerce alors par w2 le biais de la force centrifuge m . Du fait de cette r répartition de la pression de l’équation de Bernoulli, la vitesse diminue donc vers l’extérieur et suit l’équation de Bernoulli, d’où rw = constante (fig. 1.4.1-2). Pour r = 0 (écoulement au centre du tourbillon) la vitesse est donc infiniment élevée (tourbillon potentiel). Cette vitesse infiniment élevée ne se manifeste pas avec le courant réel, mais le fluide évolue à proximité de l’axe du tourbillon comme un corps solide (w/r = constante). Cette loi approximative reste suffisamment exacte à proximité de ce point singulier. L’augmentation de la pression dans la direction du rayon est (approximativement) 2 Δp ρ w = Δr r Cette équation est utilisée pour calculer approximativement les variations de pression, par exemple d’un écoulement d’air dans un coude. Exemple L’air circule à 12 m/s en vitesse moyenne dans le coude d’après la fig. 1.4.1-3. Quelle est la différence de pression entre les limites interne et externe ?

Fig. 1.4.1-2 : Répartition de la vitesse dans un écoulement circulaire.

Différence de pression : Δ p ≈ Δ r ⋅ ρ ⋅ w 2 /r ≈ 0, 2 ⋅ 1, 20 ⋅ 122 /0, 5 = 69 Pa Fig. 1.4.1-3 : Écoulement annulaire.

-5

Images d’écoulement

Sur de nombreux graphiques, il est possible de calculer avec précision les rapports vitesse-pression en tout point de l’écoulement. Les mathématiques se servent ici de la théorie du potentiel. Un écoulement sans frottement et équilibré (écoulement potentiel), présente en effet une fonction potentielle ϕ globale dϕ telle que la vitesse dans n’importe quelle direction correspond à la dérivée . dx Exemple Les écoulements potentiels simples sont par exemple l’écoulement parallèle et la source (fig. 1.4.1-4). De la superposition de ces deux écoulements naît à nouveau un courant potentiel, qui correspond à l’écoulement autour d’un corps Écoulement Source Source et écoulements résistant situé en amont. La direction et la parallèle parallèles vitesse peuvent être calculées en chaque point de l’écoulement. Fig. 1.4.1-4 : Courant sans frottement.

234

1.4.1 Écoulement laminaire

1.4 • Lois d’écoulement des fluides

Loi de conservation de la quantité de mouvement

Impulsion I = masse × vitesse = m . w en kg.m/s. La loi de conservation de la quantité de mouvement en mécanique (force P = m dw/dt = dI /dt dérivée de l’impulsion I) est admise pour les fluides sous la forme suivante : la différence des impulsions entrantes I1 et sortantes I2 dans un espace clos est équivalente aux forces extérieures P : P = I 2 − I1

1 Fig. 1.4.1-5 : Écoulement d’une veine d’air perpendiculairement à une plaque.

i Exemple 1 Soit l’écoulement d’un rayon d’air V = 0,1 m3/s à une vitesse w = 10 m/s contre une plaque. Quelle est la pression du rayon ? (fig. 1.4.1-5) i

Impulsion entrante I1 = V ⋅ ρ ⋅ w en N Impulsion sortante I2 = 0 (à l’horizontale) D’où une force extérieure, qui maintient l’équilibre avec la pression du rayon : P = I 2 − I1 = −V ⋅ ρ ⋅ w = − 0,1 ⋅ 1, 20 ⋅ 10 N

= −1, 20 N

Tourbillon

Distance L compensatoire

Fig. 1.4.1-6 : Perte de charge dans le cas d’un évasement brusque.

Exemple 2 Écoulement d’un fluide dans un tuyau avec évasement brusque du tube d’après la fig. 1.4.1-6 (diffuseur de poussée). La masse qui s’écoule m = ρ w1 A1 = ρ w2 A2 est constante. Hausse de la pression d’après Bernoulli : Δ p1 = ρ/2 w12 − w22 Hausse de la pression d’après la loi de l’impulsion : Δ p2 = mΔ w = ρ w1 − w2 La différence est la perte de charge (dite équation) de Carnot-Borda :

(

)

(

)

(

)

2

Δ pv = Δ p1 − Δ p2 = ρ/2 ⋅ w1 − w2 La longueur de la distance compensatoire, après laquelle l’écoulement remplit à nouveau la totalité de la section et l’augmentation de pression est pleinement réalisée est égale à L ≈ 10 ⋅

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

-7

(

A2 − A1

)

Circulation à travers une grille à aubes

La structure est composée de plusieurs aubes fixes disposées les unes à côté des autres, de n’importe quelle forme, qui sont mues par l’air (voir fig. 1.4.1-7). La pression exercée sur la pale est calculée d’après la loi de conservation de la quantité de mouvement, quand on prend la surface délimitée par les pointillés sur la figure 1.4.1.7 comme espace clos). Avec l’écoulement de l’air selon l’axe X, on obtient : i Courant d’impulsion entrant I1 = Vi ⋅ ρ ⋅ w1 x Courant d’impulsion sortant I 2 = V ⋅ ρ ⋅ w2 x i Force ainsi exercée sur la grille à aubes Px = V ⋅ ρ ⋅ ( w2 x − w1 x ) La force exercée en direction de la grille à aubes est également proportionnelle à la différence des composantes de la vitesse dans cette direction.

-8

Loi du moment d’impulsion

Le moment de rotation est le produit de la force et du levier (Nm). Le moment de l’impulsion, ou dérivation, est le produit de l’impulsion et du levier (kg m 2/s). La loi du moment de l’impulsion établit que le moment de la rotation M de la force extérieure ou d’une pompe est égal à la variation du moment de l’impulsion. Exemple L’utilisation sur la roue motrice d’une ventilateur radial ou d’une pompe produit le moment de rotation m de la force extérieure (en mouvement) (fig. 1.4.1-8) : i

M = V ⋅ ρ ⋅ ( c2u ⋅ r2 − c1u ⋅ r1 ) en Nm. Après multiplication par la vitesse angulaire ω, on obtient la puissance absorbée de la roue en Nm/s ou en W.

235

DONNÉES DE BASE

-6

1.4.2 Écoulement par un orifice

1.4 • Lois d’écoulement des fluides

Fig. 1.4.1-7 : Circulation à travers une grille de pales.

Fig. 1.4.1-8 : Loi du moment de l’impulsion appliquée à un écoulement d’air dans la roue d’un ventilateur radial.

Avec une circulation sans perte, cette somme doit être égale à la performance donnée, c’est-à-dire le produit du ivolumei en déplacement V par la différence de pression totale Δp, ainsi : Mω = V Δ p = V ρ (u2 c2u − u1c1u ) en N.m/s ou en W Δ p = ρ ( u2c2u − u1c1u ) en N/m2 (pression manométrique) (équation d’Euler, Euler 1755) ou, si l’on tient compte des rapports trigonométriques dans le triangle de la vitesse, d’après la fig. 1.4.1-8 avec w 2 = u 2 + c 2 − 2uc cos α = u 2 + c 2 − 2ucu

ρ 2 2 ρ 2 ( c2 − c1 ) + 2 (u2 − u12 ) + ρ2 ( w12 − w22 ) 2 Le premier terme représente la variation de pression dynamique, les deuxième et troisième termes, l’augmentation de pression statique. Étant donné qu’avec une machine hélicoïde u1 = u2, le second terme est laissé de côté et la pression statique ne sera produite que par la différence des vitesses relatives w. Les ventilateurs centrifuges produisent également, dans des circonstances comparables, davantage de pression statique que les ventilateurs axiaux. Chez ces derniers, on prévoit le plus souvent des diffuseurs à la sortie de l’air, de façon à convertir la pression dynamique en pression statique. Pression manométrique totale : Δ p =

1.4.2 Écoulement par un orifice Pour w1 = 0 on obtient pour des petites différences de pression à partir de l’équation de Bernoulli : ρ ρ p1 + w12 = p2 + w22 la vitesse de fuite théorique 2 2

2 ( p1 − p2 ) 2 Δ p en m/s = ρ ρ et le débit-masse qm s’écoulant par la section A : w2 = w =

qm = Awρ = A 2 Δ p ⋅ ρ kg/s w = vitesse d’écoulement en m/s Δ p = p1 − p2 = pression effective en N/m2 A = section en m2 Exemple Dans de l’air à 20 °C à une pression de 1 bar, la masse volumique p = 1,2 kg/m3 et 2 Δp 2 ⋅ Δp w= = = 1, 29 Δ p en m/s. 1, 2 ρ La quantité d’écoulement réelle ne correspond pas à la quantité théorique en raison de l’étranglement des lignes de courant et des autres perturbations qui en découlent. On prend en compte ces écarts en introduisant le coefficient de contraction α et on considère comme débit-masse réellement circulant :

qm = α Awρ = α A 2 ⋅ Δ p ⋅ ρ en kg/s. Ces équations ne sont admises que pour les densités constantes, donc pour les liquides et les gaz présentant de faibles différences de pression avant et après l’orifice. Pour les gaz ou les vapeurs présentant de

236

1.4.3 Diaphragmes et tuyères

1.4 • Lois d’écoulement des fluides

fortes différences de pression, on doit encore prendre en compte l’expansion, ce qui se fait avec l’introduction du coefficient d’expansion ε. On a alors

qm = εα Awρ = εα A 2 ⋅ Δ p ⋅ ρ en kg/s Valeurs pour α, voir tableau 1.1.3-1.

w=

2 Δp = ρ

2 ⋅ 300 = 34, 6 m/s 0, 5

Volume horaire (débit-volume) :

qv = A ⋅ w ⋅ 3 600 = 1 ⋅ 10 − 6 ⋅ 34, 6 ⋅ 3 600 = 0,125 m 3 /h Avec un écoulement anguleux dans des conduits ou des tuyauteries à parois minces, d’après la fig. 1.4.2-1, on a :

α = 0, 62

p pges zone de concentration

L’émission à l’endroit du coude (à l’angle d’émergence) est donc de

β = arc tan

2p . ρ w2

Fig. 1.4.2-1 : Écoulement par un orifice dans un tuyau ou une canalisation à parois minces.

Exemple Sous quel angle β et quelle quantité d’air s’échappe de l’ouverture à angles vifs d’une canalisation d’air dans l’image 1.4.2-1 ?

2p 2 ⋅ 118 = arc tan = arc tan 1, 96 = 54° ρ w2 1, 2 ⋅ 10 2 Volume circulant qv = α ⋅ A ⋅ w1

β = arc tan

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α = 0, 62 qv = α A

p 118 = 0, 62 = 0, 50 pges 118 + 60

(

2 ⋅ p + ρ/2 ⋅ w 2

ρ

) = αA

2 (118 + 60) 1, 2

= 0, 50 ⋅ 0, 0001 ⋅ 17, 2 = 0, 00086 m /s = 3,10 m 3 /h 3

1.4.3 Diaphragmes et tuyères On utilise les équations données pour effectuer des mesures précises de l’écoulement au moyen d’organes déprimogènes (ou d’étranglement), en effectuant des relevés dans les turbines à vapeur, les compresseurs, etc. La chute de la pression indiquée par l’organe (pression effective) est une mesure de la quantité d’écoulement. La valeur du coefficient de contraction α dépend, mis à part de la forme de 2

⎛d⎞ l’ouverture, de la proportion de l’ouverture m = A1 / A2 = ⎜ ⎟ et s’établit à l’aide de relevés ⎝ D⎠ (tableau 1.4.3-1). On détermine également la valeur du coefficient d’expansion ε à l’aide de relevés. D’après DIN 1952 (retirée), on établit que : Δp – Pour les diaphragmes : ε = 1 − 0, 41 + 0, 35β 4 ⋅ χ ⋅ p1

(

1 DONNÉES DE BASE

Exemple Combien de gaz d’éclairage (ρ = 0,5 kg/m3) s’écoule en une heure par une ouverture d’une section arrondie de 1 mm2 pour une surpression de 300 N/m2 ?

)

237

1.4.3 Diaphragmes et tuyères

1.4 • Lois d’écoulement des fluides

Tableau 1.4.3-1 – Coefficient de contraction α de différents organes déprimogènes en fonction du rapport d’ouverture m Écoulement α suivant la dimension de l’ouverture*) m = (d / D)2 Tuyères Diaphragmes Tubes de Venturi *) Aujourd’hui dans DIN 1952, on utilise également le rapport des diamètres à la place du rapport d’ouverture, soit : β = m = d / D.

1/ 2

χ ⎞⎤ ⎡ ⎛ ⎢⎛ χ ⋅ τ 2/ χ ⎞ ⎛ 1 − β 4 ⎞ ⎜ 1 − τ χ − 1 ⎟ ⎥ – Pour les tuyères : ε = ⎢⎜ ⎟⎥ 4 2/ χ ⎜ ⎢⎝ χ − 1 ⎟⎠ ⎜⎝ 1 − β ⋅ τ ⎟⎠ ⎜ 1 − τ ⎟ ⎥ ⎢⎣ ⎠ ⎥⎦ ⎝ τ = p2 / p1 < 0, 75 si avec pour les deux formules β = d/D (diamètre) χ = exposant isentrope (tableau 1.3.2-1) p1 et p2 = pression statique absolue aux endroits des relevés de pression donc en amont et en aval du diaphragme ou de la tuyère. D’après la forme de l’ouverture, on distingue les diaphragmes et les tuyères, ainsi que les tubes de Venturi, qui ont une dimension normalisée (DIN EN ISO 5167-1:1995-11). Les tuyères ont des bords d’attaque arrondis, les diaphragmes des côtés tranchants, et les tubes de Venturi un convergent/divergent (fig. 1.4.3-1). Le diaphragme, en raison de sa structure simple, revêt la plus grande importance. Pour effectuer des mesures précises, il faut respecter les règles de mesure de l’écoulement du VDI, qui donnent les consignes à appliquer pour chaque modèle.

Diaphragme

Tuyère

Tube de Venturi

Fig. 1.4.3-1 : Diaphragme, tuyère et tube de Venturi.

Exemple Quel débit-masse de vapeur à 20 bar/300 °C circule dans une conduite de D = 100 mm, lorsque, après avoir disposé un diaphragme normalisé de d = 70 mm, on mesure une chute de pression due à l’organe d’étranglement de 7 850 N/m2 ? Le débit réel est de qm = α ⋅ ε A 2 ⋅ Δ p ⋅ ρ kg/s 2

2

⎛d⎞ ⎛ 70 ⎞ m=⎜ ⎟ =⎜ ⎟ = 0, 49 β = d / D = 0, 7 ⎝ D⎠ ⎝ 100 ⎠ α = 0, 69 (tableau1.4.3-1) 0, 785 = 0, 985 ε = 1 − 0, 41 + 0, 35 ⋅ 0, 74 ⋅ 1, 3 ⋅ 20 3 ρ = 7, 94 kg/m (tableau 1.3.3-5)

(

)

πd 2 = 0, 00385 m 2 4 qm = 0, 69 ⋅ 0, 985 ⋅ 0, 00385 2 ⋅ 7 850 ⋅ 7, 94 = 0, 924 kg/s = 3 327 kg/h A=

238

1.4.4 Pression critique

1.4 • Lois d’écoulement des fluides

1.4.4 Pression critique Les équations précédentes ne sont valables que tant que le rapport des pressions en amont et en aval de l’organe d’étranglement reste inférieur à une certaine valeur dite « rapport de pression critique ». À ce rapport de pression critique, la vitesse du gaz atteint dans l’organe la vitesse du son, qu’on ne peut dépasser quelle que soit la pression externe :

1

χ pv en m/s χ +1 χ

pkr ⎛ 2 ⎞ χ −1 = p ⎜⎝ χ + 1 ⎟⎠ Si la vitesse du gaz devait encore augmenter, la section de l’organe d’étranglement devrait à nouveau s’élargir à partir de sa position la plus étroite (tuyère de Laval). Rapports de pression critiques, tableau 1.4.4-1. Tableau 1.4.4-1 – Rapports de pression critiques κ

pkr/p

wkr en m/s

Gaz

1,4

0,528

1, 08 pv

Vapeur surchauffée

1,3

0,546

1, 06 pv

Vapeur saturée

1,135

0,577

1, 03 pv

Type de gaz

Exemple Quelle est la valeur de la vitesse critique de la vapeur saturée à 10 bar ?

p = 10 ⋅ 10 5 N/m 2 , v = 0,1943 m 3 /kg (Figure1.3.3-3) wkr = 1, 03 10 ⋅ 10 5 ⋅ 0,1943 = 454 m/s

1.4.5 Enthalpie et vitesse © Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

L’équation de Bernoulli (paragraphe 1.4.1-3 page 233) appliquée à de faibles variations de pression donne :

⎛ρ ⎞ ⎛m ⎞ dp = d ⎜ w 2 ⎟ ou bien vdp = d ⎜ w 2 ⎟ . ⎝2 ⎠ ⎝2 ⎠ Comme, d’après le premier principe de la thermodynamique, vdp = dh pour les changements d’état sans apport de chaleur (h = enthalpie), on a, rapporté à une masse m = 1 kg :

dh = d

w2 w2 ou Δh = et w = 2 Δh = 1, 41 Δh en m/s. 2 2

La vitesse de la vapeur se calcule donc à partir d’une différence d’enthalpie (équation de base des turbines à vapeur). La chute d’enthalpie Δh = h1 – h2 peut se lire sur le diagramme h, s (enthalpie-entropie) à partir des pressions initiales et finales (fig. 1.3.3-4 et tableau de références).

1.4.6 Détente adiabatique La détente adiabatique et sans frottement (isentropique) d’un gaz ou d’une vapeur s’écoulant dans une tuyauterie s’effectue à enthalpie constante, à condition que l’on puisse négliger les variations de vitesse du fluide :

h1 = h2

239

DONNÉES DE BASE

wkr = 2

1.4.7 Calcul des pertes de charge

1.4 • Lois d’écoulement des fluides

Dans le cas des vapeurs, on peut facilement étudier le changement d’état correspondant à la détente sur le diagramme h, s, sur lequel les isenthalpes sont des droites horizontales. Il résulte du graphique que la vapeur satuCour be lim rée détendue à une pression inférieure à ite 32 bar est surchauffée, et qu’à une presEntropie sion supérieure à 32 bar, elle devient humide, puis sèche et surchauffée. Fig. 1.4.6-1 : Evolution d’une détente adiabatique Excepté dans un domaine situé au voisisur le diagramme h, s. nage du point critique, la détente de vapeur humide donne de la vapeur sèche (principe du calorimètre à détente). La fig. 1.4.6-1 donne les courbes « droites » de détente de la vapeur pour une détente de 3,0 à 1,0 bar. Segment de droite a-b : la vapeur surchauffée à 150 °C est refroidie à 142 °C ; segment de droite c-d : la vapeur saturée à 133,5 °C est refroidie à 123 °C ; mais devient surchauffée ; segment de droite e-f : la vapeur humide pour laquelle x = 0,98 est séchée, puis légèrement surchauffée. Avec les gaz parfaits, leur température reste constante au cours de la détente, car l’enthalpie ne dépend que de la température :

h = ∫ c p dt . Par contre dans le cas de gaz réels et de vapeurs surchauffées, notamment au voisinage du point critique, la détente s’accompagne toujours d’une chute de température (effet Thomson-Joule), comme le montre le diagramme h, s à partir de l’inclinaison des isothermes par rapport aux droites isenthalpiques horizontales. Ainsi, pour de la vapeur d’eau surchauffée à 200 °C, une détente de 1 bar provoque une chute de température de 2,5 K (fig. 1.3.3-4 et tableau de références – diagramme de Mollier). Application pour la liquéfaction des gaz d’après le principe de Linde.

1.4.7 Calcul des pertes de charge L’écoulement d’un liquide réel ou d’un gaz dans un tube peut être laminaire (régulier) ou turbulent (saccadé). Lors d’un écoulement laminaire dans un tube, les particules élémentaires du liquide se déplacent généralement sur des lignes de circulation parallèles aux lignes du courant, ceci à une vitesse décroissante w. Entre les lignes de circulation uniques, il existe une perte de charge (frottement) τ. Plus elle est grande, plus le liquide est résistant. Pour mesurer cette résistance (viscosité), on utilise la loi de frottement de Newton : dw τ =η dx η représente le coefficient de viscosité dynamique. La contrainte τ est proportionnelle à la baisse de vitesse verticalement par rapport à la direction du flux. La vitesse moyenne pour un flux laminaire dans une tuyauterie wm = 0, 5 wmax . Par contre, avec un flux turbulent, les particules du fluide oscillent simultanément dans toutes directions, ce qui interfère dans l’écoulement de base. Le profil de vitesse est aplati par les échanges d’énergie transversaux à l’axe de l’écoulement de base. La vitesse moyenne est de wm  (0, 80… 0, 85) wmax. C’est dans la couche le long des parois que la turbulence est la plus forte. La couche le long des parois est appelée couche limite (d’après Prandtl). On appelle degré de turbulence Tu la relation

Tu =

1 U∞

(

1 − u2 + v2 + w2 3

)

u, v, w, = composantes des vitesses dans les coordonnées x, y, z U∞ = vitesse de l’écoulement de base (laminaire) Le passage de l’écoulement laminaire à l’écoulement turbulent est fonction du frottement contre la paroi, des changements de vitesse, ainsi que d’autres facteurs, et dépend de la valeur du nombre de Reynolds Re. Les pertes de charges dues aux frottements deviennent plus faibles par rapport aux pertes de charges dites singulières. Dans une tuyauterie, le retour à l’écoulement de base n’est obtenu qu’en aval d’une certaine zone d’établissement de régime, équivalente à 10 diamètres environ. Si le flux est perturbé par un rétrécissement, des coudes ou autres obstacles, le passage intervient plus tôt. wd (sans dimension) Re = v w = vitesse moyenne en m/s

240

1.4.7 Calcul des pertes de charge

1.4 • Lois d’écoulement des fluides d = diamètre en m v = η/ρ = viscosité cinématique en m2/s η = viscosité dynamique en kg/ms = N.s/m 2 = Pa.s ρ = masse volumique en kg/m3

laminaire

Vitesse W

Vapeur saturée turbulent vitesse w

Fig. 1.4.7-1 : Profils des vitesses d’écoulement laminaire et d’écoulement turbulent. Fig. 1.4.7-2 : Vitesses critiques de quelques fluides pour le passage de l’écoulement laminaire à l’écoulement turbulent.

eau

air

Diamètre du tube d mm

Les valeurs v en cSt (centistokes) sont similaires à celles indiquées pour 10 6 v en m2/s. Avec l’augmentation de la température, la résistance des fluides s’amenuise, car ils deviennent plus liquides, à l’inverse des gaz qui eux deviennent plus volumineux. Pour permettre la circulation d’un gaz ou d’un fluide dans un conduit, une différence de pression de Δp est nécessaire pour vaincre les pertes de charges dues au frottement, principalement le long des parois du conduit, soit d’après la formule empirique :

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l ρ Δ p = λ ⋅ ⋅ w 2 en N/m 2 d 2 λ = coefficient de pertes de charge réparties (sans dimension) l = longueur du conduit en m ; ρ = masse volumique en kg/m m3 d = diamètre de la conduite On appelle perte de charge Δp la différence de pression par m de conduit, tel que :

Δ p = Rl en N/m 2 λρ 2 w d 2 λ est le coefficient de perte de charge, qui est représenté comme la fonction du nombre de Reynolds Re. Pour un écoulement laminaire, λ est indépendant de la rugosité du conduit, comme il est possible de le démontrer mathématiquement, λ = 64/Re , ainsi la baisse de pression est de : R=

R = 32 ⋅ v ⋅ ρ ⋅ w/d 2 La perte de pression est également proportionnelle à la vitesse (loi de Hagen-Poisseuilles). Exemple Quelle est la baisse de pression R à 15 °C dans une conduite de fioul de d = 8 mm, pour une vitesse de w = 0,1 m/s ? v = 6.10 -6 m2/s ρ = 860 kg/m3 32 . 6 . 860 .0,1 R= = 460 N/ (m 2 .m) = 460 Paa/ m = 4, 6 m bar/ m 10 6 . 0, 0062 Pour un écoulement turbulent et dans le cas d’une conduite lisse, λ = 0, 3164 / 4 Re (d’après Blasius pour Re > 2 ⋅ 103). Avec une conduite rugueuse, λ dépend en outre de la rugosité relative des parois des

241

1 DONNÉES DE BASE

Avec des nombres de Reynolds Re > 2 320, en pratique Re > 3 000, l’écoulement dans une conduite rectiligne est toujours turbulent ; avec Re < 2 320, il est laminaire. La vitesse critique, à laquelle le passage de l’écoulement laminaire à l’écoulement turbulent se produit, est visible pour plusieurs liquides et diamètres sur la fig. 1.4.7-2. Les valeurs de v pour différentes matières figurent sur les tableaux 1.4.7-1 à 1.4.7-3, pour le fuel, voir le tableau 1.3.6-3. Unité de la viscosité dynamique η = 1 Pa ⋅ s = 1 kg/ms (= 10 P (poise)). Unité de la viscosité cinématique v = η/ρ = 1 m2/s (= 104 St (stokes)).

1.4.7 Calcul des pertes de charge

1.4 • Lois d’écoulement des fluides

conduites ε/d où ε est la rugosité absolue de la paroi et d le diamètre de la conduite mesuré en mm. Pour les tuyauteries et conduits habituels en génie climatique, le coefficient λ est, pour un même nombre de Reynolds, d’autant plus grand que le diamètre est petit. Il est possible de déterminer le coefficient de perte de charge 1, ce qui permet de ne plus utiliser de formules empiriques. Les valeurs fournies par Nikuradse, Prandtl, Karman, Moody et Colebrook pour λ sont représentées graphiquement sur la fig. 1.4.7-3. On distingue trois types d’écoulement : 1 = 2, 0 log(Re λ /2, 51) 1. Écoulement dans une conduite lissse : λ (λ ne dépend que du nombre de Reynolds Re) ⎛ε / d⎞ 1 ε = − 2 log ⎜ 2. Écoulement dans une conduite rugueuse : ⎟ = 1,14 − 2 log d 3 71 , ⎝ ⎠ λ Équation de Colebrook (λ ne dépend que de la rugosité relative ε/d) ⎛ε /d 1 2, 51 ⎞ = − 2 log ⎜ + 3. Écoulement transitoire : ⎟ ⎝ 3, 71 Re λ ⎠ λ (λ dépend autant de Re que de ε/d) La dernière équation donne l’équation 2 avec Re = ∞, l’équation 1 avec ε = 0. Le calcul de λ dans la troisième équation (Colebrook) n’est pas possible dans sa forme fermée. Mais l’informatique (par exemple les PC) permet de la résoudre par itération de la façon suivante : Du côté gauche de l’équation 3, 1 / λ s’obtient d’après l’équation 2, d’où une première approximation de 1 / λ 1 . Cette valeur est à nouveau utilisée du côté gauche de l’équation 3, d’où une deuxième approximation, etc. La troisième approximation pour λ présente déjà une erreur inférieure à 3 %, la quatrième approximation une erreur inférieure à 0,5 % dans l’ensemble de la zone de rugosité et de transition. Les valeurs du tableau 1.4.7-3 sont extrêmement fiables et donc à utiliser pour calculer tous les coefficients de perte de charge répartie ou par frottement, d’où la nécessité de connaître la valeur de la rugosité ε de la conduite ; comme il n’est pas facile de la connaître avec précision, ceci explique quelques incertitudes. Quelques valeurs de ε, figurent sur le tableau 1.4.7-4. La viscosité cinématique v peut être estimée à partir du tableau 1.4.7-1, ou sur demande d’informations plus précises, par exemple d’après Glück. Dans le cas de tuyauteries en soufflet, λ ne dépend pas seulement de la rugosité relative, mais aussi du rapport profondeur/largeur des rainures 2. Pour ε = 0,15 (tuyauteries en acier galvanisé ou conduits en tôle agrafée d’après le tableau 1.4.7-4), on peut se référer au coefficient de perte de charge par frottement λ pour différents diamètres en fonction de Re sur la fig.1.4.7-3. Pour simplifier, les valeurs wd (vitesse ⋅ diamètre en m2/s) pour 3 données (eau à 80 °C, vapeur avec une surpression de 0,1 bar, air à 20 °C) sont portées en abscisses intermédiaires à la place des valeurs du nombre de Re, ce qui est facile à calculer. Tableau 1.4.7-1 – Viscosité cinématique v de l’air, de l’eau et de la vapeur d’eau saturée Air à 1 bar

Exemple : Eau

Eau

Vapeur saturée

20 °C : v = 1,01.10-6 m2/s = 1,01 mm2/s.

1. Kirschmer, O. : perte de frottement dans les tubes rectilignes, livre de recherche MAN 1951. Voir 81/95. Colebrook, C.F. : Journ. Inst. Civ. Angl. Londres 11 (1938/39), voir 133/56. 2. Kander, K. : HLH 7/74. Voir 226/32.

242

1.4.7 Calcul des pertes de charge

Les tableaux de rugosité dans les conduits du « Rietschel-Raiss 1968/70 » sont calculés avec ε = 0,045 mm pour des tuyauteries en acier du commerce (voir tableau 1.4.7-4). Lorsqu’on a affaire à une section non circulaire, il faut prendre comme diamètre, pour calculer la perte de charge, le diamètre hydraulique du conduit : 4A (A = section ; U = circonférence) dH = U Pour des conduits rectangulaires avec pour côtés a et b, on a : 2a ⋅ b dH = a+b Les sections transversales, bien qu’elles aient le même diamètre, sont dans les deux cas différentes. Le tableau 1.4.7-5 donne le diamètre hydraulique d de sections transversales rectangulaires. On admet que dans le cas de section carrées telles que (a/b = 1), le diamètre hydraulique est égal au côté. Il en résulte qu’un conduit de section carrée qui contiendrait exactement un cercle a donc, pour une même vitesse moyenne w, la même perte de charge répartie λ et la même perte de charge linéaire Δp/l. Tableau 1.4.7-2 – Résistance cinématique v de l’eau à haute température Pression en bar

106 . v en m2/s à t en °C

Pression de saturation

Tableau 1.4.7-3 – Viscosité dynamique et cinématique de divers fluides à 20 °C

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Matière

Gaz d’échappement à 100° Gaz d’échappement à 300° Alcool Benzène Diphile 100° Diphile 200° Gaz naturel (à peu près) Glycol d’éthylène Gaz de gazogène Gaz de haut-fourneau Glycérine Fuel EL (1,5°E) Fuel S (200°E) Huile pour machine Méthane Mercure R 12 liquide R 12 vapeur (0 °C) Pétrole brut Oxygène Gaz de ville Hydrogène (0 °C)

ρ kg/m3

106 . η kg/ms

0,95 0,63 790 880 996 909 0,78 1 140 1,0 1,2 1 260 860 960 920 0,67 13 550 1 329 1 765 850 … 900 1,10 0,5 0,087

19 28,4 1 180 650 1 015 460 10 30 800 17 17 1 071 000 5 160 1 460 000 92 000 10,5 1 540 231 1 201 103 … 106 20 13 8,44

106 . v m2/s

20 45 1,5 0,74 1,02 0,44 12,8 27 17 14 850 6 1 520 100 15,6 0,114 0,17 0,68 10 … 1 000 18 26 97

Tableau 1.4.7-4 – Rugosité ε de différentes conduits et tuyauteries* Rugosité ε en mm

Type de conduite Conduite étirée (notamment en laiton) Conduite en PVC et polyéthylène Conduite en amiante-ciment (nouveau) Tuyauteries en acier du commerce Tuyauteries en acier galvanisé

0,0015 0,007 0,05 … 0,1 0,045 0,15

243

1 DONNÉES DE BASE

1.4 • Lois d’écoulement des fluides

1.4.7 Calcul des pertes de charge

1.4 • Lois d’écoulement des fluides

Rugosité ε en mm

Type de conduite Tuyauteries en acier rouillées Tuyauteries en acier très rouillées Tuyauteries en fonte Tuyauteries en fonte asphaltées Conduits en tôle d’acier agrafés

0,15 … 1,0 1,0 … 3,0 0,4 … 0,6 0,125 0,15

Conduits souples Conduits à enduit sur treillis métallique lisses Conduits maçonnés Conduits en bois Conduits en béton brut

0,6 … 0,8, partiellement, parfois jusqu’à 2,0 1,5 3,0 … 5,0 0,2 … 1,0 1,0 … 3,0

*) Lehmann, J. : Gesundh.-Ing. 1961. Cahiers 6 à 9. Dossier de travail technique de chauffage 1967/80. VDI-Wärmeatlas, 5e édition 1988.

Mais on remarque aussi que la section du carré, et donc le débit-volume, est supérieure de 27,3 % à la section circulaire. Le périmètre P est lui aussi plus grand. Pour parvenir à un même débit-volume pour une même perte de charge linéaire Δp/l, le diamètre équivalent suivant a été déterminé1, soit d * = 5 32/π 2 ⋅ 5 a 3b 3 /(a + b) = 1, 265 ⋅ 5 a 3b 3 /(a + b) Valeurs pour d* de conduits rectangulaires, voir tableau 1.4.7-5. Exemple Pour un conduit rectangulaire avec a/b = 1,5 avec une perte de charge linéaire identique, il s’avère que : à vitesse égale, le diamètre hydraulique dH = 1,2 . b ; à débit-volume égal (V = const) pour dH = d*, donc a/b = 1,19 est suffisant. Tableau 1.4.7-5 – Diamètres hydraulique et équivalent de conduits rectangulaires pour différents rapports de côtés a/b Rapport des côtés a/b

1,00

1,25

1,60

2,00

2,50

3,16

4,00

Diamètre hydraulique dH/b A/Aφ = U/Uφ

1,00 1,27

1,11 1,29

1,23 1,34

1,33 1,43

1,43 1,56

1,52 1,74

1,60 1,99

1,10 1,05 1,16

1,23 1,05 1,16

1,39 1,06 1,19

1,54 1,07 1,24

1,71 1,09 1,31

1,90 1,12 1,40

2,11 1,15 1,51

Diamètre équivalent

d*/b A/Aφ U/Uφ

Exemple 1) Quelle est le coefficient de perte de charge répartie λ pour une tuyauterie en acier du commerce DN 100 parcourue par de l’eau à une température de 80 °C pour une vitesse w = 1 m/s ? Diamètre intérieur d = 0,1 m Vitesse w = 1,0 m/s Rugosité ε = 4,5 ⋅ 10–5 m wd = 0,1 m2/s ε/d = 4,5 ⋅ 10–4 La fig. 1.4.7-3 donne comme résultat, d’après le schéma réalisé pour cet exemple, Re = 2,7 ⋅ 105 et la perte de charge répartie est de λ = 0,018. 2) Quelle est la perte de charge répartie λ pour la même tuyauterie, si la rugosité ε = 0,15 mm (tuyauterie en acier rouillée) ? On obtient wd = 0,1 m2/s et avec d = 100 mm (trajectoire 2) λ = 0,023. 3) Soit un conduit de vapeur de DN 25, fortement rouillé, avec une vitesse de la vapeur de w = 15 m/s ; la pression de la vapeur est de 0,1 bar. d = 0,0277 m, w = 15 m/s, wd = 0,415 m2/s, ε = 1,0 ⋅ 10–3, ε/d = 3,61 ⋅ 10–2, Perte de charge répartie λ = 0,063 (trajectoire 3) 1. Rietschel-Raiss 1970. Remarque : pour travailler avec d*, il faut veiller à ce que, avec les conduits lisses, ce qui est très souvent le cas pour les conduits aérauliques, λ varie avec Re, conformément à la fig. 1.4.7-3. La valeur de λ est à calculer avec dh. Sinon, Re sera d’une valeur trop importante et λ sera trop faible. Ex : avec a/b = 1, la relation correspondante d*/dH = 1,10 à partir de la formule de Blasius. λ = 0, 3164 / 4 Re comporte une erreur d’environ λ ≈ 4 1,1 = 1, 024 , donc de 2,4 %. Avec des valeurs supérieures pour a/b, l’écart disparaît.

244

245

DONNÉES DE BASE

Fig. 1.4.7-3 : Le coefficient de perte de charge répartie pour des conduits droits d’après Prandtl, Karman et Colebrook.

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1.4 • Lois d’écoulement des fluides 1.4.7 Calcul des pertes de charge

1

1.4.8 Perte de charge singulière

1.4 • Lois d’écoulement des fluides

4) Soit un conduit en tôle d’acier de diamètre intérieur d = 125 mm, avec une vitesse de l’air de w = 5 m/s et une température de 20 °C. d = 0,125 m, w = 5 m/s, wd = 0,625 m2/s, ε = 0,15 ⋅ 10–3, ε/d = 1,2 ⋅ 10–3, Perte de charge répartie λ = 0,027 (trajectoire 4) 5) Quelle est la perte de charge linéaire pour un écoulement de fuel lourd ( ρ = 850 kg/m3) dans une conduite de longueur l = 100 m avec un diamètre intérieur d = 50 mm, et une vitesse w = 0,6 m/s ? Viscosité 40 °E. Viscosité cinématique v = 303 ⋅ 10–6 m2/s (tableau 1.3.6-5 page 196) 0, 6 ⋅ 0, 05 = 99 Re = wd/v = 303 ⋅ 10 − 6 λ = 64/Re = 64/99 = 0, 65 (flux laminaire) Perte de charge répartie l ρ 2 Δp = λ w Perte de charge linéaire d 2

100 850 . . 0, 6 2 0, 05 2 = 200 000 N/m 2 = 2 bar = 0, 65 .

1.4.8 Perte de charge singulière La chute de pression, ou perte de charge, qui résulte d’obstacles particuliers tels que coudes, soupapes, etc., et qui est provoquée par des tourbillons, des décollages de veines et des écoulements secondaires, s’exprime, en référence à la pression dynamique de l’écoulement, par l’équation suivante :

ρ 2 w en N/m 2 2 Dans cette équation, ζ est le coefficient de perte de charge des différents éléments, qu’il est possible de déterminer expérimentalement et qui oscille dans de grandes proportions selon les différentes situations des tronçons de tuyauterie considérés. La perte de charge globale se compose de deux éléments : la perte de charge par frottement contre les parois (dite linéaire) et la perte de charge due aux perturbations, changements de section, etc. (dite singulière). La valeur ζ correspondante se partage aussi entre le facteur de correction de la perte de charge par frotl tement contre les parois ζ r = λ ⋅ (conformément au paragraphe 1.4.7) et le facteur de correction des d pertes de charge singulières ζu : ζ = ξr + ξu . La valeur ζu ne se réfère qu’à la perte additionnelle, si bien que pour déterminer la perte globale, il faut, pour des résistances avec d’assez longues tuyauteries telles que coudes ou joints de dilatation, ajouter la perte de charge répartie d’un conduit droit dont l’axe est de la même longueur. Les valeurs de ζu sont indiquées sur les tableaux 1.4.8-1 et 1.4.8-2. Pour d’autres valeurs, voir paragraphe 2.4.3 page 926 et 4.3.5 page 1225. La robinetterie étant très diversifiée, les pertes de charge diffèrent aussi beaucoup. Δp = ζ

Exemple Quelle est la perte de charge singulière dans un diaphragme de mesure, monté dans une tuyauterie, l’eau ayant une vitesse w = 1 m/s, et sachant que le rapport des sections A/A0 = 2 ? D’après le tableau 1.4.8-2, α = 0,69 (m = 0,5) et les valeurs de ζ pour un diaphragme sont indiquées dans le tableau 1.4.8-1

Δ p = ζ ⋅ ρ/2 ⋅ w 2 = ( A/α A0 − 1)2 ⋅ 500 ⋅ 12 = (2/0, 69 − 1)2 ⋅ 500 ⋅ 12 = 1 800 Pa Pour tous les facteurs de correction de la perte de charge, il faut veiller à ce que les écoulements ne soient pas perturbés. Dans le cas contraire, les valeurs de ζ sont nettement plus élevées, pouvant atteindre 100 %. Exemple fig.1.4.8-1. La résistance globale est supérieure à la somme des pertes de charge singulières.

246

1.4.8 Perte de charge singulière

1.4 • Lois d’écoulement des fluides

Tableau 1.4.8-1 – Coefficients de perte de charge singulière ζu d’éléments de tuyauterie particuliers*) Autres valeurs aux paragraphes 2.2.2 page 516 et 4.3.5 page 1225.

DONNÉES DE BASE

1

**)

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***)

*) Rietschel-Raiss 1970. – Eck : Technische Strömungslehre Vol. 1. 1978. Vol. 2. 1981 (dynamique des fluides techniques). – Richter, H. : Rohrhydraulik 1962. – Stradtmann : Stahlrohr-Handbuch 1982 (manuel sur les tubes d’acier). – Idel’chik-Handbuch 1966 (manuel de M. Idel’chik). – Gersten, K. : Einführung in die Strömungsmechanik 1974 (introduction à la mécanique des fluides). – Kalide, W. : Strömungslehre (dynamique des fluides) 1976 et Manuel FLT 1988. **) avec un frottement (λ = 0,02); afflux turbulent. ***) Glück, B. : Druckverluste, éditions VEB, Berlin 1988.

247

1.4 • Lois d’écoulement des fluides

1.4.8 Perte de charge singulière

Tableau 1.4.8-2 – Coefficients de perte de charge singulière ζu des organes spécifiques pour tuyauteries (Voir DIN 1988-3:1988-12 et VDI 2173:1962-09)

Robinet à tournant ou à boisseau

Clapet d’arrrêt ou vanne papillon

Soupape de vanne d’arrêt Soupape normale

Robinet d’équerre avec passage à soufflet et cône standard

Robinet d’équerre avec passage à soufflet et cône restricteur Robinet vanne sans tube guide avec tube guide Clapet anti-retour Caoutchouc Metall – 1 battant Metall – 2 battant

Clapet anti-retour horizontal vertical

Robinet à tournant

Lyre de dilatation lisse plissée Compensateur de dilatation à soufflet par onde

Séparateur d’eau Entrée normale Entrée tangentielle

248

1.4.9 Perte de charge totale

1

Fig. 1.4.8-1 : Coefficients de perte de charge singulière de 3 coudes disposés à la suite en comparaison de la valeur ζ d’un seul coude multipliée par 3. (D’après H. Sprenger, SBZ 1969, Tome 13)

Dans le cas d’installations à grande vitesse, en installation de ventilation par exemple, la combinaison de plusieurs coudes ou changements de direction entraîne des perturbations des lignes de courant et augmente significativement le coefficient ζ de pertes de charge singulière. Longueur de tuyauterie équivalente La perte de charge singulière additionnelle ζu est compensée par la longueur de tuyauterie équivalente, soit leq = ζ u d /λ en m. leq ne dépend pas que de la perte de charge singulière, mais aussi du diamètre du conduit tout comme de la vitesse. Application au paragraphe 2.4.3-1 page 926 dans le cadre de l’estimation du réseau de canalisations d’eau chaude.

1.4.9 Perte de charge totale La perte de charge totale Δp d’une tuyauterie ou d’un conduit comprenant des longueurs droites et des éléments particuliers est égale à la somme de sa perte de charge répartie et de sa perte de charge singulière, soit :

Δp = λ

l ρ 2 ρ w + ∑ ζ u w 2 = Rl + Z en Pa d 2 2

ou, avec la longueur de tuyauterie équivalente leq = ζ u d /λ pour les pertes de charge singulière :

lges ρ 2 w en Pa d 2 = l + leq en m

Δp = λ lges © Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

ρ = masse en kg/m 3 Exemples 1) Quelle est la perte de charge totale Δp dans une conduite DN 70 d’eau droite, longue de 100 m, parcourue par 20 m3/heure d’eau à 80 °C ? La rugosité ε est de 0,15 mm, d’où ε/d = 0,15/70 = 2,1 ⋅ 10 − 3 20 w= = 3, 45 m/s πd2 3 600 ⋅ 4 Vitesse : wd = 1, 45 ⋅ 0, 07 = 0, 102 m 2 /s Perte de charge répartie λ = 0,025 (d’après la fig.1.4.7-3) ρ 1 000 Pression dynamique w 2 = 1, 452 = 1 050 Pa 2 2 λ ρ 2 0, 025 Perte de charge linéaire R = w = 1 050 = 375 Pa/m d 2 0, 070 Perte de charge totale R ⋅ l = 375 ⋅ 100 = 37 500 N/m 2 ≈ 3, 75 m WS 2) Soit une tuyauterie DN 300, d’un débit-masse de vapeur G = 40 000 kg/h, pression initiale p1 = 12 bar, température t1 = 300 °C, longueur totale développée de la tuyauterie l = 500 m avec 10 coudes à angle droit (R = 3d), 5 vannes, 6 lyres de dilatation plissées ou à soufflet, 2 séparateurs d’eau. Quelle est la perte de charge totale Δp ? Rugosité du conduit ε = 0,1 mm

249

DONNÉES DE BASE

1.4 • Lois d’écoulement des fluides

1.4 • Lois d’écoulement des fluides

1.4.9 Perte de charge totale

Masse ρ = 4,67 kg/m3 (d’après le tableau 1.3.3-5) 40 000 = 33, 7 m/s Vitesse w = πd2 4, 67 ⋅ 3 600 ⋅ 4

Fig. 1.4.9-1 : Perte de charge linéaire R (ou Δp/l) avec écoulement d’eau froide à 10 °C dans des tubes en acier soudés filetables .d’après DIN 2440:1978-06 (Rugosité ε = 0,15 mm). 100 Pa/m = 1 mbar/m Exemple : Pour m = 1,5 l/s et w = 1 m/s, R = 370 Pa/m.

Viscosité cinématique v = η/ρ = 20, 2/4, 67 ⋅ 10 6 = 4, 3 ⋅ 10 6 m 2 /s (d’après les tableaux de vapeur d’eau du VDI) d’ou le nombre de Reynolds : wd 33, 7 ⋅ 0, 300 Re = = = 2, 35 ⋅ 10 6 v 4, 3⋅ 10 −6 Rugosité relative ε/d = 0,1/300 = 3,3 ⋅ 10–4 Coefficient de perte de charge répartie λ = 0,016 (d’après la fig. 1.4.7-3) 10 ⋅ 0,15 = 1,5 Coefficients de perte de charge singulière : 10 coudes (ζu = 0,15) 5 ⋅ 0,3 = 1,5 5 vannes (ζu = 0,3) 6 ⋅ 1,5 = 9,0 6 lyres de dilatation (ζu = 1,5) 2⋅5 = 10,0 2 séparateurs d’eau (ζu = 5) Longueur de tuyauterie équivalant aux pertes de charge singulières : d 0, 300 leq = ζ u = 22, 0 ⋅ = 413 m λ 0, 016

250

∑ζ

u

= 22, 0

1.4.10 Courbes caractéristiques des installations

1.4 • Lois d’écoulement des fluides

Longueur totale corrigée de la tuyauterie : lges = l + leq = 500 + 413 = 913 m

λ ρ 2 0, 016 4, 67 w = ⋅ 33, 72 = 141 Pa/m d 2 0, 300 2 Perte de charge totale : Δ p = R ⋅ lges = 141 ⋅ 913 = 129 000 Pa = 1, 29 bar. Dans le cas de tuyauteries de grande longueur, il faut tenir compte du fait que les caractéristiques d’état du fluides circulant se modifient par suite des chutes de température et de pression. Dans ces cas-là, il faut effectuer les calculs avec des valeurs moyennes ou découper la conduite en plusieurs tronçons. . Avec un débit-masse donné m et un diamètre d, il est également possible de calculer la perte de charge linéaire R ou Δp à partir de l’une des équations suivantes, dont les dimensions ne sont pas identiques : Perte de charge linéaire : R =

R = 0, 81

i

λ ⋅ m2 en Pa/m ( m en kg/h et d en mm) ρ ⋅ d5 i

λ ⋅ m2 en Pa/m ( m en kg/s et d en m) ρ ⋅ d5

Pour les calculs approximatifs (ou d’avant-projet), il est recommandé d’utiliser les diagrammes de perte de charge répartie qui, en fonction des données, indiquent immédiatement la perte de charge linéaire, comme l’exemple sur le diagramme qui est présenté sur la fig. 1.4.8-2 pour de l’eau à 10 °C : il s’agit d’une tuyauterie en acier rugueuse, où λ ne dépend pratiquement que du coefficient Re. La perte de charge linéaire est fonction du diamètre et de la rugosité donnés, en se rapprochant de la loi quadratique sur la perte de charge, soit : R = const ⋅ w2. La rugosité ε est indiquée sur une base de 0,15 mm. Au paragraphe 3.4.7 de la page 1091, un autre diagramme indique les données pour de l’eau à 50 °C. Des diagrammes pour l’estimation des tuyauteries dans les installations de chauffage sont à consulter au paragraphe 2.4.31 de la page 926. Pour les tuyauteries en matières plastiques ou matériaux de synthèse, les calculs se basent sur une rugosité de ε = 0,007 mm. Les pertes de charge sont à peine plus importantes que pour les tuyauteries en cuivre (fig. 2.4.3-12).

1.4.10 Courbes caractéristiques des installations

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Compléments du Dr Gerhard Trenkowitz, ingénieur à Groxheimertal

On appelle courbe caractéristique d’un système de ventilation ou de canalisation la représentation de la perte de charge Δp totale d’après le paragraphe 1.4.9 à propos des volumes de masse variables V (à partir des vitesses w correspondantes). Pour le point de fonctionnement d’une installation, qui se situe toujours dans la courbe caractéristique instantanée avec la courbe de la pompe correspondante, voir paragraphe 2.3.6-1 page 800 ; pour les ventilateurs correspondants, voir paragraphe 4.3.1 page 1153.

Fig. 1.4.10-1 : Courbes caractéristiques dans un système de coordonnées avec division linéaire.

1. Pour d’autres diagrammes, cf. Feurich : estimation des tuyauteries. 1973. DVGW W 302:1981-08.

251

DONNÉES DE BASE

R = 62, 5 ⋅ 10 6

1

1.4 • Lois d’écoulement des fluides

1.4.10 Courbes caractéristiques des installations

On observe fig. 1.4.10-1 la représentation courante de la courbe caractéristique d’une pompe (ou d’un ventilateur) avec deux courbes caractéristiques des installations A et B dans un système de coordonnées linéaire. Les courbes caractéristiques des installations s’obtiennent à partir de Δ p = S ⋅ V 2 , et sont également des paraboles avec les paramètres courants du système Siehe. Pour les proportions fondamentales d’un courant laminaire (exposant 1, par exemple un filtre à air) l’exposant correspondant sera inférieur à 2. Cette représentation des caractéristiques n’est pas très pertinente et n’est pas pratique pour la maintenance et l’exploitation. La représentation des mêmes caractéristiques fig. 1.4.10-2 sur un système de coordonnées avec une répartition logarithmique des deux axes est plus appropriée. Sur la courbe de la pompe (ventilateur), on remarque alors distinctement un axe horizontal et un axe vertical. À peu près au milieu de la courbure se trouve le point ayant le plus grand degré d’efficacité. Pour les courbes caractéristiques des installations la forme logarithmique log Δ p = log S + 2 ⋅ log V à partir de Δ p = S ⋅ V 2 , également une droite avec une montée de 2 à 1 (pour des proportions logarithmiques égales habituelles, les deux coordonnées se situent à 1 cm horizontalement et 2 cm verticalement, avec une proportion de courant laminaire correspondant plus petite), log S est le paramètre du système et définit la position des droites dans le quadrillage. Avec ceci, il est aisé de dessiner les courbes caractéristiques des installations à l’aide de valeurs de calcul données ou d’indications fournies par un instrument de mesure. Si l’une des valeurs fournies par un instrument de mesure ne se trouve pas sur cette droite, alors l’une des deux est erronée ! Les changements aussi sont aisément représentables, par exemple fig. 1.4.10-2, avec les droites en pointillés qui représentent un doublement de la résistance à l’écoulement pour les deux installations. On observe ici distinctement les différences des deux interprétations choisies :

Fig. 1.4.10-2 : Représentation dans un système de coordonnées des courbes caractéristiques de deux grandeurs logarithmiques doublées.

Interprétation B : Point d’efficacité sur l’axe vertical de la courbe caractéristique de la pompe (ventilateur). Le doublement de la résistance réduit le débit de 300 à 260 m 3/h, soit 13 %. Le point d’efficacité migre en direction d’un degré d’efficacité plus élevé. Interprétation A : Point d’efficacité sur l’axe horizontal de la courbe caractéristique de la pompe (ventilateur). Le doublement de la résistance réduit le volume d’écoulement de 100 à 70 m 3/h, soit 30 %. Le point d’efficacité migre en direction d’un degré d’efficacité inférieur. Les deux interprétations varient mais ont leur bien-fondé. L’interprétation d’après A sur l’axe horizontal est nécessaire, par exemple si l’on veut amortir un radiateur individuel avec un chauffage central à eau chaude (thermostat à valve). La hausse de pression qui en résultera à l’entrée des autres radiateurs perturbera considérablement leur capacité de régulation. Une interprétation d’après B sur l’axe vertical est requise quand, malgré la hausse de la résistance (étranglement, encrassement des filtres), le volume d’écoulement doit rester constant le plus possible, par exemple pour les évaporateurs d’installations frigorifiques fonctionnant avec de l’eau.

252

1.5 • ACOUSTIQUE ÉLÉMENTAIRE

D 1.5.1 Généralités1

Durée de vibration T = 1/f p = 0,7/pA

ps

m Te

p pL

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Son

Son complexe

pL = Pression atmosphérique

pA = Pression acoustique maximale

p = Pression effective = 0,71 pA

f = Fréquence

Bruit

Fig. 1.5.1-1 : Vibrations types d’un son simple, d’un son complexe et d’un bruit.

1.5.2 Caractéristiques physiques du son La célérité du son c est la vitesse à laquelle se propage la vibration dans le milieu : c = λ ⋅ f en cm/s λ = longueur d’onde (cm) f = fréquence du mouvement vibratoire en s –1 ou Hz La vitesse du son (ou vitesse acoustique) u (à distinguer de la célérité du son) est la vitesse moyenne de la particule en oscillation : u = a ⋅ w en cm/s a = amplitude de l’oscillation ou du mouvement vibratoire (cm) w = 2π f = fréquence de pulsation (s–1) De l’alternance de compressions et de dilatations résulte une pression périodique. La pression acoustique p n’est autre que la moyenne quadratique des valeurs de la pression acoustique instantanée sur une période donnée (donc au carré, sinon la somme serait égale à 0). La plupart du temps, cette pression 1. DIN 1320:1997-06. Acoustique, Définitions. DIN 45630-1:1971-12 et DIN 45630-2:1967-09. Bases des mesures du son. LTG-Information N° 20 (1972/73). VDI Directive 2081:2001-07 : Production de bruit et diminution du bruit dans les installations RTL. 2. Hönmann, W. : Ges.-Ing. 4/86. pages 209/212.

253

1 DONNÉES DE BASE

Le son est l’ensemble des vibrations mécaniques de particules matérielles dans un milieu élastique et dans un certain intervalle de fréquences sensibles à l’oreille. On distingue les bruits aériens, ou vibrations dans l’air, des bruits solidiens, ou vibrations transmises par des solides. 1 La valeur effective p des fluctuations de pression perceptibles va de p = 2 ⋅ 10 − 5 N/m2 à p = 2 ⋅ 10 N/m2. L’oreille humaine ne peut percevoir que les bruits aériens. La limite inférieure de perception (le son le plus bas) se situe à environ 20 (vibrations par seconde – 20 hertz), la limite supérieure à environ 20 000 vibrations par seconde (20 000 hertz). Les vibrations inférieures à cette limite sont appelées infrasons (émis par exemple par des tremblements de terre ou des secousses telluriques), considérés la plupart du temps comme inaudibles, mais perceptibles avec des niveaux sonores plus soutenus 2. Au-dessus de 20 000 hertz, il s’agit alors des ultrasons (importants dans de nombreuses expérimentations d’ordre physique, chimique et biologique). Plus le nombre de vibrations par seconde est grand, plus la perception du son est importante. Lorsque les différentes particules oscillent en direction de la propagation de l’onde, on parle d’ondes longitudinales (ondes de compression) ; lorsqu’elles oscillent perpendiculairement à celles-ci, on parle d’ondes transversales et d’ondes de flexion. Dans l’air et les fluides, seules les ondes de compression sont possibles. Lorsque la vibration est sinusoïdale, le son est dit simple (fig. 1.5.1-1). Plusieurs sons simples audibles simultanément forment un son complexe lorsque les rapports des fréquences des sons élémentaires sont des nombres entiers (harmoniques). Si les vibrations des sons simples sont quelconques, on obtient un bruit, qui, suivant sa puissance, son type ou sa durée, est susceptible de déranger, polluer, voire, en tant que tel, nuire à la santé de tout un chacun. Une détonation est un coup sonore bref de forte intensité acoustique.

1.5.2 Caractéristiques physiques du son

1.5 • Acoustique élémentaire

dans un même champ acoustique varie d’un endroit à l’autre. Plus les particules d’air de la couche médiane oscillent, plus le son est fort, plus l’amplitude a de l’oscillation est importante et donc la compression et la dilatation de l’air également. On mesure la pression acoustique en N/m 2 1 N/ m 2 = 1 Pa = 10 μbar . Entre la pression acoustique p et la vitesse acoustique u existe la relation : p = u ⋅ ρc (« Loi d’Ohm de l’acoustique ») ρ = masse volumique du milieu (kg/m3) p / u = ρc (= z) est l’impédance acoustique (kg/m2.s). C’est l’air qui a l’impédance la plus faible (voir tableau 1.5.2-1). L’intensité acoustique I = p ⋅ u (W/m2) est la puissance acoustique qui parcourt une surface de 1 m 2 en une seconde. Pour de l’air à 20 °C, on a :

p2 p2 p2 = (W / m 2 ) ≈ μ W/ cm 2. ρc 413 4 Cette équation permet de calculer I à partir de p ainsi que p à partir de I. 2 2 2 Une variante est I = u ⋅ ρc = 400u (μ W/ cm ). La puissance acoustique P, qu’il n’est pas possible de mesurer directement, est la puissance globale émise par une source sonore. Elle est déterminée en intégrant la pression acoustique, par exemple par l’intermédiaire d’une surface sphérique S autour de la source sonore. On obtient alors pour l’air : I = p⋅u =

P = S⋅I = S⋅

p2 ≈ 400 S ⋅ u 2 (μ W). ρc

Tableau 1.5.2-1 – Impédance acoustique z de divers milieux

ρ kg/m3

c m/s

z=ρ.c kg/(m2. s)

7 900 2 800 200 1 500 ≈500 1 000 200 ≈1 000 … 2 000 1,2

5 000 6 400 4 000 4 300 5 000 1 450 500 60 à 150 344

3 950 . 104 1 800 . 104 800 . 104 650 . 104 250 . 104 145 . 104 10 . 104 6 à 30 . 104 413

Milieu Acier Granit Béton Brique Bois (perp. à la fibre) Eau Liège Caoutchouc Air

Tableau 1.5.2-2 – Puissance acoustique de diverses sources sonores Puissance moyenne μW (10–6 W)

Source sonore Voix humaine, violon Ventilateur, 5 000 m3/h, 500 Pa Piano Trombone à piston Orchestre de 75 instruments Haut parleur Avion à réaction Propulseur à réaction

10 1 000 4 000 40 000 – –

Puissance maximale W 0,001 0,01 0,2 6 70 100 10 000 10 000 000

Tableau 1.5.2-3 – Caractéristiques de différents champs acoustiques en fonction de la pression du son dans l’air Pression acoustique p Pa 0,1 1 10 100

254

Intensité sonore I μW/cm2 0,0025 0,25 25 2 500

Vitesse acoustique u cm/s 0,025 0,25 2,5 25

Amplitude sonore a 10−6 cm à 1 000 Hz

Niveau de pression acoustique dB

4 40 400 4 000

74 94 114 134

1.5.3 Timbre et spectre acoustique

Une conversation normale, à environ 1 m de la bouche du locuteur, produit une pression acoustique d’environ 0,002 Pa . La pression perceptible la plus faible est de 2 ⋅ 10 − 5 Pa ; le seuil de douleur se situe à environ 20 Pa. Consulter la puissance de quelques autres sources sonores sur le tableau 1.5.2-2. Les caractéristiques des différentes unités de champs acoustiques en fonction de diverses pressions du son dans l’air figurent sur le tableau 1.5.2-3. La densité acoustique E (10–7 J/cm3) est la quantité d’énergie acoustique contenue dans l’unité de volume. Dans le cas d’ondes lisses, E = I/c. Dans des lieux clos, d’après la théorie de la réverbération, une source sonore de puissance P peut produire une densité acoustique E = 4 P / Ac (A = absorption des parois en m2, voir paragraphe 4.3.6 page 1288).

1.5.3 Timbre et spectre acoustique D’après le principe de Fourier, chaque bruit peut se décomposer en vibrations sinusoïdales simples. Pour obtenir un spectre acoustique, il suffit de reporter sur un diagramme la pression acoustique en fonction de la fréquence. La vibration dont la fréquence est la plus faible est appelée fondamentale, les autres étant dénommées harmoniques. Des sons simples de même hauteur, mais de caractéristiques différentes, se distinguent par leurs harmoniques. On dit que les sons ont des timbres différents (fig. 1.5.3-1). Dans le cas de la voix humaine, la fondamentale est produite par les cordes vocales dans le larynx, tandis que les harmoniques, et donc le timbre caractéristique des différents sons, sont produits par la cavité buccale ainsi que la forme et le position des lèvres . Les principales harmoniques se situent par exemple : pour la voyelle a à environ 3 000 Hz pour la voyelle u à environ 500 Hz pour la voyelle i à environ 500 et 3 000 Hz Les lettres sifflantes correspondent à des fréquences élevées. Les bruits contiennent généralement des spectres continus avec plus ou moins de maxima prononcés à certaines fréquences. Lorsque le niveau de pression acoustique est constant à toutes les fréquences, on parle de « bruit blanc ». La connaissance des spectres est de la plus haute importance dans la lutte contre le bruit, car l’oreille distingue aussi les bruits en fonction de leur fréquence.

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Pression sonore

Fréquence de base

Son

Tonalité

Fréquence

Fréquence

Fréquence de base

Bruit

Fréquence

Fig. 1.5.3-1 : Spectres acoustiques de différents sons.

Le domaine techniquement important se situe entre 50 et 10 000 Hz. Il se subdivise en bandes d’octaves (rapport de fréquence 2:1) ou de tierces. Les fréquences moyennes des huit bandes d’octave utilisées dans les installations de ventilation figurent sur le tableau 1.5.4-2.

1.5.4 Évaluation du bruit -1

Évaluation A

Le bruit le plus faible qu’une bonne oreille humaine est censée percevoir s’élève à environ 20 μPa, sachant que le seuil de la douleur se situe à environ 20 Pa. Pour éviter de jongler avec des chiffres peu pratiques qui vont jusqu’à des puissances septième de dix, on indique la pression sonore p dans un rapport logarithmique avec une pression de référence p0 = 20 μPa (seuil d’audition), comme suit : 2

⎛ p⎞ p niveau de pression acoustique (N.P.A.) L = 10 log ⎜ ⎟ = 20 log en dB. p0 ⎝ p0 ⎠ Le niveau de pression acoustique est une valeur physique sans dimension. C’est à Graham Bell (18471922) que l’on doit le décibel comme unité de mesure.

255

1 DONNÉES DE BASE

1.5 • Acoustique élémentaire

1.5.4 Évaluation du bruit

1.5 • Acoustique élémentaire

L’échelle de niveau sonore en décibel s’étend par conséquent du seuil d’audition Lp = 0 jusqu’au seuil 20 = 120 dB. de la douleur L = 20 log 20 ⋅ 10 − 6 Pour l’intensité acoustique I et la puissance acoustique P, on utilise également l’échelle de mesure en décibel : I Li = 10 log en dB I0 P Lw = 10 log en dB P0 La valeur de référence I0 est en 10–12 W/m2, la valeur de référence P0 = S0 P02/ρc = 10–12 W (aux ÉtatsUnis, on la trouve souvent aussi en 10 –13 W). La surface S0 = 1 m2. Après conversion des équations du paragraphe 1.5.2, le niveau de puissance acoustique s’écrit : 2

Lw = 10 log

⎛ p⎞ p2 S S S ⋅ = 10 log ⎜ ⎟ + 10 log = L p + 10 log 2 S0 S0 p0 S0 ⎝ p0 ⎠

Si S = S0, alors Pw = Pp. Le niveau de puissance acoustique est caractéristique d’une source sonore donnée, car, contrairement au niveau de pression, il ne dépend pas d’autres facteurs comme la surface de la canalisation, de l’absorption, etc. Lorsque le niveau de pression se réfère à la surface de S = 1 m2, on le mesure de la même façon que le niveau de pression acoustique. Tableau 1.5.4-1 – Niveau de pression acoustique par bande d’octave d’après la fig. 1.5.4-1 Fréquence d’octave

en [Hz]

63

125

250

500

1 000

2 000

4 000

8 000

Lw

en [dB]

69

74

73

70

68

63

58

46

Pression acoustique

En additionnant plusieurs sources sonores, il faut veiller à ne pas additionner les pressions, mais les intensités I1, I2,… ou les carrés de pression sonore p12, p22, etc., ou encore les puissances acoustiques P1, P2, etc. Lorsque différents niveaux L1, L2, s’additionnent, le niveau global obtenu est le suivant : . . . Ltot = 10 . log(100,1 L1 + 100,1 L2 +…+ 100,1 Ln) Au cas où tous les niveaux isolés seraient identiques, soit L1 = L2 =… = Ln = L, l’équation se simplifie en : . Ltot = 10 . log(n . 100,1 L) = L + 10 . logn On utilise également l’addition de niveaux pour calculer le niveau total d’un spectre par bande d’octave ou de tiers d’octave. Le spectre par bande d’octave mesuré à partir d’un bruit est représenté sur la fig. 1.5.4-1 et les niveaux de pression acoustique par bandes d’octave relevés sur le diagramme ont été réunis sur le tableau 1.5.4-1. On peut calculer le niveau total de bruit Ltot = 79 dB en additionnant les niveaux.

L tot = 78,5 dB

Fréquence

-2

Fig. 1.5.4-1 : Diagramme de valeur expérimentale d’une source sonore.

Spectres de fréquence

La plupart des bruits se composent de parties sonores de différentes fréquences ; c’est pourquoi ne prendre en compte qu’un niveau global ne suffit pas pour procéder aux évaluations et calculs acoustiques. En technique de ventilation, on s’intéresse surtout au domaine de fréquences situées entre 44 Hz et 11 360 Hz, lequel se subdivise en bandes d’octaves. Les octaves, désignées par les fréquences moyennes fm, sont rassemblées avec leurs limites de fréquence inférieures (fi) et supérieures (fs) sur le

256

1.5.4 Évaluation du bruit

1.5 • Acoustique élémentaire

tableau 1.5.4-2. Les bandes de tiers d’octave sont indiquées plus loin avec leurs limites de fréquence. En effet, la répartition du domaine de fréquence sur 8 bandes d’octaves est trop large pour être utilisée pour des études qui nécessitent de la précision, comme celles menées dans l’acoustique architecturale. On travaille donc ici avec des bandes de tiers d’octaves. 1 Tableau 1.5.4-2 – Fréquences moyennes, limites de fréquence, et largeurs de bandes de tiers d’octave [Hz]

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fm

-3

fi

Δfoct

fs

Bandes de tiers d’octave fm

fi

Largeur de bande de tiers d’octave

Δftierce

fs

63

45

89

45

50 63 80

45 56 72

56 70 90

11 14 18

125

88

177

88

100 125 160

90 112 140

112 140 180

22 28 40

250

177

354

177

200 250 315

180 224 280

224 280 355

44 56 75

500

354

707

354

400 500 630

355 450 560

450 560 710

95 110 150

1 000

707

1 414

707

800 1 000 1 250

710 900 1 120

900 1 120 1 400

190 220 180

2 000

141

2 828

1 414

1 600 2 000 2 500

1 400 1 800 2 240

1 800 2 240 2 800

400 440 560

4 000

2 828

5 657

2 828

3 150 4 000 5 000

2 800 3 550 4 500

3 330 4 500 5 600

750 950 110

8 000

5 657

11 314

5 657

6 300 8 000 10 000

5 600 7 100 9 000

7 100 9 000 11200

1 500 1 900 2 200

1 DONNÉES DE BASE

Largeur de bande d’octave

Bandes d’octave

Intensité acoustique

L’oreille humaine n’est pas sensible de la même façon à toutes les fréquences. L’intensité acoustique subjective ressentie n’a aucun rapport avec la pression ou l’intensité acoustique physiquement mesurable. Pour mesurer l’intensité acoustique, il suffit de procéder comme suit : On définit tout d’abord l’unité de l’intensité acoustique L, le phone, pour des sons de 1 000 Hz, comme suit : L = 10 log I/I0 (phone) ou, comme I = p2/420 : L = 20 log p/p0. L’intensité acoustique d’un son de 1 000 Hz est donc une valeur numériquement identique à celle du niveau acoustique en dB. Pour indiquer l’intensité acoustique de sons d’autres fréquences, on a déterminé et comparé de manière subjective des sons de 1 000 Hz d’une intensité acoustique différente avec des sons d’une fréquence différente, en fonction desquels la pression acoustique d’un son normal de 1 000 Hz doit être réglée pour que, soumis à un nombre assez important d’observateurs, ce son semble avoir la même intensité que le son à mesurer. On a ainsi pu obtenir les courbes de même intensité acoustique représentées fig. 1.5.4-2, qui avaient d’abord été établies par Fletscher et Munson en 1933, et furent plus tard améliorées par d’autres (Robinson et Dadson). 1. Möser, M. ; Technique de mesure acoustique ; chapitre 2 dans : Heckl, M. ; Müller, H. A. ; livre de poche de la technique de l’acoustique ; 2e édition, Berlin, édition Springer 1994.

257

1.5.4 Évaluation du bruit

1.5 • Acoustique élémentaire

Niveau de pression acoustique

Pression acoustique

Un son sinusoïdal possède donc l’intensité acoustique L phone, si son intensité se ressent comme celle d’un son de 1 000 Hz et est identique au niveau acoustique L, avec L = 10 log I/I0. À partir de ce schéma, on peut constater qu’avec des sons de plus basse fréquence, il faut un niveau de pression acoustique nettement plus élevé pour obtenir la même intensité acoustique. Par exemple, à 125 Hz et 30 phones, le niveau de pression acoustique s’élève à 39 dB.

Seuil d’audition phone

Fig. 1.5.4-2 : Courbes de même intensité d’après DIN 45630-2:1967-09.

Fréquence

Ces courbes décrivent la sensibilité de l’oreille à des sons différents en fonction de la fréquence, mais ne sont à utiliser qu’avec réserve pour évaluer les bruits à large bande, qui se révèlent être les plus fréquents.

-4

Évaluation du niveau acoustique

Afin de s’en tenir, lors de la mesure des bruits, à une seule valeur numérique et donc d’obtenir des valeurs objectivement comparables, des filtres ont été intégrés aux appareils de mesure de pression acoustique, lesquels évaluent différemment les pressions acoustiques dans les divers domaines de fréquence (voir paragraphe 1.6.10-4 page 302). Tableau 1.5.4-3 – Niveau de pression acoustique de différentes sources de bruits Niveau de pression acoustique Lp en dB (A) 0 10 15 … 20 25 … 30 30 … 40 40 … 50 50 … 60 55 … 65 60 … 65 65 … 70 55 … 75 70 … 80 75 … 85 80 … 85 80 … 90 90 … 100 100 … 110 110 … 120 120 … 130 130 … 150

258

Bruit Début du ressenti sonore, mesurable seulement en laboratoire Le son commence à être audible Léger frémissement de feuilles en plein champ la nuit, église Chuchotements, salle de lecture Zone résidentielle calme Conversation à voix basse, bureau calme Conversation normale, machine à écrire (silencieuse) Aspirateur Grand magasin, bureau bruyant Sonnerie de téléphone à 1 m de distance, aboiement de chien, machine à écrire Compartiment train Circulation routière dense Wagon de métro Appels, cris Voiture chargée qui passe ; atelier muni de tours ; imprimerie Manufacture de coton ; train express qui passe, turboalternateur Chaudronniers, tonnerre bruyant Avion, hélice à 3 m de distance Bruit douloureux Avion à réaction

1.5 • Acoustique élémentaire

1.5.4 Évaluation du bruit

On a en quelque sorte une simulation de la sensibilité de l’oreille humaine. La valeur ainsi mesurée est dénommée niveau de pression acoustique pondéré A LpA, indiqué en dB(A), et est valable dans tout le domaine de niveau acoustique. La norme DIN d’intensité acoustique (unité en phones-DIN), utilisée autrefois en Allemagne avant d’être retirée en 1968, est, en-dessous de 60 phones-DIN, identique à un niveau acoustique en dB(A). En outre, une évaluation A du niveau de performance acoustique LWA est possible. Les niveaux de pression acoustique A de différents bruits évalués figurent sur le tableau 1.5.4-3.

Courbes de saturation limite

Niveau de pression acoustique par bande d’octave en dB

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Pour les bruits à large bande avec des sons isolés d’excellente qualité, comme c’est le cas par exemple avec les ventilateurs, on obtient une image fausse si l’on indique uniquement le niveau de pression acoustique en dB(A). Par exemple, si un bruit ne s’étend que sur une bande d’octave unique, alors la valeur obtenue en dB(A) de ce bruit est inférieure d’environ 9 dB à celle d’un bruit à large bande, qui présente la même intensité acoustique dans les huit domaines d’octave. En effet, 8 sources sonores de même intensité donnent un niveau total supérieur de 10 log 8 = 9 dB. En réalité, le bruit isolé est ressenti physiologiquement comme beaucoup plus désagréable que le bruit « blanc ». Pour pallier ces difficultés, on a établi des courbes de gêne égale, qui tiennent compte de la composition de fréquence du bruit (voir fig. 1.5.4-3 présentant les courbes, appelées, en vertu d’une recommandation ISO, courbes NR pour Noise Rating, c’est-à-dire courbes d’estimation du bruit (ou courbes de niveau de gêne constant). Lorsque les différents niveaux de pression acoustique mesurés dans les bandes d’octave suivent tous le cours de l’une des courbes de saturation limite, le niveau de pression acoustique évalué LpA d’un tel bruit se situe entre 7 et 10 dB au-dessus de la valeur de la courbe de saturation limite. Pour les bruits survenant dans les systèmes de ventilation, la différence n’est en moyenne que d’environ 5 dB(A), car le spectre de ces bruits n’atteint pas la même courbe de saturation limite pour toutes les bandes d’octave. Outre la courbe de saturation limite NR d’évaluation du bruit, il existe encore quelques autres courbes, comme la courbe d’estimation du bruit NC. On peut aussi utiliser la courbe A, inverse de la fig. 1.6.10-3 page 302, comme courbe de saturation limite pour les calculs acoustiques des systèmes de ventilation, dans le cas où un niveau de pression acoustique A déterminé est prédéfini. Les courbes de saturation limite1 sont valables pour les stations de radio et sont identiques aux courbes d’estimation du bruit dans un domaine de fréquences moyennes et basses, mais possèdent une valeur constante à haute fréquence.

Fréquence médiane des bandes d’octave en Hz

Fig. 1.5.4-3 : Courbe de saturation limite NR d’après VDI 2081:2001-07.

Pour les bruits à large bande, c’est-à-dire sans apparition de sons particuliers, l’évaluation A suffit généralement. Toutefois, lorsque surviennent dans une pièce des bruits avec des sons particuliers nettement audibles, il faut mesurer le niveau de pression acoustique dans les différentes octaves, afin de déterminer l’endroit où la courbe de saturation est atteinte. Appareils de mesure, voir paragraphe 1.6.10 page 300. 1. DIN 15996:1996-04 relative à l’enregistrement et le traitement du son en radio, vidéo et dans les films. Dispositions applicables sur le lieu de travail.

259

1 DONNÉES DE BASE

-5

1.5.5 Propagation du son

1.5 • Acoustique élémentaire

1.5.5 Propagation du son1 La vitesse de propagation du son, ou célérité, dans les gaz correspond à : 1

c=

χp ρ

(m/s)

p = pression du gaz (N/m2) ρ = masse volumique du gaz considéré (kg/m 3) χ = cp/c0 = rapport des chaleurs spécifiques. Pour l’air, c = 331 1 + 0, 004t ou, plus précisément, c = 20,1 T . La vitesse du son dépend de la température, et non de la pression. Pour les liquides :

1 en m/s K ⋅ρ Pour des corps solides : c=

K = compressibilité du liquide =

ΔV en m3/N. V⋅p

E E = module d’élasticité (N/m2). ρ Le son propagé dans des corps solides n’est pas audible en soi, puisque l’oreille humaine n’est sensible qu’aux sons transmis par l’air. Le bruit d’impact peut toutefois ressortir des corps par suite d’oscillations en surface, puis être transmis à l’air, si bien qu’il devient audible. Les valeurs numériques concernant la vitesse du son figurent dans les tableaux 1.5.5-1 à 1.5.5-3. c=

Tableau 1.5.5-1 – Variation de la célérité du son c dans l’air en fonction de la température Température °C

c m/s

Température °C

c m/s

– 10 0 10

325,6 331,8 337,8

20 30 40

343,8 349,5 355,3

Tableau 1.5.5-2 – Variation de la célérité du son c dans de l’eau distillée en fonction de la température Température °C

c m/s

Température °C

c m/s

0 10

1 407 1 449

20 30

1 484 1 510

Corps

c m/s

Tableau 1.5.5-3 – Célérité du son c dans différents matériaux Corps Verre Aluminium Acier Béton Bois, chêne

c m/s 5 200 5 100 5 000 4 000 3 850

Bois, épicéa Bois, sapin Maçonnerie Liège Caoutchouc

3 300 4 200 3 500 500 50

Lorsque la source sonore est ponctuelle, un champ sonore de forme sphérique se crée autour d’elle. Selon l’équation du paragraphe 1.5.4-1 page 255, la pression acoustique est déterminée sur une distance r par : S L p − Lw = 10 log 0 2 avec S0 = 1 m 2 4 πr

L p = Lw − 20 log r − 11 1. Grebig K. : HLH 1971 page 143/6.

260

1.5.6 Isolation acoustique aux bruits aériens

La pression acoustique diminue donc de 6 dB environ à chaque doublement de distance dans le champ acoustiquement libre (fig. 4.3.6-27) (20 log 2 = 6). Mais dans la pratique, cette valeur ne diminue que de 5 dB du fait de réflexions et, dans les pièces où le son se réverbère, le niveau de pression acoustique reste constant. Pour des sources sonores non ponctuelles, cette loi ne s’applique qu’à une distance de quelques diamètres de la source sonore, comme c’est le cas avec les ventilateurs 1. Dans la pratique, le son se propage souvent dans une direction privilégiée, ce qui implique d’introduire un facteur de direction Q tel que : Q L p − Lw = 10 log 4 πr 2 Q est le rapport de l’intensité acoustique émise dans une direction à l’intensité acoustique de l’émetteur sphérique de même puissance. (Q = 1….8). Voir aussi fig. 4.3.6-28 page 1310. Angle solide = 4π 2π π π/2 Q = 1 2 4 8 Dans les espaces clos, où le son est en partie absorbé par les murs, et en partie réfléchi, la diminution du niveau acoustique est plus faible. Voir paragraphe 4.3.6-3 page 1296. L’emplacement du microphone est important pour constater le niveau acoustique dans des espaces clos. Dans des pièces présentant des murs fortement réfléchissants, des « ondes » peuvent apparaître par réflexion multiple.

1.5.6 Isolation acoustique aux bruits aériens

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-1

Définition2

Quand l’énergie acoustique atteint un mur, une Traverse ou se diffuse partie est renvoyée par réflexion ou par vibrations par les vibrations de flexion (le mur vibre comme une membrane) ; de flexion Son entrant une deuxième partie est absorbée par le mur ou propagée, et une troisième partie passe au travers des pores du mur ou est diffusée par vibrations de Absorbé par le mur flexion de l’autre côté du mur (fig. 1.5.6-1). La Propagé dans le mur transmission du bruit sur des murs solides résulte Ré-émis en majeure partie des vibrations de flexion du par réflexion mur.2 et vibrations Lorsque le niveau de pression acoustique L1 de flexion émerge sur l’un des côtés du mur ou du plafond et L2 de l’autre côté, l’isolement acoustique brut Fig. 1.5.6-1 : Passage de l’énergie acoustique de la paroi séparative se calcule alors ainsi : à travers un mur. D = L1 – L2 (dB) La différence de niveau de pression acoustique Elle dépend non seulement de l’indice d’affaiblissement acoustique de la construction murale mentionné ci-après, mais aussi des dimensions de la surface et des possibilités dont dispose le mur de la pièce réceptrice pour amortir le bruit.

-2

Indice d’affaiblissement acoustique

L’indice d’affaiblissement acoustique est caractéristique des constructions. Dans le cas d’un mur ou d’un plafond, il est déterminé pour les mesures des diverses fréquences par l’équation suivante : S V R = L1 − L2 + 10 ⋅ log 2 avec A2 = 0, 163 ⋅ A2 T R = indice d’affaiblissement acoustique [dB] L1 = niveau de pression acoustique dans la pièce émettrice [dB] L2 = niveau de pression acoustique dans la pièce réceptrice [dB] S2 = surface de la paroi séparative (par ex. un mur) du côté récepteur [m 2] A2 = surface d’absorption équivalente dans la pièce réceptrice [m 2 sabine] 1. Calculs plus précis dans VDI 2714:1998-01 2. DIN 4109:1989-11 sur l’isolation acoustique en bâtiment. Gösele K. – Ges.-Ing., 1967. page 95/98

261

1 DONNÉES DE BASE

1.5 • Acoustique élémentaire

1.5 • Acoustique élémentaire

1.5.6 Isolation acoustique aux bruits aériens

V = volume de l’espace [m3] T = temps de réverbération [s] Valeurs numériques présentes dans VDI 2571, VDI 27191 et DIN 4109.

-3

Évaluation de l’indice d’affaiblissement acoustique Indice d’affaiblissement acoustique R

L’insonorisation d’un élément de construction dépend de la fréquence des ondes incidentes. Pour caractériser, par une valeur à un chiffre, l’insonorisation analogue à la pondération A des bruits, on a établi une Courbe de référence courbe de référence (DIN EN ISO 717 2), à consulter sur la fig. 1.5.6-2. Celle-ci correspond à peu près au cours théorique de l’indice d’affaiblissement acoustique d’un mur de briques pleines de 25 cm d’épaisseur. La valeur numérique déterminée à un chiffre est désignée par l’indice d’affaiblisNiveau mesuré sement acoustique pondéré RW à l’aide de la courbe de référence. La façon de procéder pour déterminer l’indice Courbe décalée d’affaiblissement acoustique pondéré RW est la suivante : La courbe de l’indice d’affaiblissement acoustique d’un échantillon figure sur le diagramme avec la courbe de réféFréquence Hz rence (fig. 1.5.6-2). La mesure se réfère en général à des Fig. 1.5.6-2 : Test effectué sur une paroi ; bandes de tierces d’octave comprises entre 100 Hz et indice d’affaiblissement 3 150 Hz (16 tierces d’octave). Dans le cas d’études assez acoustique RW = 41 dB. larges, seules les bandes de 5 octaves entre 125 et 2 000 Hz Courbe de référence d’après sont mesurées. DIN EN ISO 717-1:1997-01 ; valeur à un chiffre à Ensuite, la courbe de référence est décalée parallèlement 500 Hz : 52 dB. vers le haut ou vers le bas, jusqu’à ce que la somme des points de mesure inférieurs sur la courbe de référence décalée soit la plus grande possible, sans dépasser toutefois 32 dB (mesures sur 16 tierces d’octave) ou 10 dB (mesures sur 5 octaves). Les points de dépassement ne sont pas répertoriés. La valeur de la courbe de référence décalée pour une fréquence de f = 500 Hz correspond à l’indice d’affaiblissement acoustique pondéré RW. Avec cet indice d’affaiblissement acoustique pondéré, il n’est tenu aucun compte de la répercussion des transmissions sonores sur les autres parties du bâtiment. Dans le cas contraire, on obtient l’indice d’affaiblissement acoustique RW′ (indice d’affaiblissement acoustique de construction). Les exigences au banc d’essai sans transmission de structure similaire au bâtiment (mesure de R) et celles avec transmission de structure similaire au bâtiment (mesure de R ′) sont décrites dans DIN EN ISO 140-1:198-03 3. ′R Un processus de calcul permettant d’établir l’indice d’affaiblissement acoustique en résultant, soit RW, figurent dans l’annexe 1 de DIN 4109 4. Les exigences minimales concernant l’indice d’affaiblissement 5 ′ R des éléments de construction sont énumérés dans DIN 4109 . acoustique RW,

-4

Murs et plafonds à simple paroi

Ils se composent d’un matériau homogène, par exemple du. béton, de la brique, etc. Plus ils sont lourds, mieux ils isolent. Les valeurs mesurées d’isolement acoustique moyen pour des paroi composées d’un seul élément figurent sur le tableau 1.5.6-1. On admet de manière approximative pour l’indice d’affaiblissement acoustique R : R = 20 . log f + 20 . log m ′′ – 47 f = fréquence [Hz] m ′′ = masse par rapport à la surface de l’élément de construction [kg/m 2] Cette équation devrait dans la pratique être moins utilisée pour calculer l’indice d’affaiblissement d’un mur à voile simple, que pour évaluer les mesures à prendre pour améliorer cet indice d’affaiblissement acoustique. Si l’on double la masse par rapport à la surface de l’élément de construction, il résulte de l’équation ci-dessus que l’indice d’affaiblissement s’améliore pour chaque fréquence de 6 dB (20.log 2). Si l’indice

1. VDI 2571:1976-08 : rayonnement sonore dans les bâtiments industriels. VDI 2719:1987-08 : insonorisation des fenêtres et de leurs accessoires. 2. DIN EN ISO 717-1:197-01 : évaluation de l’insonorisation en immeuble et dans les éléments de construction – isolement aux bruits aériens 3. DIN EN ISO 140-1:1998-03 : mesure de l’isolation sonore dans les immeubles et les éléments de construction - exigences au banc d’essai avec transmission indirecte masquée 4. Annexe 1 de DIN 4109:1989-11 : insonorisation en bâtiment – exemples d’application et processus de calcul. 5. DIN 4109:1989-11 : insonorisation en bâtiment – Exigences et justifications.

262

1.5.6 Isolation acoustique aux bruits aériens

1.5 • Acoustique élémentaire

d’affaiblissement doit être amélioré d’une valeur plus élevée, une très grande masse surfacique est alors nécessaire. Ainsi se heurte t-on très vite aux limites de la statique des constructions ; la nette amélioration de l’indice d’affaiblissement acoustique nécessite donc des couches additionnelles ou des parois multivoiles. Tableau 1.5.6-1 – Isolement acoustique brut moyen aux bruits aériens obtenu avec des parois à voile simple (enduit sur les deux faces) Masse kg/m2

Isolement dB

Mur

Masse kg/m2

Isolement dB

6 cm béton de ponce 10 cm carreaux de plâtre 10 cm béton caverneux 11,5 cm de brique creuse 20 cm béton caverneux

110 105 150 200 220

35 36 41 44 45

11,5 cm brique pleine 12 cm béton lourd 24 cm brique creuse 24 cm brique pleine 24 cm grès argilo-calcaire

270 330 350 460 510

47 50 51 53 54

Tableau 1.5.6-2 – Isolement acoustique brut moyen aux bruits aériens obtenu par des parois à deux voiles

-5

Mur

Épaisseur cm

Masse incluant des deux côtés 1,5 cm d’enduit en ciment kg/m2

Fente d’aération cm

Épaisseur totale cm

Isolement moyen dB

Brique pleine Briques légères Briques légères Panneaux de ciment de ponce Panneaux de plâtre Panneaux légers

2 × 6,5 2 × 9,5 2 × 6,5 2×5 2×5 2×5

280 250 280 150 130 90

1,5 1,8 2,1 3,0 3,7 4,5

17,5 23,8 18,1 16 16,7 17,5

56 56 55 53 53 52

Murs et plafonds à parois multiples

f = fréquence [Hz] m ′′ = masse surfacique de l’élément de construction [kg/m 2] d = espace entre les deux parois [m] K = constante Étant donné que, dans la pratique, l’incidence du son sur un élément de construction n’est pas verticale, mais plutôt diffuse, cette équation ne peut servir à calculer l’indice d’affaiblissement d’un élément de construction à deux parois, mais par contre peut contribuer à prendre les mesures adéquates pour obtenir un meilleur indice d’affaiblissement. Alors que dans un élément de construction à simple paroi, la multiplication par deux de la masse surfacique conduit à une augmentation de 6 dB de l’indice d’affaiblissement (voir paragraphe précédent), l’indice d’affaiblissement acoustique s’élève ici à 12 dB (40log2). Diverses réalisations sont possibles dans le cas d’une paroi à deux voiles. Ainsi, une paroi légère peut être disposée devant une paroi massive (par ex. un panneau léger avec le moins de points de liaison Fig. 1.5.6-3 : Paroi avec panneau possible avec la paroi massive) (fig. 1.5.6-3), ou bien deux voiles de léger en amont. masse équivalente peuvent être installés à une distance définie l’un de l’autre (fig. 1.5.6-4). De nombreuses réalisations sont également possibles dans le cas de plafonds à deux voiles. Sur la fig. 1.5.6-5, un faux-plafond est monté sous le plafond porteur avec des surfaces de contact extrêmement réduites. La fig. 1.5.6-6 montre un plafond avec une dalle dite « flottante ». Entre le plafond massif et Panneau léger en amont du mur porteur

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Ils se composent de deux ou plusieurs parois qui ne sont pas liées entre elles de manière rigide. Pour amortir les résonances du vide, l’espace intermédiaire est rempli, mais non comblé, d’un matériau absorbant phonique. Lorsque ceci est bien exécuté, on obtient, par rapport aux constructions à voile simple, un indice d’affaiblissement plus élevé pour une masse inférieure. Le calcul de l’indice d’affaiblissement d’un élément de construction à deux parois est très complexe. Dans le cas théorique où le son n’atteint la paroi que perpendiculairement, on admet de manière approximative : R = 60 . log f + 40 . log m ′′ + 20 . log d – K

263

1 DONNÉES DE BASE

Mur

1.5.6 Isolation acoustique aux bruits aériens

1.5 • Acoustique élémentaire

la dalle se trouve une couche d’isolation. La combinaison des constructions sur les fig. 1.5.6-5 et 1.5.6-6 laisse apparaître un plafond à trois voiles, qui, s’il est bien réalisé, permet d’obtenir un indice d’affaiblissement acoustique particulièrement élevé.

Paroi

Paroi composée de deux voiles identiques (sans contact)

Enduit Dalle flottante Matériau isolant phonique

Baguette Plancher massif

Fig. 1.5.6-4 : Paroi avec deux voiles identiques.

-6

Fig. 1.5.6-5 : Plafond avec voile suspendu ou faux-plafond.

Fig. 1.5.6-6 : Plancher avec dalle flottante.

Portes et fenêtres

Outre l’épaisseur des matériaux, l’isolation acoustique des portes et fenêtres dépend très largement de la qualité d’exécution des joints d’étanchéité, d’où obtention de valeurs toujours très dispersées (tableau 1.5.6-3). Dans les rues où la circulation est dense et où le niveau sonore atteint, par exemple, 75 dB, le double vitrage est indispensable. Le niveau sonore dans la pièce est égal à 75 – 35 = 40 dB. Tableau 1.5.6-3 – Isolement acoustique moyen aux bruits aériens des portes et fenêtres Les valeurs les plus élevées correspondent aux portes ou fenêtres à étanchéité améliorée

-7

Élément Porte simple Porte double de construction usuelle

Fenêtre simple

Vitrage isolant

Fenêtre double

Double vitrage

Isolement moyen en dB

20 … 30

30 … 35

30 … 35

35 … 45

20 … 25

30 … 40

Parois hétérogènes

Il s’agit d’éléments de construction avec des surfaces intégrées d’isolements acoustiques différents, par exemple un mur avec fenêtre et porte (fig. 1.5.6-7). Une fois les indices d’affaiblissement des différents éléments de construction connus, l’indice d’affaiblissement résultant de l’élément de construction hétérogène se calcule ainsi : n

RW′ , res =

∑ Si ⋅10

− 0, 1⋅ RW, i

i =1

n

∑ si i =1

RW,res ′ = indice d’affaiblissement acoustique de l’élément de construction hétérogène Si = surface de l’élément de construction simple i ′ = indice d’affaiblissement acoustique de l’élément de construction simple i RW, i ou RW,i n = nombre d’éléments de construction simples Exemple La construction murale de la fig. 1.5.6-7 présente les données suivantes : Mur sans porte ni fenêtre : RW = 52 dB ; S = 9 m2 Fenêtre : RW = 40 dB ; S = 1 m2 Porte : RW = 35 dB ; S = 2 m2 D’où l’isolement acoustique résultant suivant pour la construction murale :

RW′ ,res = − 10 log

264

9 ⋅ 10 − 0 ,1⋅52 + 1 ⋅ 10 − 0 ,1⋅40 + 2 ⋅ 10 − 0 ,1⋅35 = 41, 8 dB = 41 dB 12

1.5.7 Insonorisation des constructions

1.5 • Acoustique élémentaire

Indication : les résultats de l’indice d’affaiblissement acoustique des éléments de construction hétérogènes sont en principe arrondis à des nombres entiers en dB.

Mur

Vitrage Porte

Fig. 1.5.6-7 : Exemple d’un élément de construction hétérogène (source Lindner AG).

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1.5.7 Insonorisation des constructions Le bruit solidien est le bruit qui se propage dans un milieu fixe à une fréquence supérieure à 15 Hz. Le bruit de structure n’est en soi pas audible, mais commence à le devenir, lorsqu’il est transformé en bruit aérien par le rayonnement des surfaces, ce qui est le cas, par exemple, pour les bruits de pas. La propagation sonore doit donc être endiguée le plus possible, d’autant plus que le son ne se transmet aux corps solides qu’avec des pertes infimes (tuyaux de chauffage). La législation en matière d’insonorisation dans les constructions est encore loin d’être définie du fait du couplage de différentes ondes. L’obstacle principal à la propagation sonore réside essentiellement dans l’interférence d’une couche élastique comme, entre autres, le liège, le caoutchouc etc., sur laquelle les ondes sonores se réverbèrent. On dit communément que l’isolation est d’autant plus grande que la couche élastique est souple et fortement chargée. En cas d’oscillations lentes, comme c’est le cas par exemple avec des machines rotatives, on parle de vibrations, lesquelles diminuent avec ce qu’on appelle les amortisseurs d’oscillations. Il est important de maintenir la fréquence propre nei de la structure aussi éloignée que possible (supérieurement ou inférieurement) de la fréquence d’excitation ner, afin d’éviter toute résonance. La fréquence propre est la fréquence par seconde que la machine en marche adopte sur la suspension à ressorts. La fréquence d’excitation est donnée par la fréquence de la force d’excitation, comme c’est le cas avec la vitesse de rotation des machines, le nombre de tours des moteurs, la fréquence des ailettes des ventilateurs, etc. (plus d’informations au paragraphe 4.3.6-6 page 1318)

1.5.8 Absorption acoustique Avec les matières poreuses comme les textiles, la laine de roche, le feutre, les matières en fibre de bois, etc., une partie essentielle de l’énergie acoustique incidente est absorbée dans les pores et est transformée en chaleur. On appelle ce phénomène de diminution du niveau sonore l’isolation phonique (contrairement à l’isolation sonore ou insonorisation). Le coefficient d’absorption de Sabine αs (DIN EN ISO 354:2003-12) d’une matière indique la quantité d’énergie acoustique incidente qui est absorbée, laquelle correspond au rapport de l’intensité acoustique absorbée avec l’intensité sonore incidente. Le coefficient d’absorption acoustique augmente fortement avec la fréquence pour presque toutes les matières. En cas de basses fréquences, l’absorption acoustique est d’autant plus grande que le panneau acoustique est épais. On la mesure pour un nombre incalculable de matières. Certaines valeurs sont présentées fig. 1.5.8-1, d’autres paragraphe 4.3.6 page 1288. Cette méthode d’absorption acoustique est beaucoup utilisée pour les « amortisseurs de bruit » appliqués aux techniques d’aération. Les conduits disposent ainsi d’objets encastrés absorbant le son (pièges à sons ou silencieux) réalisés à partir de laine de roche ou de verre. La force de l’absorption acoustique se calcule de manière approximative. On obtient une meilleure absorption acoustique, et ce également pour des fréquences basses, si l’on prévoit des vides d’air remplis totalement ou en partie avec des isolants sonores derrière des panneaux minces et vibrants, comme le contreplaqué, le placoplâtre, etc. (fig. 1.5.8-2). Les vibrations sonores arri-

265

DONNÉES DE BASE

1

1.5.8 Absorption acoustique

1.5 • Acoustique élémentaire

vant dans les fentes sont plus ou moins fortement absorbées par l’isolant sonore. Cette disposition est particulièrement efficace lorsqu’on se situe à une fréquence de (ou environ à la fréquence de) :

c 2π

f=

ρ lm

ρ = masse volumique de l’air (kg/m3) l = épaisseur de la lame d’air (m) m = masse surfacique du panneau en kg/m 3 c = célérité du son dans l’air (m/s) d Facteur d’absorption acoustique

c

g

b Isolants sonores Plaques (co-) vibrantes

e

f

a

Fréquence Hz

Fig. 1.5.8-1 : Coefficient d’absorption de Sabine de différents matériaux aux différentes fréquences médianes d’octave d’après Tienhaus.

Coefficient d’absorption acoustique α

a) enduit lisse b) panneau léger en fibres de bois de 2,5 cm c) de même avec 5 cm de vide d’air d) natte ou matelas de laine de verre de 3 cm e) toile cirée sur lame d’air 5 cm amortie par de la laine de verre

Matériaux absorbants phoniques

f) contre-plaqué de 3 mm sur lame d’air de 5 mm non amortie g) combinaison de matériaux poreux pouvant entrer en résonance

Panneaux résonateurs

Fréquence

Fréquence

Fig. 1.5.8-2 : Capacité d’absorption du son de matériaux absorbants phonique et de panneaux résonateurs

Pour l’air à une température de 20 °C, on a : f=

60 en Hz. lm

On recourt également à l’absorption acoustique lorsqu’on souhaite diminuer l’intensité du bruit dans une pièce. On utilise, dans une large mesure, des plaques ou des tôles perforées, derrière lesquelles on dispose de la laine de roche. Le pourcentage de perforation influence l’effet acoustique, de la même façon que la résistance au flux (épaisseur) des plaques en fibre minérale (panneaux d’insonorisation). Utilisation dans les bureaux, les ateliers, etc. Voir aussi le paragraphe 4.3.6 page 1288.

266

1.5.9 Acoustique des grands espaces

1.5 • Acoustique élémentaire

1.5.9 Acoustique des grands espaces

T = 0, 163 ⋅

V A

T = durée de réverbération [s] V = volume de l’espace [m3] A = surface d’absorption équivalente dans la pièce [m 2 sabine]. La surface d’absorption équivalente se calcule donc à partir de la durée de réverbération. Tableau 1.5.9-1 – Temps de réverbération usuels de quelques locaux types en secondes. Théâtre Salles de concert Salles de réunion Amphithéâtres

1 1…2 0,5 … 1,5 0,8 … 1,5

Chambres d’hôtel Bureaux Églises piscines

1 0,5 … 1,5 2…3 1,5 … 4

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Le nombre de réverbérations se produisant dans les 50 premières ms après émission du son direct constituent une autre mesure de valeur pour l’audibilité et la qualité acoustique de grandes pièces.

267

1 DONNÉES DE BASE

Dans les espaces clos, le son se réfléchit une ou plusieurs fois sur les surfaces délimitant la pièce, et ce surtout sur les plafonds et les murs. Selon les dimensions et la forme des pièces ainsi que l’absorption du son par les surfaces, la netteté et la qualité du son sont assez hétérogènes. Les pièces comportant de grandes surfaces en béton et en verre, dotées d’un grand pouvoir de réflexion, présentent un long temps de réverbération, éventuellement même de l’écho, et donc une faible netteté sonore. Les pièces dont les murs, les rideaux etc. absorbent le son, (pièces à faible réverbération acoustique) possèdent un temps court de réverbération et donc une bonne netteté sonore. Par conséquent, la réverbération, mesurée avec un enregistreur de niveau, constitue une mesure simple de qualité sonore. Par durée ou temps de réverbération, on entend le temps que met l’énergie acoustique pour atteindre la millième partie de sa valeur de départ, d’où diminution de la pression acoustique de 60 dB environ. C’est en sabine que s’exprime la durée ou temps de réverbération dans une pièce :

1.6 • PRINCIPALES TECHNIQUES DE MESURE

D

Compléments apportés par le Dr Franc Sodec, ingénieur à Aix-la-Chapelle (excepté les paragraphes 1.6.6-1.2 page 289 et 1.6.10-3 page 301)

1.6.1 Généralités1 Un appareil de mesure se compose essentiellement de : 1 – capteur, sonde ou détecteur, par exemple pour un manomètre le ressort tubulaire ; – système de calcul ou de mesure ; – système d’affichage (aiguille, cadran, écran). Avec l’arrivée des nouvelles technologies, notamment la microélectronique, est apparue la notion de capteur. Celui-ci comporte au moins un élément capteur et la technique instrumentale nécessaire pour effectuer une mesure. Le capteur produit un signal électrique de mesure standardisé (par exemple 4… 20 mA). Les systèmes de capteurs relient plusieurs informations à un ou plusieurs signaux de sortie2.

1.6.2 Mesure de la pression -1

Généralités

Il faut toujours faire la distinction entre pressions relatives, pressions différentielles et pressions absolues. Concernant la pression relative, la pression de référence est généralement la pression atmosphérique. La plupart des pressions mesurées techniquement sont les surpressions ou les dépressions par rapport à la pression atmosphérique ; par exemple, la pression de vapeur dans une chaudière ou la pression de l’air dans un conduit d’aération. La valeur absolue de la pression atmosphérique, qui oscille entre 0,95 et 1,05 bar, est considérée comme relative. Pour mesurer les pressions différentielles, on se réfère à l’une des deux pressions à mesurer. Pour la pression absolue, la pression de référence est zéro (baromètre, vacuomètre). Dans le système SI, les unités de pression sont :

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1 Newton/m2 = 1 N/m2 = 1 Pascal (Pa) 1 bar = 105 N/m2 = 1 000 mbar Les tableaux de vapeur d’eau indiquent la pression absolue en bar. Dans la technologie du vide, la pression est également indiquée en % de vide, où 0 % de vide = pression atmosphérique = 1 013 mbar. Tableau 1.6.2-1 – Procédés de mesure de la pression, domaines d’application et échelle de mesure Type d’appareil

Domaines d’application typiques

Échelles de mesure fréquentes

Manomètre à tube en U et manomètre à tube incliné

Différences de pression dans les pièces d’installation (par exemple le filtre, tableau de mesure, ventilateurs)

100-5 000 Pa

Manomètre à ressort

Contrôle des canalisations sous pression, air comprimé, pression de l’eau, pression du gaz

1-100 bar

Manomètre électrique

Différences de pression dans les installations de ventilation, vitesses avec la sonde Prandtl

Jusqu’à 200 Pa Jusqu’à 6 000 Pa

1. DIN EN 12599:2003-07 : Méthodes de mesure et appareils pour les installations de traitement d’air. Schrowang, H. : IKZ 1/81 à 19/83. Kopp. H. : HLH 8/86. voir 401/10. 2. Raab, H. : ATP 11/88. Voir 534/544.

269

DONNÉES DE BASE

1

1.6.2 Mesure de la pression

1.6 • Principales techniques de mesure

-2

Manomètres à tube en U

Consistant en un tube de verre en forme de U (fig. 1.6.2-1), ce sont les appareils les plus simples pour la mesure de la surpression ou de la dépression ; le liquide de mesure est la plupart du temps de l’eau ou de l’alcool. Pour d’autres liquides, consulter le tableau 1.6.2-2. Échelle de mesure de ≈ 0 à 1 000 mm de liquide dans la colonne. Exactitude de la mesure ≈ 1 mm de liquide dans la colonne à 20 °C. Pour les petites pressions, on verse volontairement des deux côtés du tube en U un liquide de faible densité, surnageant sur un autre liquide de densité plus élevée, comme de l’essence sur de l’eau (fig. 1.6.2-2).

Fig. 1.6.2-1 : Manomètre à tube en U.

Fig. 1.6.2-2 : Manomètre à deux liquides.

Fig. 1.6.2-3 : Manomètre à tube incliné.

Pour les pressions très faibles, on utilise les micromanomètres (manomètres à tube incliné), sur lesquels un côté est incliné (fig. 1.6.2-3). Inclinaison 1 : 10. Échelle de mesure ≈ 0 à 100 mm de liquide dans la colonne, précision de la mesure ≈ 0,1 mm de liquide dans la colonne. Inclinaison également ajustable de 1 : 25 à 1 : 2 (manomètre à tube articulé). Modèle particulier pour les pressions les plus basses (minimètres) qui permet de lire jusqu’à environ 10 –4 Pa. Tous les manomètres à tube en U peuvent également être utilisés pour la mesure de la pression différentielle, en reliant les pressions à mesurer aux deux branches de mesure. Ils servent aussi d’instruments de mesure pour la pression absolue, en faisant le vide d’air dans une des branches, comme c’est le cas pour le baromètre à mercure. Tableau 1.6.2-2 – Liquides employés dans les manomètres Liquide 3

Masse volumique en g/cm Liquide Masse volumique en g/m3

-3

Eau

Pétrole

Alcool

Benzol

1

0,79 à 0,82

0,80

0,879

Toluol

Nitrobenzène

Chloroforme

Mercure

0,864

1,20

1,50

13,55

Manomètres à effet de ressort

Les manomètres à ressorts présentent la plupart du temps des ressorts métalliques de types différents comme éléments sensibles à la pression. Les manomètres à membrane ressort (fig. 1.6.2-4a) avec des plaques de ressort circulaires, plates, pressées dans les colonnes orbiculaires pour garder une caractéristique linéaire. Conviennent aux hautes pressions. Les manomètres à ressort tubulaire (fig. 1.6.2-4b), dans lesquels le ressort est fabriqué en forme de tube élastique circulaire avec une coupe transversale plate (appelé autrefois Bourdon). En introduisant l’appareil de mesure dans le tube, celui-ci s’étend, transmettant l’extrémité libre à une aiguille. Conviennent particulièrement aux hautes pressions. Les manomètres à capsule-ressort possèdent deux membranes reliées sur les bords, ce qui augmente nettement la poussée. La pression s’opère dans la cavité. Convient particulièrement aux faibles pressions ou aux dépressions, par exemple le déprimomètre dans les chaufferies. Ces instruments peuvent également être utilisés pour mesurer la pression absolue ; dans ce cas, l’intérieur de la membrane est complètement vidé d’air (baromètre anéroïde, fig. 1.6.2-4c). Les manomètres à soufflet utilisent des soufflets de métal qui peuvent être utilisés en intérieur ou en extérieur. Mise à zéro par le contre-ressort. Les avantages du manomètre à ressort sont notamment la robustesse et le faible coût. Convient particulièrement aux pressions moyennes et élevées. L’inconvénient est que seuls des manomètres liquides

270

1.6.3 Mesure de la température

1.6 • Principales techniques de mesure

permettent l’étalonnage. Dans le cas de pressiomètre à vapeur, placer les joints de dilatation devant le manomètre, afin d’éviter tout contact direct des ressorts avec la vapeur.

a) Membrane ressort

b) Ressort tubulaire

c) Capsule-ressort

DONNÉES DE BASE

1

d) Soufflet

Fig. 1.6.2-4 : Manomètre à ressort.

-4

Manomètres électroniques

Les micromanomètres digitaux sont très pratiques pour effectuer des mesures tant sur les chantiers qu’en laboratoire. La fig. 1.6.2-5 présente le principe de mesure. Des électrodes forment avec une membrane une lame d’air à capacité électrique. Lorsqu’une différence de pression fait bouger la membrane de l’axe de symétrie, les deux capacités diffèrent, déclenchant un signal électrique. Échelle de mesure réglable, par exemple pour des pressions de 0… 200 à 0… 5 000 Pa. Également appareils spécifiques à d’autres échelles de mesure. Comme il faut tenir compte de la position de la plupart des appareils, il est préférable d’utiliser ceux dont la remise à zéro est automatique. Une microcalculatrice incorporée pour fonctions à racine carrée permet l’indication directe de la vitesse de mesure de pression avec tube de Pitot. La fig. 1.6.2-6 montre un appareil portable pour effectuer des mesures sur les chantiers. Le même système est également utilisé pour la transcription digitale de données de mesure en laboratoire ou en système de gestion.

M

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Raccordement de pression

Membrane

Électrode Lame d’air

Fig. 1.6.2-5 : Micromanomètre digital, principe de mesure : condensateur à lame d’air.

Fig. 1.6.2-6 : Micromanomètre digital, appareil portatif à piles (E. Müller).

1.6.3 Mesure de la température1 -1

Généralités

Les différents procédés ou méthodes de mesure reposent sur les propriétés des corps dont les variations de caractéristiques en fonction de la température sont mesurables, notamment : 1 1. dilatation de corps solides, liquides et gazeux ; 2. modification de la résistivité électrique ; 1. VDI/VDE 3511-1:1996-03 VDI/VDE 3511-2:1996-04 VDI/VDE 3511-3:1994-11 et VDI/VDE 3511-5:1994-11 VDI/VDE 3511-4:1995-01 : Mesures techniques de la température. Feuillet 1–5.

271

1.6.3 Mesure de la température

1.6 • Principales techniques de mesure

3. intensité de la force électromotrice ; 4. intensité du rayonnement de chaleur ou du rayonnement lumineux. Les plages d’utilisation de mesure des différents thermomètres sont indiquées dans le tableau 1.6.3-1. Tableau 1.6.3-1 – Plages de mesure de différents thermomètres Étendue de mesure en °C – 100 à + 50 – 35 à + 300 – 35 à + 500 – 35 à + 800 à + 300 à + 600 – 25 à + 500 – 40 à + 130 – 100 à + 150 – 200 à + 750 – 200 à + 600 – 200 à + 800 0 à + 1 000 – 200 à + 1 300 0 à + 1 600 – 100 à l’infini

Appareil de mesure Thermomètre à alcool Thermomètre ordinaire en verre à mercure Thermomètre à mercure en verre rempli de gaz Thermomètre à mercure en cristal de quartz Thermomètre bimétallique Thermomètre droit en métal Thermomètre à ressort NTC Thermomètre à résistance nickel Thermomètre à résistance en platine Thermocouple-constantan en cuivre Thermocouples constantan en fer Thermocouples constantan en nickel chromé Thermocouples nickel en nickel chromé Thermocouples platine en platine rhodium Thermomètre à rayonnement

Les difficultés à effectuer des mesures exactes de température relèvent davantage du positionnement de la sonde que des instruments de mesure eux-mêmes. Ainsi, des apports ou des pertes de chaleur au point de mesure par conduction ou par rayonnement modifient la température effective, ce qui fausse les indications. D’où la nécessité de veiller à bien installer et placer les thermomètres.

-2

Thermomètre à dilatation

a) Les thermomètres en verre à mercure sont utilisables jusqu’à environ 300 °C. Lorsqu’ils sont remplis d’azote, le domaine d’utilisation s’étend jusqu’à 500 °C, et jusqu’à 800 °C en utilisant du cristal de quartz à la place du verre. La limite inférieure de mesure se trouve à environ – 35 °C car le point de solidification du mercure est de – 39 °C. Pour mesurer des températures plus basses, il faut utiliser d’autres liquides, notamment l’alcool, le toluène et le pentane. Comme il est rare que l’ensemble de la colonne de liquide du thermomètre puisse indiquer la température à mesurer, parce qu’une partie de la colonne est extérieure au réservoir, la dite « correction de la colonne » est nécessaire pour effectuer des mesures précises ; cette correction se formule comme suit pour le mercure argenté : n(t − t ) Δt = a f en °C 6 300 n = nombre des degrés du thermomètre qui émergent ta = température indiquée tf = température moyenne de la colonne, mesurée à mi-hauteur de la colonne émergente. La correction de la colonne émergente est ajoutée à la température indiquée, à moins que le thermomètre ne porte une mention explicite. Pour les mesures sur site, l’installation des thermomètres se fait dans des doigts dits « doigts de gant », ce qui nuit à la précision des mesures. b) Les thermomètres à dilatation et ressort (fig. 1.6.3-1) fonctionnent également avec du liquide. Le liquide dilatable, par exemple le mercure ou le pétrole, se trouve dans un tube plongeur (sonde) et est relié au tube à ressort de l’indicateur (thermomètre à cadran) par un conduit capillaire. Lorsqu’on chauffe le liquide, sa dilatation à l’intérieur du tube plongeur provoque une augmentation de la pression qui est fonction de la température. Fiabilité : environ ± 1 à 3 % de l’échelle d’indication. Très aléatoire en cas de mesure de l’air. c) Les thermomètres à tension de vapeur (également appelés thermomètres à tension ou thermomètres à pression d’ébullition, fig. 1.6.3-2) ressemblent extérieurement aux thermomètre à dilatation et ressort. Le tube plongeur est rempli d’un liquide qui s’évapore et relié par un conduit au ressort du manomètre de l’instrument indicateur. L’effet repose sur la propriété même des vapeurs, dont la pression est étroitement liée à la température. Les liquides de remplissage sont habituellement l’éther, le chlorure d’éthyle, le mercure. Fiabilité : environ ± 1 à 2 % de la plage de mesure. Sensibles aux surtempératures.

272

1.6.3 Mesure de la température

d) Les thermomètres à dilatation de solide sont utilisés pour mesurer la différence de dilatation de deux corps solides avec des capacités de dilatation différentes. Dans les thermomètres droits ou à tige, une tige ayant un faible coefficient de dilatation (par exemple l’invar ou la porcelaine) est entourée d’un tube ayant une capacité de dilatation élevée (par exemple le laiton). Utilisation notamment comme régulateur de température. Grande capacité d’adaptation, variation de longueur  0,01 mm/K. Dans les thermomètres bimétalliques (fig. 1.6.3-3), deux bandes de métal ayant des coefficients de dilatation différents sont soudées l’une à l’autre (bilame). En cas de variation de température, la bande se courbe plus ou moins fort, lequel mouvement est transmis à une aiguille. Utilisation également pour la régulation de la température ambiante et pour les enregistreurs (thermographe ou thermomètre enregistreur), voir fig. 1.6.3-4, qui contient également un hygrographe ou hygromètre enregistreur. Tambour d’écriture actionné par dispositif élastique et horloge à quartz, temps d’enregistrement réglable entre 1 et 31 jours.

Ressort tubulaire Pince de traction Braquet Conduit capillaire Tube plongeur (sonde)

Fig. 1.6.3-1 : Thermomètre à ressort à mercure.

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-3

Fig. 1.6.3-2 : Thermomètre à tension de vapeur.

Thermomètre à résistance électrique

Dans le cas de ces appareils, c’est la propriété même des fils de métal pur, à savoir que leur résistance électrique augmente proportionnellement à la température, qui est utilisée pour toute mesure à distance. On utilise le nickel pour les basses températures, et le platine pour des températures élevées allant jusqu’à 500 °C. Ce type de thermomètre fonctionne la plupart du temps en courant continu avec des tensions allant de 6 à 24 volts. Le thermomètre est alors placé dans une branche d’un pont de Wheatstone ou l’intensité du courant du pont est alors mesurée (fig. 1.6.3-5). Le circuit peut également être monté avec la technologie 4 conducteurs, d’après la fig. 1.6.3-6, où la mesure de la tension s’effectue fréquemment à l’aide de transducteurs analogues/digitaux. La longueur du conduit n’a donc pratiquement aucune influence sur la précision de la mesure. La résistance de mesure normalisée Pt 100 1 désigne une résistance de 100 Ω à 0 °C. Le platine subit une modification de résistance de ≈ 0,4 %/K. Il existe pourtant des résistances qui conduisent mieux lorsque la température augmente. Elles ont un « coefficient de température négatif » et sont donc appelées résistances NTC, thermistances ou thermistors. Fabrication à partir d’oxydes métalliques en forme de perles, disques ou bâtons. La modification de résistance est environ 10 fois plus importante que pour les résistances métalliques, c’est-à-dire environ 5 %/K. Elle peut par exemple varier de 1 000 Ω pour une modification de température de 1 K, ce qui permet d’effectuer des mesures exactes (fig. 1.6.3-7). Toutefois, le manque de linéarité de la résistance avec la température constitue un inconvénient. Utilisation notamment comme thermomètre seconde pour un affichage en l’espace de quelques secondes (fig. 1.6.3-8). Différentes sondes pour l’eau, l’air, entre autres. Dans l’ensemble, ces appareils font peu d’erreurs du fait que le courant de mesure est continu. 1. DIN EN 60751:1996-07 : Thermomètres industriels à résistance en platine et résistances de mesure en platine.

273

1 DONNÉES DE BASE

1.6 • Principales techniques de mesure

1.6 • Principales techniques de mesure

1.6.3 Mesure de la température

Aiguille

Bimétal

Fig. 1.6.3-3 : Thermomètre bimétallique à aiguille.

-4

Fig. 1.6.3-4 : Thermographe à bimétal et hygrographe avec harpe à cheveux (Thies).

Thermocouples1

Lorsque le point de contact entre deux fils métalliques de différents métaux (par exemple le cuivre et le constantan) est chauffé et qu’en même temps les autres extrémités sont maintenues froides, une tension électrique se forme (tension thermique) ; cette tension augmente presque linéairement avec la différence de température entre le point de contact chaud et le point de contact froid (jonction). Elle peut être observée grâce à un millivoltmètre. C’est le principe de mesure de température au moyen d’un thermocouple.1 Les thermocouples les plus courants et leurs échelles de mesure sont présentés dans la fig. 1.6.3-9. Ils sont très précis et rapides, notamment pour les mesures ponctuelles. Pour des mesures exactes, des points de comparaison sont nécessaires : ce sont les thermostats, dans lesquels la température est maintenue constante grâce à des éléments électriques de chauffage. Une autre possibilité est aussi la compensation de température avec une résistance dépendant de la température dans un circuit de pont. Montage fig. 1.6.3-10. Le tableau 1.6.3-2 présente l’échelle habituelle de mesure des sondes de résistance et des thermocouples. Plus l’échelle de mesure est grande, plus l’application est universelle. Mais dans le cas de petite mesure, la précision est plus grande.

-5

Thermomètres à rayonnement (thermomètres à infrarouge, pyromètres)2

Les thermomètres à rayonnement mesurent le rayonnement proportionnel à T (température absolue en K) provenant d’une surface. On distingue le thermomètre à rayonnement total (enregistrement du rayonnement à une échelle de longueur d’ondes d’environ λ = 0,2 à 40 μm), le thermomètre à rayonnement par bande (par exemple λ = 8,0… 14,0 μm) et le thermomètre à rayonnement spectral (par exemple λ = 0,65 μm). Lorsqu’on connaît le degré d’émission ε de la surface, la température de celle-ci peut être mesurée sans contact. Les thermomètres à rayonnement permettent des mesures rapides (constantes de temps  1 s) et faciles des températures des surfaces. 2 Échelles de température à partir de – 100 °C jusqu’à presque l’infini ( 5 000 °C). Capteurs avec échelle de mesure d’environ 0 °C à 50 °C et résolution de 0,1 K pour la mesure de la répartition de température des surfaces pour les plafonds réfrigérants. Description détaillée dans VDI/VDE 3511-4, thermométrie à rayonnement. La fig. 1.6.3-11 présente les différents types d’appareils de mesure manuels. Longueurs quelconques de câbles Débit constant (par exemple 1 mA)

Vers le convertisseur A/D

Thermomètre à résistance

Fig. 1.6.3-5 : Thermomètre à résistance avec pont de Wheatstone.

Débit constant

Fig. 1.6.3-6 : Thermomètre à résistance à quatre conducteurs avec convertisseur A/D.

1. Herzog, H. : Pratique de régulation technique 3/82. Voir 83/09. 2. VDI/VDE 3511-4.1:2001-06 et VDI/VDE 3511-4.2:2002-01 Mesures technique de la température, thermométrie à rayonnement.

274

1.6.3 Mesure de la température

1.6 • Principales techniques de mesure

Résistance

Thermistance

Fig. 1.6.3-7 : Repères de résistances de mesure.

Platine

1 DONNÉES DE BASE

Température

Tension thermique en mV

Fig. 1.6.3-8 : Thermomètre seconde avec différentes sondes de température (sondes de température de l’air filetées, insertibles, de surface).

Constantan-nickel chromé Fer-constantan Nickel-nickel chromé Cuivre-constantan

Platine-platine rhodium

Fig. 1.6.3-9 : Forces électromotrices de différents couples thermoélectriques.

Température en °C

Thermocouple

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

Élément de comparaison Thermostat

Pont

Résistance d’équilibrage ou réglable

Secteur

-6

Fig. 1.6.3-10 : Montage de thermocouple. À gauche : le thermostat pilote la température de l’élément de comparaison ; à droite : montage de pont.

Thermographie à infrarouge1

1

La thermographie à infrarouge permet d’effectuer des mesures sans contact et de présenter la répartition de chaleur sur les objets. Le rayonnement de chaleur émis par une surface est enregistré par une caméra à infrarouges (IR) et transformé par un détecteur IR en signaux électriques qui apparaissent en couleur sur un écran (fig. 1.6.3-12). Les différentes couleurs correspondent à des températures données. Selon le type d’appareil, les systèmes IR fonctionnent avec différentes longueurs d’ondes : bandes à ondes courtes SW (Short Wave) de 2 à 5 μm et bandes à ondes longues LW (Long Wave) de 8 à 12 μm. Vu que les détecteurs IR ne fonctionnent de façon optimale qu’à basses températures, ils doivent être refroidis. Les longueurs d’ondes avec lesquelles le système IR fonctionne dépendent essentiellement du refroidissement du détecteur. Les températures de fonctionnement pour les détecteurs SW sont de – 70 °C à – 100 °C et pour les détecteurs LW de – 170 °C à – 200 °C. On distingue trois procédés de refroidissement : le refroidissement direct par contact avec de l’azote liquide (SW/LW), le refroidissement thermoélectrique avec éléments Peltier (SW) et le refroidissement Stirling (SW/LW). Échelle de mesure de – 10 °C à 2 000 °C (SW), – 30 °C à 2 000 °C (LW), précision ± 1 K, notamment ± 1 % dans l’échelle choisie. Avec un traitement d’images IR correspondant, en plus du calcul de la température et du degré d’émission entre autres, 1. Lieneweg, F. : Manuel de la technique du rayonnement thermique.

275

1.6.3 Mesure de la température

1.6 • Principales techniques de mesure

des moyennes temporelles et locales peuvent être établies. Application : vérification sécurisée du matériel, contrôle du processus/vérification de la qualité (fabrication en acier, séchage du papier), entretien (isolation des bâtiments contre la chaleur, problèmes de maçonnerie des hauts fourneaux, problèmes d’isolateurs sur les conduits à haute tension, répartition de la température sur les plafonds réfrigérants), etc. Tableau 1.6.3-2 – Tolérance des sondes de température*) Receveur de valeur de mesure ou type de sonde Thermocouple de type K (NiCr-Ni)

Thermocouple de type J (Fe-Const)

Thermocouple de type S (PtRh10-Pt) type R (PtRh13-Pt) Pt 100

Classe

Plage de température en °C

Tolérance admissible en K (température t en °C)

1

− 40 … 375 375 … 1 000

± 1,5 ± 0,004 · t

2

− 40 … 333 333 … 1 200

± 2,5 ± 0,0075 · .t

1

− 40 … 375 375 … 750

± 1,5 ± 0,004 · t

2

− 40 … 333 333 … 750

± 2,5 ± 0,0075 · t

1

0 … 1 100 1 100 … 1 600

± 1,0 ± [1 + 0,003 · (t – 1 100)]

2

0 … 600 600 … 1 600

A

− 200 … 650

± (0,15 + 0,002 · t)

B

− 200 … 850

± (0,3 + 0,005 · t)

± 1,5 ± 0,0025 · t

− 40 … − 25 − 25 … 80 80 … 30

NTC

± 0,4 ± 0,2 ± 0,8

*) Thermocouples d’après DIN EN 60584:1994-10, Pt 100 d’après DIN EN 60751:1996-07.

Fig. 1.6.3-11 : Thermomètre à rayonnement, appareils de mesure manuels (Ahlborn).

– Amplification – filtrage – Calibrage : Scanner émetteur électronique de référence Transmission Filtre

Évaluation Présentation Stockage

– Software Objet de mesure : température T

-7

Rayonnement de chaleur : flux de rayonnement Φ

Récepteur Détecteur électronique Optique IR : Traitement – Ordinateur – balayage électronique – mise au point du signal : – Imprimante – conversion – A/D/transmission

Fig. 1.6.3-12 : Composants d’un système de thermographie IR (Agema).

Thermomètre sphérique

Le thermomètre sphérique (également appelé thermomètre globe) consiste en une boule creuse noire et opaque d’un diamètre d’environ 150 mm, à l’intérieur de laquelle la température est mesurée, avec par exemple des thermocouples ou des sondes PT 100. Suivant la vitesse de l’air, cette température se situe entre la température de l’air et la température moyenne des surfaces environnantes. Si la vitesse de l’air ambiant est faible (0,1 à 0,2 m/s), la température mesurée du globe représente la moyenne entre la température de l’air et celle moyenne des surfaces, ce qui correspond à la température ambiante ressentie

276

1.6.4 Mesure de la vitesse d’air

1.6 • Principales techniques de mesure

(résultante sèche ou opérative) (d’après DIN 1946-2:1994-01) ; comparaison au paragraphe 1.2.3 page 54. Également utilisé pour mesurer la température ambiante de référence pour les mesures d’efficacité effectuées sur les plafonds réfrigérants (d’après DIN 4715:1994-07).

1.6.4 Mesure de la vitesse d’air Appareils dynamiques

Ces appareils mesurent la pression dynamique dans un flux d’air. La pression dynamique est la pression qui, résultant de la transformation de l’énergie cinétique en pression, donne l’équation suivante : Pression dynamique pd = 1/2ρw2 en N/m2 w = vitesse en m/s ρ = masse volumique en kg/m3 De cette équation résulte la vitesse

w = (2 pd / ρ) en m/s L’appareil dynamique le plus simple est le tube de Pitot, qui est un tube ouvert en crochet. Le plus utilisé est le tube dynamique de Prandtl (fig. 1.6.4-1), qui mesure également la pression statique à l’intérieur du courant. Le tube dynamique possède donc deux ouvertures pour mesurer. Celle qui se situe sur l’extrémité avant du tube dynamique est dirigée contre le courant et sert à mesurer la pression globale pg = ps + pd.

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Fig. 1.6.4-1 : Évaluation de la vitesse d’air par mesure de la pression avec le tube dynamique de Prandtl.

L’autre extrémité, en forme de fente, est dirigée perpendiculairement au courant et ne mesure que la pression statique ps. La pression dynamique est la différence des deux pressions : p d = pg – p s On obtient sa valeur en reliant, d’après la fig. 1.6.4-1, les deux extrémités du tube dynamique avec les deux côtés d’un manomètre. Pour l’air de la pression atmosphérique, l’approche s’effectue avec pd en N/m2 :

W = 2 pd / Q = 2 pd / 1, 20 ≈ 1, 3 pd en m/s Pour de plus grandes sections de tuyauteries, afin de déterminer le débit volume, il faut mesurer la vitesse à plusieurs endroits et établir la valeur moyenne ou utiliser directement des sondes dynamiques établissant la valeur moyenne (voir paragraphe 1.6.5-9 page 283). On utilise également comme appareils dynamiques des sondes mécaniques de courant à affichage direct, qui ont la particularité d’indiquer la pression dynamique directement sous forme de vitesse (fig. 1.6.4-2). Les manomètres digitaux (fig. 1.6.2-6) avec calculateur affichent les données directement en m/s.

Fig. 1.6.4-2 : Sonde de courant (Lambrecht).

277

1 DONNÉES DE BASE

-1

1.6 • Principales techniques de mesure

-2

1.6.4 Mesure de la vitesse d’air

Anémomètres thermiques ou électriques, anémomètres à thermistance

Pour déterminer la vitesse de l’air, les anémomètres thermiques utilisent comme capteur une résistance chauffée électriquement, ou thermistor. Ce capteur est connecté dans un pont de Wheatstone. Suivant la vitesse de l’air, le capteur se refroidit plus ou moins, ce qui modifie sa résistance électrique. Pour les anémomètres, d’après le principe d’intensité constante, le capteur est chauffé avec un courant électrique continu et stabilisé et c’est la résistance qui est mesurée. D’après le principe de température constante, la température du capteur est maintenue constante, et c’est l’intensité du courant fourni au pont de Wheatstone qui permet de mesurer la vitesse de l’air. La température des capteurs est habituellement de 10 à 70 K au-dessus de la température ambiante. Les anémomètres thermiques sont la plupart du temps munis d’une compensation de température qui équilibre l’influence des variations de température ambiante du milieu mesuré. Le capteur peut être en forme de cylindre, de disque ou de sphère. Sa forme influe sur la direction du courant. Une masse minime de la sonde est requise pour les affichages rapides. Ces appareils sont utilisés notamment pour mesurer la vitesse de l’air ambiant (paragraphe 1.6.4-5 page 279). Les anémomètres à thermistance appartiennent également à la catégorie des anémomètres thermiques et sont employés avant tout en mécanique des fluides. Le capteur se compose d’un mince fil de fer très souple, chauffé. Pour les anémomètres à thermistance avec 2 ou 3 fils de fer croisés, une répartition de la vitesse bi ou tridimensionnelle peut être mesurée.

-3

Anémomètres à moulinet

En font également partie les anémomètres à coupelles, utilisés notamment en météorologie. Les mesures de ces derniers sont dans une certaine mesure indépendantes de la direction du mouvement d’air. L’affichage mécanique des années passées est devenu aujourd’hui essentiellement digital. Comme le montre la fig. 1.6.4-4, l’anémomètre à coupelle comporte une génératrice de courant encastrée qui, reliée à un millivoltmètre, permet de lire directement la vitesse. Alimentation en courant par pile. Dans certaines fabrications également destinées à mesurer l’orientation du vent, le courant est fourni par des cellules solaires pour stations météo. D’après la fig. 1.6.4-4, l’anémomètre à moulinet fonctionne avec un inducteur qui produit une fréquence se transformant en signal électrique de sortie normal.

Fig. 1.6.4-3 : Pointes des capteurs de différents anémomètres thermiques (Alnor, DANTEC, TSI).

Fig. 1.6.4-4 : Anémomètres à moulinet et à coupelles avec sortie électrique et écran digital. Échelle de mesure du moulinet de 0,4 à 20 ou de 0,7 à 50 m/s, coupelles de 1,1 à 30 m/s (Lambrecht).

Comme le montre la fig. 1.6.4-5, pour les anémomètres électriques, la vitesse de rotation du moulinet dans la tête de mesure est contrôlée électroniquement. Les signaux lumineux sont comptés et affichés électroniquement. Le moulinet à tête chercheuse est échangeable pour un diamètre de moulinet de 15 à 80 mm. Il est aussi livrable pour des mesures dans l’eau (0,02 à 10 m/s). Outre la valeur instantanée, il est également réglable pour obtenir une valeur moyenne de la vitesse sur 22 s. En outre affichage de la température. Le démarrage mécanique est compensé électroniquement. Alimentation en courant par pile. Également disponible avec affichage digital ou interface RS 232 ou V 24 pour microprocesseur de traitement de données. Échelle de mesure d’anémomètres électriques de 0,2 à 100 m/s.

278

1.6.4 Mesure de la vitesse d’air

1.6 • Principales techniques de mesure

DONNÉES DE BASE

1

Fig. 1.6.4-5 : Anémomètre à moulinet photoélectrique à affichage direct (Schiltknecht, Gossau, Schweiz).

-4

Appareils à laser Doppler

Principe de fonctionnement : un rayon laser se divise en deux rayons qui se croisent. Le point de croisement est le point de mesure. Les particules portées par le courant réfléchissent la lumière diffusée qui, en raison du mouvement des particules sur le récepteur de lumière, produit un effet Doppler comme mesure de la vitesse ponctuelle de la particule, ce qui est intéressant pour mesurer les profils de courant. On obtient une vitesse de courant moyenne à partir d’un grand nombre de mesures. Une vitre placée au-dessus de l’ensemble de la section du tube est requise pour toutes les mesures à effectuer. Utilisation de préférence en laboratoire, par exemple comme étalon, car l’appareillage et l’évaluation sont très coûteux, mais utilisé aussi pour mesurer les vitesses de l’air ambiant.

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

-5

Mesure de la vitesse de l’air ambiant1

Le mouvement de l’air dans les pièces se caractérise par son orientation et son amplitude grâce aux oscillations locales et temporelles imprévisibles de la vitesse de l’air, qui ne sont pas dues seulement à des dépressions, mais aussi à des courants de convection sur les personnes et les appareils, les radiateurs, les lampes, les murs, les fenêtres, etc. Il en résulte un tracé très complexe que l’on ne peut représenter qu’à l’aide de méthodes statistiques (fig. 1.6.4-6). 1 Suite à des recherches, il a été établi que, dans la plupart des cas, la répartition des variations de la vitesse de l’air oscille autour d’une valeur moyenne caractérisée par les écarts qu’elle présente dans une distribution normale (loi de Gauss). C’est l’échantillonnage qui permet d’évaluer les mesures. Pour une durée de 100 s minimum sont effectuées plus de n = 100 mesures de la vitesse instantanée. 1 La valeur moyenne arithmétique de la vitesse est v = ∑ vi n L’écart type, la dispersion (ou déviation standard) est s =

∑(v − v )

2

i

n −1 La valeur moyenne et la diffusion déterminent la vitesse de l’air ambiant. La valeur moyenne v est également souvent désignée par v50, et on appelle alors v50 + s = v84, car cette vitesse est inférieure à 84 % du temps. On en déduit le degré de turbulence (fig. 1.6.4-6). Pour les appareils de mesure, surtout les anémomètres thermiques, il faut formuler des exigences particulières, notamment en ce qui concerne les caractéristiques dynamiques, la compensation de température, la souplesse. D’après DIN 1946-2, la sonde de vitesse doit avoir une constante de temps (t 63) inférieure à 0,2 s. Temps de mesure  100 s. Échelle de mesure de 0,1 à 1 m/s. Compensation complète de température à ± 4 K. Du fait des propriétés différentes des sondes de mesure utilisées, les résultats des mesures peuvent, dans certaines limites, présenter des différences. Les fig. 1.6.4-7 et 1.6.4-8 montrent des appareils de mesure microélectroniques modernes à fil de chauffe à température constante et compensation de température. 1. DIN EN 12599:2003-07 et DIN 1946-2:1994-01. Laabs, K.-O. : Rapport VDI 353 (1980). Voir 5/13. Gräff, B. : Rapport DKV 1979. Voir 445/59.

279

1.6.5 Mesure du volume et du débit

1.6 • Principales techniques de mesure

Vitesse de l’air

Temps inférieur en %

Temps de mesure 100 s

Temps supérieur en %

Tracé de la vitesse de l’air ambiant Exemple : valeur moyenne υ50 = 0,16 m/s Diffusion s = 0,06 m/s

Tracé de la vitesse dans le réseau de probabilité ; s = diffusion

υ50 = vitesse de l’air ambiant inférieure à 50 % du temps υ84 = vitesse de l’air ambiant inférieure à 84 % du temps Déviation standard s = υ84 − υ50 Degré de turbulence Tu =

υ84 − υ50 υ50

⋅100 =

s υ50

⋅ 100

Fig. 1.6.4-6 : Évolution temporelle de la vitesse de l’air ambiant. Définition de la valeur moyenne, de la dispersion et du degré de turbulence.

Fig. 1.6.4-7 : Appareil de mesure portable pour la vitesse de l’air ambiant (TSI) avec sa sonde d’écoulement.

Fig. 1.6.4-8 : Appareil de mesure utilisé en laboratoire pour la vitesse de l’air ambiant. Avec ordinateur et interface pour autres traitements de données.

1.6.5 Mesure du volume et du débit -1

Pondération

C’est la méthode la plus simple pour mesurer les quantités. Deux récipients sont remplis et vidés à tour de rôle, et le temps nécessaire pour le faire est déterminé.

-2

Compteurs à gaz

Ils fonctionnent d’après le principe volumétrique. Il existe des compteurs secs et des compteurs humides (fig. 1.6.5-1). Les compteurs à gaz humides sont remplis d’eau jusqu’à plus de la moitié de la chambre de mesure et contiennent à l’intérieur un tambour rotatif muni de quatre compartiments (tambour de Crosley). En raison de la faible surpression de gaz, il tourne lentement sur son axe, tandis que les compartiments se vident et se remplissent successivement. Étant donné que les compteurs humides nécessitent un entretien régulier du fait du maintien du niveau d’eau, ils commencent peu à peu à être remplacés pour le comptage dans les habitations par les compteurs secs. On les utilise encore uniquement pour les essais, car ils sont très précis.

280

1.6.5 Mesure du volume et du débit

1.6 • Principales techniques de mesure

-3

Piston

Soufflet de cuir

1

Tambour

Compteur humide à gaz

Compteur sec à gaz

Fig. 1.6.5-1 : Compteurs à gaz.

Compteurs à déplacement

On les reconnaît à leur chambre de mesure mobile, qui est actionnée au moyen du fluide et reliée à un compteur. Les compteurs à piston alternatif utilisent un piston étanche opérant un mouvement de va-et-vient dans un cylindre, lequel élimine l’humidité. Modèle rare. Les compteurs à piston rotatif, qui sont notamment appropriés pour les mesures de gaz, comportent 2 pistons rotatifs reliés l’un à l’autre par des roues dentées et auxquels le flux du gaz fait opérer un mouvement de rotation (fig. 1.6.5-2). Sensibles à la poussière. Les compteurs à roue ovale. Il s’agit ici de 2 corps mobiles ovales reliés l’un à l’autre par des roues dentées (fig. 1.6.5-3). Les compteurs à piston en anneau contiennent dans la chambre de mesure un piston fixé de façon excentrique qui tourne grâce à la pression du fluide (fig. 1.6.5-4). Les compteurs volumétriques, auxquels appartiennent également les compteurs à gaz, conviennent aux mesures des produits de condensation d’eau chaude et froide, des carburants de tous types, mais aussi des gaz. Haute précision, calibrage ou étalonnage possible. Utilisés également pour les débits très faibles, par exemple le fioul pour les cuves et les fours à huile, et pour les gros débits de gaz allant jusqu’à 60 000 m 3/h.

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

-4

Compteurs à moulinet

Ils sont essentiellement utilisés pour mesurer les quantités liquides (fig. 1.6.5-5). L’organe de mesure est un moulinet tangentiel, placé verticalement et actionné par le flux. Les rotations de l’axe sont transmises à un compteur par un système de roues. On distingue les compteurs de type humide, dont les engrenages et les cadrans se trouvent dans le liquide, et les compteurs de type sec, aujourd’hui le plus souvent utilisés, et dont seule la roue rapide en métal dur de saphir se trouve dans l’eau alors que l’autre partie (l’engrenage) est dans une partie extérieure sèche. Transmission du mouvement de rotation par transmission magnétique. Pour les compteurs à eau chaude, matériaux à température constante. Lors du montage, respecter les courbes de perte de pression. Utilisation comme compteur à eau et capteur pour les compteurs à eau dans appartements et maisons. Aucun branchement nécessaire. Erreurs de mesure de ± 3 à 5 %, plus élevé pour les milieux visqueux (par exemple les mélanges d’eau et de glycol). Un type particulier de compteurs à moulinet sont les compteurs Woltman (compteurs à turbine), chez lesquels la roue de mesure axiale possède plusieurs ailes à pic hélicoïdales avec un axe horizontal. Utilisé surtout comme principal compteur d’eau (fig. 1.6.5-6). De tels compteurs à moulinets sont fabriqués aujourd’hui avec élément de mesure sans contact. Une bobine d’exploration située à l’extérieur déclenche une impulsion à chaque passage rotatif d’une aile. Le nombre de pulsations indique le débit volume. Télétransmission possible. Piston en anneau Piston rotatif Bouchon

Roue dentée

Fig. 1.6.5-2 : Principe du compteur à piston rotatif.

piston ovale

Fig. 1.6.5-3 : Principe du compteur à roue ovale.

Entrée

Sortie

Fig. 1.6.5-4 : Principe du compteur à piston en anneau ou rotatif.

281

DONNÉES DE BASE

Les compteurs à gaz secs contiennent, dans un carter en tôle métallique à quatre côtés, deux soufflets de cuir servant de chambres de mesure qui, tour à tour, se remplissent et se vident. Le mouvement de vaet-vient, semblable à un accordéon, est transmis à un compteur. Utilisation surtout comme compteur à gaz domestique. La perte de charge pour les faibles débits est de 10 à 20 Pa, et à plein débit de 80 à 100 Pa. Débit maximal jusqu’à 500 m3/h. Précision de mesure : environ 1 % de la dernière valeur de l’échelle.

1.6.5 Mesure du volume et du débit

1.6 • Principales techniques de mesure

Compteur/indicateur

Compteur/indicateur

Fig. 1.6.5-5 : Compteurs à moulinet.

-5

Fig. 1.6.5-6 : Compteur à turbine (compteur Woltman).

Rotamètres

Ces instruments contiennent, dans un tube de forme particulière et s’élargissant vers le haut, un corps flottant que le flux de gaz ou de liquide finit par mettre en apesanteur. En donnant la forme appropriée au corps flottant et au tube, il est possible d’obtenir une poussée proportionnelle au flux du fluide. Ces appareils peuvent être utilisés aussi bien pour les fluides que pour les gaz et vapeurs, mais doivent être calibrés pour chaque matériau. À cet effet, le fabricant dispose de courbes de calibrage qui, en tant qu’instruments d’affichage, sont fournies avec une sonde de longueur inductive. Les plus connues sont les rotamètres (fig. 1.6.5-7). À côté d’un affichage local, un affichage à distance et un enregistrement sont également possibles. Échelle de mesure de quelques ml/h jusqu’à environ 600 m3/h pour l’air et 40 m3/h pour l’eau.

-6

Organes déprimogènes

La mesure du débit volumique au moyen de ces appareils repose sur la mesure de la différence de pression qui existe en aval et en amont de l’organe dans un tube sous l’effet d’un écoulement (voir paragraphe 1.4.3 page 237 et fig. 1.6.5-8). Ce procédé de mesure (dit procédé de pression efficace) peut être utilisé pour tous les fluides, gaz et vapeurs, quelles que soit les températures et pressions, et fournit des résultats très précis. Pour mesurer avec des diaphragmes et des tuyères comme organes de calibrage, la VDI a fixé des règles expliquant tout ce qui est important pour effectuer l’opération 1. Le débit volumique est donné en m 3/s par la formule : i π V = α ε d 2 2 Δ p/ρ 4 α = coefficient de contraction ε = coefficient de dilatation (DIN EN ISO 5167-1) Fig. 1.6.5-7 : Rotamètre (Rota). d = diamètre du point de calibrage en m Δp = différence de pression efficace en Pa ρ = masse volumique en kg/m3 Les dispositifs de mesure complets sont : – l’organe déprimogène (diaphragme, tuyère, tube Venturi) ; Perte – le pressiomètre de différence, ou manomètre de charge différentiel (pour mesurer des différences de Pression efficace pression) ; – la tuyauterie de transfert de pression de Fig. 1.6.5-8 : Tracé des pressions l’organe de mesure au manomètre. pour un diaphragme. Sont utilisés comme organes déprimogènes (voir paragraphe 1.4.3 page 237) : – les diaphragmes qui sont des disques à bords tranchants du côté entrée ; – les tuyères qui ont des bords d’entrée arrondis ; – les tubes Venturi qui sont composés d’un rétrécissement conique avec élargissement conique. 1. Règles VDI de mesure du débit. DIN EN ISO 5167-1:1998-06.

282

1.6.5 Mesure du volume et du débit

Tous les manomètres peuvent être utilisés comme pressiomètres de différence ou manomètres différentiels. Le choix des organes déprimogènes appropriés s’opère suivant des critères techniques et économiques. Le diaphragme est le moins cher, mais entraîne la perte de pression la plus importante. La tuyère entraîne une perte de charge faible, le tube Venturi encore plus faible, mais celui-ci n’est pas autant utilisé que les diaphragmes et les tuyères du fait de son coût élevé et de son temps de montage important. Pour les téléaffichages et les régulations, on utilise des convertisseurs de valeurs de mesures (transmetteurs) dont le signal d’entrée est la pression efficace de l’organe déprimogène, alors qu’un courant électrique s’adapte à la sortie. Noter que tous les organes déprimogènes nécessitent une certaine longueur de conduits rectilignes à l’avant et à l’arrière du point d’installation, et qui est indiquée dans DIN EN ISO 5167-1 pour différents diamètres.

-7

Procédé à ultrasons1

Ce procédé calcule la différence de durée d’action et de phase des ondes sonores dans le sens du courant et dans le sens contraire. Cette durée d’action s’avérant plus longue contre le courant que dans le sens du courant, une différence de temps apparaît, qui permet de déterminer la vitesse moyenne et donc le débit volume. Ceci s’applique à tous les fluides ; par exemple, comme une partie de mesure du volume d’un compteur de chaleur. Valeurs de démarrage basses pour les débits nominaux de 0,75 à 3 m 3/h. Haute précision de mesure. Également disponible comme répartiteur, mais risques d’erreurs. Tracé d’entrée et de sortie nécessaire pour mesurer avec exactitude. À partir de DN 80, les mesures s’effectuent aussi avec la technique à deux pistes, d’où redondance (fig. 1.6.5-9, Danfoss). Autres avantages : principe digital de débit sans erreur de zéro, aucune baisse de pression, deux directions du courant, calibrage à froid jusqu’à DN 700. 1 Laminaire

Turbulent Pôle magnétique Ligne de champ Électrode Tube Bobinage Tensiomètre

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Niveau du tube 1 – 2

Principe de durée d’action – procédé de différence

Fig. 1.6.5-9 : Mesure du débit avec ultrason. Classification des bandes sonores avec la même vitesse de courant pour les profils de courant laminaires et turbulents à rotation symétrique.

-8

Fig. 1.6.5-10 : Schéma de principe de mesure par débitmètre électromagnétique.

Procédé à induction

Le fluide dans un tube non magnétisable traverse un champ magnétique perpendiculaire au sens de l’écoulement et produit une tension proportionnelle au débit. Le fluide doit présenter une conductivité minimale (environ 200 μS/cm), ce qui vaut pour la plupart des fluides, mais rarement pour l’eau de chauffage (fig. 1.6.5-10). Aucune perte de charge, haute précision de mesure, vitesse minimum dans le conduit de 2 m/s. Tracé d’entrée et de sortie requis pour mesurer avec exactitude.

-9

Mesure du débit volumique dans les conduits2

-9.1 Mesure par points Cette méthode permet de calculer les vitesses à plusieurs endroits répartis dans une section et de trouver la valeur moyenne (DIN EN 12599:2003-07).2 1. Claus, D. : TAB 3/88. Voir 197/9. 2. Wieland, H. : HLH 4/84. Voir 161/5 u. 6/84. Voir 266/70.

283

1 DONNÉES DE BASE

1.6 • Principales techniques de mesure

1.6.5 Mesure du volume et du débit

1.6 • Principales techniques de mesure

La coupe transversale circulaire (fig. 1.6.5-11) permet de diviser la surface circulaire en plusieurs anneaux de même taille et de mesurer la vitesse dans ce qu’on appelle les médianes (procédé des médianes). La vitesse moyenne est la vitesse moyenne arithmétique. Le tableau 1.6.5-1 présente par exemple pour 5 surfaces partielles les intervalles des parois du conduit aux points de mesure. Une autre méthode est le procédé log-linéaire, utilisé pour une plus grande proportion de couche limitrophe sur la coupe transversale. Pour mesurer dans la coupe transversale circulaire sur au moins deux diamètres perpendiculaires l’un à l’autre, il faut procéder à 3 voire 5 mesures sur un rayon par segment circulaire. Tableau 1.6.5-1 – Intervalle des points de mesure à la paroi avec la méthode des médianes x/D pour 5 points de mesure

x1/D 0,026

x2/D 0,082

x3/D 0,146

x4/D 0,226

x5/D 0,342

Pour les coupes transversales rectangulaires, on divise la section en un nombre délimité de rectangles de surfaces égales et on mesure la vitesse en des points définis. La « méthode de mesure sur banc d’essai » est adéquate car elle permet de calculer la vitesse en 36 points (fig. 1.6.5-12) et de déterminer la vitesse arithmétique moyenne. Cette valeur est multipliée par la section de la canalisation pour obtenir le débit volume. Points de mesure

Médianes

Fig. 1.6.5-11 : Mesure de la vitesse moyenne avec la coupe transversale circulaire.

Fig. 1.6.5-12 : « Règle du point log-36 ».

Fig. 1.6.5-13 : Mesure de la vitesse moyenne au moyen d’une tuyère amont.

-9.2 Tuyère amont Dans le cas de ventilateurs standard, on calcule le débit volume avec une tuyère amont à bords parfaitement arrondis du côté aspiration. Vitesse w = 2 Δ p / ρ Δp = sous–pression statique en Pa (fig. 1.6.5-13). -9.3 Diaphragmes et tuyères Voir paragraphe 1.6.5-6 page 282. -9.4 Réseau de sonde de mesure1 En cas de vitesses réparties inégalement sur la section, on peut utiliser des sondes de mesure qui mesurent simultanément en plusieurs endroits la pression dynamique et permettent d’obtenir une moyenne. Ces sondes sont en forme de cercle, croix, grille, tringle, et autres (fig. 1.6.5-14). 1 1. Presser, K. H. : HLH 4/86. Voir 209/16, 8/86. Voir 419/25 u. Tab. 1/89. Voir 45/50.

284

1.6.5 Mesure du volume et du débit

1

a Tube de mesure de la pression de la grille de retenue b Tube collecteur de la grille de retenue c Flexible de liaison d Manomètre

Fig. 1.6.5-14 : Grille de retenue de Wilson (Airflow).

-10 Mesure du débit effectuée sur les bouches de ventilation1 -10.1 Mesure en réseau On effectue les mesures en plusieurs points de la bouche de ventilation répartis sur la section de la bouche à l’aide d’un tube de Pitot ou d’un anémomètre, mais, en raison de l’écoulement le plus souvent giratoire et tourbillonnant, les mesures sont imprécises. 1 -10.2 Mesure par pavillon Un pavillon est placé sur la bouche de ventilation, éventuellement avec un dispositif de « tranquillisation du flux d’air » (fig. 1.6.5-15 et fig. 1.6.5-16). La vitesse de l’air est mesurée à la section la plus étroite. Les résultats sont bons lorsque la perte de charge de la bouche de ventilation est plus grande que celle du pavillon. Le cas échéant, effectuer une correction de la mesure obtenue. Redresseur

Appareil de mesure Appareil de mesure

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Fig. 1.6.5-15 : Mesure du débit volumique d’une bouche de soufflage d’air au moyen d’un pavillon.

Fig. 1.6.5-16 : Mesure du débit volumique d’une bouche de reprise d’air.

-10.3 Méthode de mesure de la pression Sur la bouche de ventilation, une petite partie de la surface de sortie est obstruée avec des dispositifs de mesure spécialement adaptés (plaquettes de mesure) et la pression dynamique est mesurée (fig. 1.6.5-17), ou bien déterminée à des endroits définis de la bouche d’aération grâce à des sondes conçues à cet effet. Les courbes de calibrage (du fabricant de bouche de ventilation) peuvent également présenter le débit comme fonction de la pression mesurée. Avantage : mesure facile avec bonne précision spatiale, mais dispositif de mesure et courbe de calibrage nécessaires en fonction de la taille et du produit.

Élément de sortie Ouverture Plaque du dispositif de mesure Raccord de reprise de la pression

Fig. 1.6.5-17 : Mesure du débit – méthode de mesure de la pression (composants de Krantz).

1. Presser, K.-H. : HLH 3/81. Voir 98/107.

285

DONNÉES DE BASE

1.6 • Principales techniques de mesure

1.6 • Principales techniques de mesure

1.6.6 Calorimétrie

-10.4 Méthode zéro1 Avec un ventilateur auxiliaire réglable, l’air est aspiré dans une chambre de mesure appliquée sur la bouche de ventilation, de façon à ce que la pression atmosphérique domine dans la chambre de mesure. Entre la chambre de mesure et le ventilateur, des diaphragmes normalisés ou des buses assurent une mesure précise. Bons résultats, mais coûteux. 1

m 2 ét 1.6.6 Calorimétrie

Les compteurs d’énergie thermique doivent être étalonnés individuellement et le type de construction agréé par le PTB (Bureau des Techniques et de la Physique). Pour les exigences d’immatriculation, se référer aux notifications du PTB 92 (1982). Par ailleurs, au niveau de la validité de l’ordonnance sur les coûts de chauffage, l’utilisateur peut se voir déduire un montant de 15 %. 2

-1

Installations de chauffage3

-1.1 Méthodes de mesure directes Comment mesurer avec exactitude la consommation d’énergie thermique ? 3 Chauffage vapeur : on peut mesurer soit le débit-volume de vapeur, soit le débit- volume de condensé. Si l’état initial de vapeur est connu, il est facile de calculer le courant de chaleur. Pour mesurer la quantité de vapeur, on utilise des organes déprimogènes (diaphragmes, tuyères, tubes Venturi) ou des débitmètres à flotteur (voir paragraphe 1.6.5-6 page 282). Les compteurs cylindriques servent à mesurer les condensats. Ce type d’appareils de mesure, comme les compteurs à turbines, servent également dans les très petites installations et peuvent être utilisés pour mesurer les débits de condensats d’appartements chauffés à la vapeur. Chauffage eau4 : il est plus difficile de mesurer avec exactitude la quantité d’énergie thermique fournie. Le principe de tous les compteurs de Calculateur chaleur repose sur la mesure du produit d’un débitCapteurs volume d’eau par la différence de température entre de température Point de mesure l’aller et le retour. Pour mesurer le volume, on de la température aller utilise des compteurs à turbine ou des déprimogènes, tandis que la différence de température entre l’aller et le retour est indiquée par des thermocouples et des thermomètres à résistance (fig. 1.6.6-1). Le résultat de la mesure de ces deux éléments s’obtient Trajet aller/retour aujourd’hui essentiellement électroniquement. Ces pour certains débitmètres valeurs, qui dépendent de la température, servent à corriger l’équation avec un coefficient (facteur k), Point de mesure du volume lequel tient compte de la masse volumique et de la Point de mesure capacité thermique en fonction de la température de de la température retour l’aller et du retour. Évaluation réservée la plupart Fig. 1.6.6-1 : Éléments d’un compteur d’énergie du temps à des calculateurs électroniques thermique. (fig. 1.6.6-2 et 1.6.6-3). Le volume est obtenu grâce à un compteur d’eau chaude (compteur Woltman ou compteur à turbine), digitalisé à l’aide d’un contacteur et transmis au calculateur 5. La température aller et retour s’obtient grâce aux thermomètres à résistance. Pour les installations à 70/90 °C, les éléments de mesure Pt 500 ou Pt 1000 suffisent, alors que pour le réseau de distribution de chauffage urbain, dont les températures aller sont élevées, les thermistances du type Pt 1 000 avec éléments de mesure blindés se sont avérées efficaces.

1. Presser, K. H. : HLH 2/78. Voir 59/68 2. Kreuzberg J : Chauffage à distance 2/80. Voir 68/71. Goettling, R., et F. Kuppler : Ki 10/80. Voir 409/12. Sauer, E : HLH 2/82. Voir 409/12. 3. DIN 4713:1980-12 : Décompte des coûts de chaleur en fonction de la consommation. DIN EN 834:1994-11 et DIN EN 835:1995-04 : calorimètres pour la saisie de la valeur de consommation des espaces à chauffer. DIN EN 1434:1997-04 : Compteurs de chaleur Zöllner, G., entre autres : Ingénieur technico-commercial 1/82. Voir 11/19 et HLH 12/80. Voir 441/4. TAB 9/83. Voir 747 (compteurs de chaleur). Beedegen, O. : Génie thermique, 1/84. Voir 8. Kreuzberg, J : HLH 7/84.Voir 307/16. 4. Dittrich, G. : Ki 7/8-1981. Voir 337/41. Braun, L. : Génie thermique 11/83. Voir 393. 5. Stuck, D. : CCI 10/86. Voir 27 ff. et HLH 11/88, voir 497/500.

286

1.6.6 Calorimétrie

1.6 • Principales techniques de mesure

Fig. 1.6.6-3 : Compteur d’énergie thermique électronique d’habitation à turbine, 2 thermomètres à résistance en platine, compensation du coefficient de chaleur k (facteur k) et durée de vie de la batterie d’au moins 6 ans (Spanner-Pollux).

Fig. 1.6.6-2 : Coupe schématique d’un compteur d’énergie thermique électronique. Point de mesure du volume avec balayage à turbine haute fréquence sans rétroaction (Allmess Schlumberger).

Utilisateurs

Chaudière

Thermomètre compteur d’énergie thermique à résistance

Fig. 1.6.6-4 : Exemple d’installation de compteur de chaleur.

Classe C Classe B Classe A Vn = débit autorisé en permanence Courbe erronée typique Erreur

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En cas de variations brusques des températures pendant le service, comme c’est le cas lorsque l’on tire de l’eau chaude en été, il faut veiller à assurer une petite constante de temps au niveau du capteur et du boîtier, ce que l’on obtient avec des gaines de protection plongeantes. Tous les compteurs de chaleur conviennent particulièrement aux chauffages monotubes ou bitubes à boucle horizontale (fig. 1.6.6-4). Pour le chauffage bitube vertical, la mesure est effectuée indirectement. La marge d’erreur est déterminée par le PTB 92. Exemple fig. 1.6.6-5. Environ ± 6 %, mais souvent davantage. En période de chauffe, même les bonnes installations peuvent enregistrer des erreurs de ± 3 %. Exemple de structure d’un appareil de mesure de la chaleur pour un chauffage à distance sur la fig. 1.6.6-6.

Vmin = débit autorisé le plus faible Vt = débit de transit = limite entre le domaine de charge supérieur et inférieur Vmax = débit maximal. La zone au-dessus de Vn n’est pas étalonnée

Domaine inférieur

Domaine de charge supérieur

Débit

Fig. 1.6.6-5 : Classes métrologiques et leurs marges d’erreur de d’étalonnage d’après le PTB 92 à l’exemple d’un i

compteur à turbine pour V n = 1,5 m3/h. – Courbe de réponse de mesures selon la classe.

287

DONNÉES DE BASE

1

1.6.6 Calorimétrie

1.6 • Principales techniques de mesure Bâtiment avec débits d’eau constants et compteurs d’énergie thermique dans les appartements

Section de mesure Pompe de circulation Compteur d’énergie thermique Régulateur de température Limiteur de débit

Conduites aller et retour

Clapet anti-retour Sous-station

Fig. 1.6.6-6 : Exemple de sous-station d’un chauffage à distance avec compteur d’énergie thermique.

Parfois aussi, on utilise uniquement des compteurs à eau (compteur Woltman ou compteur à turbine) lorsque la modification de la température aller concerne simultanément tous les usagers reliés à la chaufferie centrale et qu’ils sont soumis au AVB-FLO (procédé de mesure de remplacement). Modèles spéciaux pour eau chaude et eau surchauffée. Montage Si un compteur d’énergie thermique n’est pas monté correctement à l’endroit adéquat, d’autres erreurs de mesure peuvent survenir, ce qui peut conduire, notamment au niveau du capteur de température, à des pertes considérables. L’application des mesures suivantes peut éviter des erreurs de montage. Point de mesure du volume : – Position verticale de l’axe de la turbine, c’est-à-dire type de montage horizontal – Aucune pulsation ni poche d’air – Aucune gêne hydraulique due par exemple à des vannes ou à des coudes – Montage dans la conduite de retour sur des longueurs droites amont et aval suffisantes pour stabiliser la veine du fluide. Calculateur électronique : – Pas dans une zone de conduites électriques à haute tension ou de rayonnements haute fréquence – Pas de température environnante supérieure à 50 °C Sondes de température : – Montage le plus direct possible au centre – Monter dans le sens contraire du courant, avec une vitesse de courant élevée le long de la gaine du capteur – Pas de détournement de chaleur par de grandes masses métalliques, en dehors de l’isolation – Les points de mesure pour les températures aller et retour doivent être traversés par le même débit Tolérance électromagnétique Les branchements électroniques peuvent être facilement perturbés voire détruits par des champs d’excitation parasites, comme l’allumage de moteurs à collecteurs ou de lampes fluorescentes. Les perturbations atteignent les circuits électroniques ou leurs conduites de signalisation par couplage galvanique ou radiation d’ondes dans l’air, ce qui, selon l’intensité du brouillage, peut provoquer des erreurs d’enregistrement, une mise à l’arrêt ou même la destruction : Les compteurs d’énergie thermique résistent à des perturbations normales, mais si celles-ci sont plus sévères, il faut prendre les mesures suivantes : – Déplacement des conduites de signalisation blindées avec dérivation unilatérale de la masse – Montage en dehors de la zone d’influence de tubes fluorescents, appareils radios, moteurs, interphones, alarmes – Montage dans des armoires blindées en tôle. Métrologie légale et étalonnage obligatoire 1 La métrologie légale relève du droit économique. Les compteurs d’énergie thermique utilisés dans ce cadre sont soumis à l’obligation d’être étalonnés, d’où mesures suivantes à prendre : – Autorisation Les tests sont effectués à la demande d’un constructeur du PTB et déterminent la capacité à être étalonné de tel type de compteur d’énergie thermique. – Étalonnage/authentification Les étalonnages et les authentifications sont effectués par les autorités compétentes. 1. Stuck, D. : HLH 11/88, voir 497/500.

288

1.6 • Principales techniques de mesure

1.6.6 Calorimétrie

– Test d’agrément Ce test permet de déterminer si un compteurd’énergie thermique authentifié et en usage ne dépasse par le cadre de son utilisation et répond aux exigences requises. – Authentification ultérieure Après 5 ans, la validité de l’authentification expire pour les compteurs d’énergie thermique, et une authentification ultérieure est exigible.

Échelle Tube de verre

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Support ou monture

Fig. 1.6.6-7 : Répartiteurs de chauffage à évaporation. Gauche : schéma de principe. Milieu : exemple d’appareil (Minol). Droite : emplacement sur le radiateur.

Le couplage thermique varie selon le type de radiateur et conduit à des températures de liquide variables qui doivent être corrigées (valeur Kc). Pour les appareils à échelle unitaire, la correction tient compte de la capacité du radiateur et doit apparaître sur le décompte des coûts de chauffage. Les appareils à échelle de produit sont munis d’une échelle corrigée, si bien que les unités peuvent être directement comparées. 1. EN 834 (11/94) ; EN 835 (04/95) calorimètres pour l’enregistrement de la valeur de consommation des surfaces de chauffage ambiantes. Kreuzberg, J : manuel de décompte des coûts de chauffage, maison d’édition Werner 1997. Goettling, R., et Kuppler, F.H. : HLH 5/79, voir 172/7 et HLH 5/83, voir 205/10. Zöllner, G., entre autres : HLH 6/80, voir 195/201, HLH 11/80, voir 408/12 et 12/80, voir 441/4, HLH 5/87, voir 251/5, HLH 1/89, voir 65/71, HLH 10/91, voir 547/53. Braun, L. : HLH 11/88, voir 501/8. Kuppler, F. H. : Ki 7/8-81, voir 331/6. Mügge, G. : HLH 2/93, voir 77/81 et 3/93, voir 153/7. Liebegall, A. : HLH 1/84, voir 28/31. Test N° 6/84, voir 81/91 et 2/92, voir 177/81.

289

1 DONNÉES DE BASE

-1.2 Méthodes de mesure indirectes (méthodes auxiliaires)1 Les répartiteurs de chaleur déterminent la quantité de chaleur en mesurant la température (température à la surface du radiateur et éventuellement température de l’air) sans mesurer le débit-volume. Pas d’unités physiques, mais seulement des valeurs de répartition pour évaluer la proportion de la consommation totale de chaleur, à partir d’un compteur d’énergie thermique, afin que l’entreprise puisse répartir les coûts des installations de chauffage. Les coûts par unité ne sont à communiquer qu’après présentation de toutes les valeurs enregistrées et de la totalité des coûts. 1 Les répartiteurs de chaleur ne peuvent pas être étalonnés et ne sont pas soumis aux exigences dans ce domaine. Les admissions suivant l’ordonnance sur les coûts de chauffage (HKVO) incombent aux autorités compétentes. Sont acceptés les appareils qui répondent aux règles techniques reconnues (DIN EN 834, 835) ou qui s’avèrent adéquats par ailleurs. Économie d’énergie de chauffage attrayante de 10 % à 15 % selon le type de bâtiment, la régulation et l’isolation thermique. Fabricants connus : Kalorimeta, Kundo, Metrona, Minol, Raab-Karcher, Techem, entre autres. Les répartiteurs à évaporation (fig. 1.6.6-7) se composent d’un boîtier en aluminium fixé sur le radiateur, d’un petit tube de mesurage à liquide spécial et d’un boîtier gradué pour lire le niveau du liquide. La quantité de liquide évaporée au cours d’une période de chauffage correspond à la quantité de chaleur émise par le radiateur. Les liquides le plus souvent utilisés sont le benzoate de méthylène, ainsi que le malonate de diméthylène, l’acétate de benzyle et l’hexanol I. Pour les appareils correspondant à EN 835, la température nominale du radiateur doit se situer, selon l’évaporation effective, entre 55 et 60 °C.

1.6 • Principales techniques de mesure

1.6.6 Calorimétrie

Marge d’erreur 5 %… 10 % ; coûts par habitation pour 5 appareils environ 55 € ; coûts pour un décompte annuel par habitation environ 20 €. Avantage : équipement de l’appareil bon marché Inconvénients : la « courbe » caractéristique de l’appareil de mesure ne correspond pas à celle du radiateur, aucune prise en compte de la température ambiante, affichage en été, aucune mémorisation de la valeur de date limite, décompte intermédiaire difficile en raison de l’objectif d’évaporation à froid, résolution de mesure limitée, changement de l’ampoule de liquide annuel nécessaire. De plus récents répartiteurs électroniques sont équipés de capteurs (semi-conducteurs Si, Pt 100, NTC ou Quartz) pour mesurer la température du radiateur et de l’air ambiant, et dont les valeurs de mesure sont traitées de façon digitale dans un microprocesseur ; approvisionnement en énergie par batterie longue durée ou fonctionnement sur secteur. Par rapport aux appareils par évaporation, l’électronique permet une meilleure adaptation de l’appareil de mesure à la spécificité du radiateur, aux fonctions additionnelles ou d’échéance, ainsi qu’aux possibilités de lecture sur place assistée électroniquement ou de lecture à distance sans entrer dans l’habitation. Les tout derniers répartiteurs économiques sont équipés d’interface pour transmettre directement des valeurs mesurées dans l’ordinateur portable ; d’où suppression de la prise de note manuelle et de la saisie ultérieure des données (lecture sans papier). La lecture à distance s’effectue avec ou sans fil par transmission radio. On n’utilise pratiquement plus d’appareils à une sonde, car ils ne détectent que la température du radiateur sur le lieu de montage et ne calculent que les valeurs fixes de température ambiante. Par rapport aux évapo-répartiteurs, les avantages sont seulement la date d’échéance (téléchargement de la valeur d’affichage au jour d’attachement) et une meilleure adaptation de la caractéristique d’affichage à la propriété du radiateur ; température à partir de 28 °C. Les appareils à une sonde déterminent à l’aide d’une seconde sonde la température ambiante pour un début de décompte en fonction de la différence de température et une suppression de l’affichage l’été, mais calculent aussi la valeur d’affichage avec une température ambiante stable. Selon EN 834, la température d’installation recommandée pour les appareils à une sonde est de 55 °C. Les appareils à deux capteurs incluent également la température mesurée de l’air ambiant dans le calcul de la quantité de chaleur, d’où plus grande précision ; utilisation notamment avec les installations à basse température ; d’après EN 834, la limite inférieure de mise en service n’est conditionnée que par le principe de mesure, soit la plupart du temps une température d’installation autour de 35 °C. Par rapport aux appareils à sonde de lancement, il est nécessaire de mesurer avec davantage de précision la température ambiante et de constater algorithmiquement le blocage de la transmission de chaleur. Dans le cadre plus vaste du chauffage d’entreprise, notifier avec précision la température de surchauffe effective. Les appareils à une et deux sondes peuvent présenter aussi une sonde de radiateur à distance selon les installations. Les appareils à trois sondes saisissent la température aller et retour sur le radiateur ainsi que la température ambiante ; il est possible de déterminer avec précision la température effective du radiateur. Inutile de transmettre le facteur Kc ; recommandés notamment pour les installations monotubes et à basse température, câblage de la sonde de température. La fig. 1.6.6-8 présente un appareil à deux sondes aux propriétés suivantes et permettant la lecture radio : batterie longue durée (10 ans), température d’installation minimale 35 °C, échéance programmée, transmission des valeurs en milieu et en fin de mois pour une lecture intermédiaire ultérieure, manipulation à l’aide de plomb contrôlé électroniquement, radiogramme cryptographique, test intégré régulier, pas d’accès à l’habitation ; les collecteurs de données sont consultés directement au moyen d’un carnet électronique ou par modem et liaison téléphonique. La fig. 1.6.6-9 présente un système central à différents niveaux qui combine régulation de température dans la Fig. 1.6.6-8 : Répartiteur électronique pièce et calorimétrie ; cet espace est occupé par un de frais de chauffage (Techem). appareil à trois sondes ; température d’installations minimale 30 °C ; la centrale des récepteurs indique les valeurs de mesure et règle avec programmation dans le temps les températures ambiantes à l’aide de vannes électrothermiques ; la centrale du bâtiment rassemble les valeurs de mesure de la centrale récepteurs, contrôle les composants du système et assure l’échéance ; transmission de données au compteur principal par modem sur réseau fixe, haut débit ou radio mobile pour lecture à distance et avertissement automatique ; agréé pour chauffages mono ou bitubes à répartition verticale et horizontale pour des températures d’installation situées entre 30 °C et 110 °C. Marge d’erreur de 0 à 5 %, coût par habitation pour des appareils à deux sondes environ 180 €, pour radio environ 260 € et pour un système central avec réglage environ 720 €.

290

1.6.7 Mesure du niveau

1.6 • Principales techniques de mesure Ordinateur de contrôle

Gestionnaire de bâtiment

Bus de bâtiment

DONNÉES DE BASE

1

Max. 80 Centrales de consommateurs d’énergie

Maximal 8 Raummodule Bus de pièce d’habitation

-2

Fig. 1.6.6-9 : Régulation de température intérieure avec un répartiteur de frais de chauffage intégré.

Installations d’eau chaude sanitaire

Chez les gros consommateurs, on utilise des compteurs d’énergie thermique mécaniques ou électriques, comme pour les installations de chauffage à eau. Quand les températures de l’eau chaude et de l’eau froide sont sensiblement constantes, les compteurs à moulinets hydrométriques habituels suffisent à mesurer la consommation. C’est le cas quand on utilise des ballons d’eau isolés avec, si possible, des pompes de circulation et des réseaux de distribution bouclés et bien calorifugés. Dans la répartition des coûts sur les locataires, une partie (30 à 50 %) est un montant fixe, indépendant de la consommation, l’autre partie est un montant proportionnel à la consommation, correspondant aux indications des compteurs. La marge d’erreur est généralement inférieure à 10 %.

d 1.6.7 Mesure du niveau1 u © Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

-1

Méthode de la jauge visuelle

Quand une partie du réservoir est faite d’un matériel transparent, dans le cas d’un liquide propre, on peut effectuer une lecture optique du niveau. Selon la règle, la jauge indiquant le niveau est dans un tube parallèle au réservoir (conduite de dérivation), séparée du réservoir par des vannes ou robinet d’isolement, afin de pouvoir l’isoler pour l’entretien. On utilise ce système par exemple pour les réservoirs d’huile de graissage dans les ateliers de réparation et dans les camions-citernes. Les jauges visuelles sont souvent remplacées de nos jours par des valves et des clapets magnétiques. On mesure alors le niveau à travers le clapet à l’aide d’un flotteur témoin aimanté ou magnétique, et on reporte les valeurs sur une échelle de mesure. L’échelle de mesure est ainsi séparée du milieu mesuré. Cette méthode est également applicable aux fluides non propres.1 Avantage : simple et relativement bon marché. Inconvénient : télémesures uniquement possibles à partir de l’indicateur du clapet magnétique.

-2

Méthode de mesure à partir de relevés

Ce sont de simples mesures manuelles à partir d’une tige graduée, qui peut être utilisée aussi bien pour les liquides que pour les matières solides. On l’utilise par exemple pour contrôler le niveau d’huile des autos. Également dénommée « pige ou jauge ». Avantage : simple et très bon marché. Inconvénient : aucune télémesure n’est possible, à utiliser uniquement pour les réservoirs sans pression.

1. Mise à jour par le Dr. Frank Hörper, ingénieur à Francfort, pour la 70e édition.

291

1.6.7 Mesure du niveau

1.6 • Principales techniques de mesure

-3

Méthode du flotteur témoin

La plus simple prise de mesure du niveau utilise un flotteur, composé d’un corps flottant, d’un câble, de deux poulies et d’un contrepoids, qui pend à l’extérieur d’un réservoir ouvert. Si on accroche une échelle au réservoir, on peut lire le niveau du réservoir à partir de la position du contrepoids (Fig. 1.6.7-1). La mesure industrielle effectuée à l’aide d’un flotteur se fonde sur le même principe, mais se distingue cependant par l’installation, la lecture et la précision, caractéristiques essentielles de ces méthodes simples. On peut également utiliser cette méthode pour les réservoirs sous pression et les citernes étanches. Avantage : relativement simple, très précis. Inconvénient : l’utilisation pour les réservoirs sous pression et les réservoirs étanches sans perte de pression est relativement coûteuse.

-4

Méthode de refoulement

La méthode de refoulement se fonde sur la différence entre le poids d’un corps refoulé et la force ascensionnelle du milieu sur ce corps. La force ascensionnelle dépend du volume du propulseur, de la densité du milieu et de la hauteur de remplissage. Avec un volume constant et une densité constante, la force ascensionnelle est une mesure pour le niveau. Le propulseur doit alors être plus lourd que le milieu à mesurer. Pour la télétransmission et la séparation de l’air extérieur, la force ascensionnelle est transférée par une barre de torsion sur un capteur avec une sortie de 4-20 mA. Le montage s’effectue souvent dans une cuve parallèle. On utilise aussi cette méthode pour mesurer le composé de séparation entre deux fluides de différentes densités. Avantage : précision. Inconvénient : dépend de la densité du milieu.

-5

Méthode du capteur bulle à bulle

La pression hydrostatique dans une citerne est mesurée en insérant un tube dans le fluide, et en introduisant assez de gaz pour qu’une colonne de liquide soit poussée dans le tube, de sorte que des bulles de gaz sont produites et atteignent la surface. La pression dans le tube représente la pression de la colonne de liquide. On peut mesurer cette pression à l’aide d’un capteur de pression et la convertir en un signal électrique. Selon le milieu, on utilise l’air ou l’azote comme gaz. La distribution de gaz se fait par un clapet réducteur d’un réseau de gaz existant, ou par un petit compresseur pour l’air (fig. 1.6.7-2). Avantage : montage simple, utilisable également pour les fluides agressifs. Inconvénient : un raccordement au gaz est nécessaire quand l’air ne peut pas être utilisé, consommation de gaz, risque d’encrassement du capteur bulle à bulle, moins approprié pour les réservoirs sous pression. Circuit de mesure de la pression

Circuit du capteur à bulle

Capteur bulle à bulle

Mesure de débits de liquides

Air, N2

Fig. 1.6.7-1 : Mesure du niveau avec un flotteur.

-6

Fig. 1.6.7-2 : Mesure du niveau avec un capteur bulle à bulle.

Fig. 1.6.7-3 : Mesure du niveau par la différence de pression hydrostatique.

Méthode de la pression hydrostatique

Avec cette méthode, la pression hydrostatique d’une colonne de liquide est directement mesurée à l’aide d’un capteur de pression ou de différence de pression. Pour les réservoirs sous pression, une mesure de différence de pression est requise : un capteur de pression mesure la pression de la colonne de liquide ainsi que la pression du réservoir, et l’autre capteur de pression ne mesure que la pression de la partie gazeuse du réservoir (fig. 1.6.7-3). La différence de pression représente la pression hydrostatique de la

292

1.6 • Principales techniques de mesure

1.6.7 Mesure du niveau

colonne de liquide. L’indication de la différence de pression peut également se faire électroniquement, en utilisant deux capteurs de pression électroniques, puis en comparant les deux signaux de mesure. Avantage : mise en place simple, réglage simple, mesures relativement précises. Inconvénient : dépend de la densité du milieu ; pour la différence de pression, cette méthode est relativement coûteuse.

Méthode de pesée

Avec cette méthode de mesure indirecte du niveau, le réservoir est entièrement monté sur un appareil de pesée appelé « Wägezellen ». Le capteur de poids se fonde principalement sur le principe d’une jauge à fil résistant. On peut également appliquer cette méthode aux matières solides. Avantage : pour les produits à densité constante, les mesures sont très précises, car on mesure leur contenu au lieu du niveau. Inconvénient : cette mesure fournit de nombreuses mesures mécaniques, et est coûteuse. Cette méthode n’est pas utilisable pour les installations existantes.

-8

Méthode de mesure par conductivité

On utilise cette méthode exclusivement pour les fluides conducteurs. Une sonde mesure la différence de conductance qui est plus ou moins couverte par le fluide conducteur. Comme potentiel de résistance, on utilise les parois du réservoir, ou une deuxième sonde pour les réservoirs non conducteurs. Quand le fluide n’atteint pas encore la sonde, la résistance électrique entre la sonde et les parois du réservoir est très élevée. Si le niveau monte et que le produit conducteur crée une liaison entre la sonde et les parois du réservoir, la résistance diminue. Avantage : simple et bon marché. Inconvénient : la sonde ne doit pas être salie par les dépôts ; à utiliser de façon limitée pour les fluides ayant une inductance fortement changeante.

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-9

Méthode de mesure capacitive

À l’aide d’une sonde de mesure et d’une paroi du réservoir, Appareil on crée un condensateur en appliquant une inversion de de mesure Contrecourant ; la capacité de ce condensateur dépend des consAmplificateur électrode tantes relatives de l’électricité εr du fluide entre la sonde et la paroi. Tant que le réservoir est vide, la capacité du Électrode condensateur installé est basse. Si une partie de la sonde est recouverte par le fluide mesuré, on mesurera une capacité plus élevée (fig. 1.6.7-4). Avec cette méthode, on peut mesurer la couche de séparation entre deux fluides, quand la différence des constantes relatives d’électricité est suffisamment grande. Avantage : on peut utiliser cette méthode pour les liquides et les matières solides ; convient pour les fluides agressifs. Inconvénient : l’utilisation est limitée pour les fluides changeants. Fig. 1.6.7-4 : Mesure capacitive du niveau.

-10 Méthode d’atténuation du rayonnement Cette méthode peut être basée sur l’atténuation optique, l’atténuation des ultrasons, des micro-ondes ou Appareil de mesure des rayons gamma. La méthode optique ne sera utilisée Amplificateur que rarement à cause des possibilités de salissure. Dans Émetteur des conditions non critiques de pression, de tempéraRécepteur ture, d’agressivité et de viscosité du fluide, on utilisera les ultrasons et les micro-ondes. Cette méthode de mesure sera entre autre uniquement utilisée pour l’indication du niveau (fig. 1.6.7-5). Avec une forte pression, une température élevée et un fluide très visqueux, on ne peut souvent utiliser que la méthode de mesure des rayons gamma, car le rayonnement gamma, riche en énergie, peut pénétrer les parois du réservoir, et aucun transducteur n’est efficace à l’intérieur du réservoir. Comme source de rayonnement, on utilise le Fig. 1.6.7-5 : Signalisation du niveau par ultrasons, cobalt 60 ou le césium 137 (fig. 1.6.7-6). par exemple des micro-ondes.

293

1 DONNÉES DE BASE

-7

1.6.8 Contrôle des produits de combustion

1.6 • Principales techniques de mesure

Chaque système comporte un émetteur et un récepteur. Dans un réservoir vide, le signal envoyé par l’émetteur parvient jusqu’au récepteur sans rencontrer d’obstacle. Avec un niveau montant, le signal est de plus en plus absorbé par le fluide à mesurer, et ne parvient qu’atténué au récepteur. Avantage : on peut utiliser cette méthode pour les fluides et les matières solides, absence de contacts, on peut l’installer sans éléments de montage. Pour le rayonnement gamma, aucune modification du réservoir n’est nécessaire. Inconvénient : les ultrasons et les micro-ondes requièrent des équipements latéraux. Pour le rayonnement gamma, des licences et des mesures de sécurité spéciales sont obligatoires.

-11 Méthode de mesure par réflexion La méthode par réflexion, ou par écho, se fonde sur la mesure du temps de propagation d’une microonde ou d’une impulsion ultrasonique émise vers un capteur. Cette impulsion est réfléchie sur la surface supérieure du fluide à mesurer, et perçue par le capteur. Le temps nécessaire représente une mesure de la distance parcourue dans le réservoir vide, que l’on peut donc convertir afin d’obtenir le niveau du réservoir (Fig. 1.6.7-7). Avantage : on peut l’utiliser pour les fluides et les matières solides, sans contact. Inconvénient : les fluides ne doivent pas mousser fortement, et doivent réfléchir l’impulsion. Ne pas utiliser les ultrasons avec de fortes pressions ou dans le vide. Appareil de mesure Émetteur + Récepteur

Appareil de mesure

Amplificateur

Émetteur de rayons λ Mesure du temps de propagation Détecteur

Fig. 1.6.7-6 : Mesure du niveau avec le rayonnement gamma.

Fig. 1.6.7-7 : Mesure du niveau avec les ultrasons, par exemple les micro-ondes.

1.6.8 Contrôle des produits de combustion (Voir paragraphe 1.6.10-3 page 301, 1.6.10-6 page 304, 2.3.1-2.7 page 729) L’étude des produits de combustion sert à déterminer la composition des gaz de combustion, notamment la teneur en dioxyde de carbone CO 2, pour pouvoir ensuite évaluer la qualité de la combustion 1. La mesure de la perte de gaz d’échappement est principalement conseillée pour économiser l’énergie. Dans les chauffages centraux, elle est effectuée par le ramoneur (loi d’économie de l’énergie. Les appareils de mesure à utiliser doivent consister en une évaluation d’aptitude. Les mesures de dioxyde de soufre et de protoxyde d’azote ne sont effectuées que pour les grosses installations. L’appareil Orsat est le plus connu pour l’étude des gaz d’échappement. Un gaz d’un volume de 100 cm 3 mesuré sera poussé successivement à travers plusieurs solutions absorbantes, qui absorbent les gaz CO 2, O2 et CO. Après l’absorption d’une partie constitutive d’un gaz, les gaz restants sont mesurés. La diminution du volume représente la proportion qui était occupée par le gaz absorbé. Les solutions d’absorption sont la potasse caustique pour le CO 2, l’acide pyrogallique ou le phosphore pour le O 2, et le chlorure de cuivre pour le CO (fig. 1.6.8-1). Ces derniers ne sont cependant pas assez sensibles. L’appareil Orsat n’est pas approprié au pilotage d’installation de combustion ; il sert simplement d’appareil de contrôle. Pour mesurer la vitesse, on peut utiliser une valise de mesure. Exemple de 1. Baum, F. : San. Techniques de chauffage. 8 et 9/75. Baumbach, G. : Chauffage à huile + Gaz 2/79. 6. Marx, E. : Chauffage à huile + Gaz 9/79. 7 Voir Techniques de chauffage. 4/82. 6 Appareils de mesure appropriés, voir descriptif du BMI du 30. 03. 82. Strater, D., et O. Menzel : Ramoneur 6/83. Voir 21/9.

294

1.6.8 Contrôle des produits de combustion

l’appareil de contrôle de la teneur en CO 2 dans la fig. 1.6.8-2 et la fig. 1.6.8-3 avec de la potasse caustique, un système de contrôle, une poire en caoutchouc et un sélectionneur de régime. La dépression créée par l’absorption est proportionnelle à la teneur en CO 2 et est directement affichée. Le liquide de mesure doit être changé après appauvrissement. L’un des inconvénients est l’inertie des mesures. Les appareils automatiques fonctionnant sur la base d’un principe chimique imitent les déplacements de l’analyse manuelle et enregistrent le mouvement vertical raccourci des jauges de niveau comme mesure du constituant absorbé. L’un des inconvénients est le délai d’affichage, qui est d’environ 2 minutes. Avec des procédés physiques et chimiques plus récents, on utilise des appareils qui effectuent également la mesure de l’absorption du gaz étudié, suite cependant à une mesure manuelle de la chaleur d’absorption (Thermoflux), de la conductivité électrique du liquide absorbant (Ionoflux et Electroflux) ou de la coloration du liquide (Chromoflux). Entrée du gaz de combustion Flacon de niveau

Filtre

Eau

Absorbeur pour l’oxygène

Gaz

Absorbeur pour le gaz carbonique

Pompe à tuyau flexible

Fig. 1.6.8-1 : Appareil Orsat pour l’étude des produits de combustion (représentation schématique).

Gaz

Potasse caustique Huile de protection

Fig. 1.6.8-2 : Fonction de l’indicateur de CO2. A = équilibrage M = mesure S = aspiration

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Calculateur de la perte de produits de combustion

Échelle de comparaison des indices de noircissement

Pompe pour produits de combustion

Thermomètre pour mesurer la température des produits de combustion

Appareil de mesure du CO2

Appareil de mesure de la dépression

Fig. 1.6.8-3 : Valise de mesure pour le contrôle des produits de combustion (Bacharach).

Pour effectuer des mesures avec les appareils qui ne fonctionnent que sur une base physique, on utilise principalement la conductivité thermique ou l’absorption des rayons infrarouges. Pour effectuer des mesures avec les contrôleurs des fumées d’après la fig. 1.6.8-4, on mesure la conductivité thermique du gaz carbonique par rapport à celle de l’air. Le gaz circule le long d’un fil chauffé à environ 200 °C, alors qu’un deuxième fil est dans le courant d’air. Les deux fils sont branchés sur un pont de Wheatstone.

295

1 DONNÉES DE BASE

1.6 • Principales techniques de mesure

1.6.8 Contrôle des produits de combustion

1.6 • Principales techniques de mesure

Lorsque la teneur en CO2 change, la conductivité thermique du gaz se modifie, de sorte que la température du fil chauffé et donc sa résistance changent aussi. On mesure la différence de résistance, qui, une fois calculée, représente la teneur en CO 2.

Air

Résistance d’homogénéisation

Gaz d’échappement

Gaz d’échappement

Comp. Temp.

Résistance du point zéro

Air Résistance du réglage du courant de soudage

Fig. 1.6.8-4 : Appareil de contrôle des gaz d’échappement d’après le procédé de la conductivité thermique.

Fig. 1.6.8-5 : Appareil de mesure du CO2 avec un photomètre à infrarouge et pour le tirage d’une cheminée.

De façon analogue, on mesure la teneur en (CO + H2), en consumant ces gaz de façon catalytique, et en modifiant ainsi la température du fil chauffé (procédé de la tonalité thermique). Pour les mesures thermomagnétiques concernant l’oxygène, on utilise le fait que l’oxygène est magnétique. L’introduction d’oxygène dans un champ magnétique fort crée des courants (vent magnétique) et des différences de pression, qui sont enregistrés par des appareils de mesures. Pour le procédé infrarouge, on utilise les spectres d’absorption variables des gaz (fig. 1.6.8-5). On mesure la différence de température du gaz étudié et du gaz de comparaison que crée l’absorption, on l’amplifie et la transfère sur des indicateurs. Ce procédé est approprié au CO2, CO et SO2 et à de nombreux autres gaz (VDI 2445:1970-08). Pour l’étude de la suie lors de chauffage au mazout et la mesure des hydrocarbures, voir paragraphe 1.6.103 page 301 et 1.6.10-6 h) page 305. Pompe à fumée1. À l’aide d’une petite pompe, un certain volume de gaz, par exemple 100 cm 3, sera aspiré dans un tube de prélèvement qui est rempli avec une matière réactive. Celle-ci se colore, ce qui, à partir de la durée, nous donne une indication. Ce procédé peut être utilisé pour le CO 2, CO ainsi que d’autres gaz et vapeurs. Marge d’erreur ±10% . Analyse des gaz par ordinateur 2. Les appareils modernes fonctionnent avec une analyse informatique des données, le stockage des informations, et une imprimante pour sortir les résultats. Les fig. 1.6.8-6 et 1.6.8-7 montrent ce type d’appareil sous sa forme transportable avec une alimentation par pile ou un raccordement au réseau électrique. Les capteurs pour les gaz sont des cellules chimiques.

1. Leichnitz : Chauffage au gaz et au mazout 3/80. Voir 114/8. 2. Grodmadzki, D. : TAB 9/86. Voir 597/600.

296

1.6.9 Hygrométrie

Fig. 1.6.8-6 : Analyseur de gaz électronique portatif, pour mesurer le CO2, CO, SO2 et NOx, la température, le tirage de la cheminée, le noir de suie, et calculer le CO2 et le rendement de combustion (RBR, Iserlohn).

1

Fig. 1.6.8-7 : Appareil électronique pour analyser les gaz de fumée, pour la température, O2, CO2, CO, NOx, et la perte de gaz d’échappement 1 – η pour 13 combustibles différents (Testotherm). À gauche : indications et boîtier de commande. En haut à droite : sonde de gaz de fumée pour la température, prélèvement des gaz d’échappement et tirage. En bas à droite : appareil analyseur.

m 1.6.9 Hygrométrie1 é (Voir paragraphe 4.3.7-2.2 page 1335)

1

Lorsqu’on mesure l’humidité, il faut bien distinguer la teneur en eau, calculée en g/cm3ou en g/kg, et l’humidité relative, exprimée en %.

-1

Procédé d’absorption

La vapeur d’eau est absorbée dans des tubes successifs remplis de chlorure de calcium. La quantité d’eau absorbée est pondérée et la quantité de gaz calculée à l’aide d’un compteur de gaz, ce qui permet d’obtenir directement l’humidité absolue.

-2

Méthode du point de rosée (point de condensation)

Une surface brillante de métal est refroidie jusqu’à ce qu’un dépôt apparaisse. La température utilisée à cette occasion est égale à la température de rosée de l’air. Les mesures sont très précises.

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-3

Hygromètre à cheveu

Les hygromètres à cheveu utilisent la propriété des cheveux dégraissés, qui s’allongent ou se raccourcissent selon l’humidité relative de l’air (fig. 1.6.9-1). Déformation d’environ 2 % avec les variations de l’humidité de 0 à 100 %. Outre les cheveux, on utilise d’autres matières hygroscopiques comme la soie, la cellophane, le coton, etc., des matières qui, pour la plupart, sont en effet dépendantes de la température. Tous les hygromètres doivent être étalonnés de temps en temps, et être installés durant une courte période dans de l’air humide, ce qui permet d’en améliorer l’élasticité (par exemple l’air nocturne). L’erreur d’hystérésis est située entre ±2...5%, les mesures sont donc peu précises. Sensibles à la poussière. Leur plage de mesure se situe entre 30 et 90 % d’humidité relative. Instruments pour l’affichage électrique à distance également fournis.

Faisceau de cheveux

Fig. 1.6.9-1 : Hygromètre à cheveu.

1. Mohrmann, K. : Technique d’assainissement et de chauffage. 1971. Voir 741/8. Schrowang, H. : IKZ 9 et 11/78.

297

DONNÉES DE BASE

1.6 • Principales techniques de mesure

1.6.9 Hygrométrie

1.6 • Principales techniques de mesure

-4

Psychromètre1

Les psychromètres se composent d’un thermomètre sec et d’un thermomètre humide dont le bulbe est enrobé d’un tampon de coton humidifié. La différence entre les indications données par les deux thermomètres – appelée différence psychrométrique – sert à mesurer l’humidité relative de l’air. Ces mesures sont fondées sur la formule du psychromètre de Sprung (formule d’approximation).1

(

)

pd = p f − k ttr − t f p en mbar (Sprung, 1888) ttr = température du thermomètre à bulbe sec en °C t f = température du thermomètre à bulbe humide en °C pd = pression partielle de la vapeur d’eau en mbar p = pression totale en mbar p f = pression partielle de l vapeur pour la température du bulbe humide en mbar k = une constante = 0, 61 ⋅ 10 − 3 pour l’eau/air = 0, 57 ⋅ 10 − 3 pour la glace/air. L’humidité relative est donc de Mécanisme d’horlogerie Air p avec ventilateur ϕ = d ⋅ 100 en % ps ps = pression de saturation en mbar avec une Air température ttr . Elle peut être lue à partir des indications des Thermomètre deux thermomètres sur la table psychrométrique ou dans des graphiques (voir fig. 1.6.9-3). La condition requise pour effectuer de bonnes mesures est que l’air étudié circule sur le thermomètre à bulbe humide à une vitesse minimum de 2 m/s. Avec un thermomètre non ventilé, les mesures sont très inexactes. Pour des mesures pratiques, on utilise principalement le psychromètre à aspiration d’Assmann Thermomètre (fig. 1.6.9-2), dans lequel le courant d’air artià bulbe sec Thermomètre ficiel est généré par un petit ventilateur à bulbe humide actionné par un mécanisme d’horlogerie. Cet instrument sert également pour l’étalonnage. Air Air Les appareils à ventilateur électrique sont égaleFig. 1.6.9-2 : Psychromètre à aspiration d’Assmann. ment répandus. De nouveaux modèles utilisent des sondes semi-conductrices (élement NC), pour lesquelles le capteur de mesure est relié à l’appareil d’affichage par un câble. Alimentation en électricité par batteries. Sous la forme numérique, à partir des lectures du psychromètre, la teneur en humidité de l’air se calcule ainsi : h − cL t h − 1, 01 ⋅ t en kg/kg. x= = r + cDt 2501 + 1, 86 t Voir également le paragraphe 1.3.4-5 page 133. Pour des températures plus élevées, jusqu’à 300 °C, on peut utiliser le Psychromat GS, qui permet d’acheminer à faible pression l’eau humide jusqu’au thermomètre à bulbe humide (önuga, Vienne). L’utilisation d’un psychromètre fronde est simple. Avant d’effectuer des lectures sur les deux thermomètres on les fait d’abord tourner en cercle dans l’air. Pour la télésignalisation, on utilise un thermomètre à résistance avec un montage en pont, ou des thermocouples à la place du thermomètre à mercure. Psychromètre instantanés Les appareils à thermostat sont une nouvelle évolution des appareils servant à mesurer l’humidité (résistances à coefficient de température négatif NTC). Comme valeur de mesure, on n’utilise toutefois pas l’évaporation mais la dissipation de la chaleur, de sorte qu’on se passe d’un mouvement d’air artificiel. Pour humecter la sonde de mesure, on utilise les relations physiques entre la tension capillaire et la pression osmotique.

1. Hoffman, W.-M. : HLH 8/77. Voir 287/8.

298

1.6.9 Hygrométrie

%

1.6 • Principales techniques de mesure

DONNÉES DE BASE

re la tiv e um id ité

Position du baromètre 1 006 mbar Les valeurs inférieures à 0 °C sont mesurées à partir de la glace

H

Indications du thermomètre à bulbe humide

10 0

1

Indications du thermomètre à bulbe sec

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Fig. 1.6.9-3 : Graphique ou abaque psychrométrique pour déterminer l’humidité de l’air à partir des valeurs indiquées par des thermomètres à bulbe sec et humide.

-5

Appareil au chlorure de lithium pour mesurer l’humidité

Le sel hygroscopique au chlorure de lithium absorbe l’eau contenue dans l’air, jusqu’à ce qu’un équilibre s’installe entre l’air et la tension de vapeur de la solution. L’appareil de mesure de l’humidité se compose d’une gaine contenant un thermomètre à résistance entouré d’une tresse de laine de verre imbibée d’une solution de chlorure de lithium (fig. 1.6.9-4). Le courant qui circule à travers la solution par l’intermédiaire de deux fils argentés enroulés en spirale, réchauffe cette solution et fait évaporer l’eau, jusqu’au point de transformation Tu solution/sel, à partir duquel la conductivité diminue, et le courant et la température chutent. S’ensuit alors une augmentation de la vapeur d’eau, de la conductivité et de l’intensité du courant. La température d’équilibre est une mesure pour la teneur en eau de l’air, par exemple pour le point de rosée. La température est mesurée à l’aide d’un thermomètre à résistance. Les valeurs sont données en °C pour le point de rosée ou en g/m3. Pour les valeurs de l’humidité relative, on peut utiliser un autre thermomètre qui sert à mesurer la température de l’air T (fig. 1.6.9-5). Marge d’erreur 2...3%.

-6

Hygromètre à film conducteur ou électrolytique

Un hygromètre à film conducteur se compose d’une pastille de matière plastique avec des électrodes sous forme de peigne ou de fils, et d’une couche hygroscopique, dont la conductivité change en fonction de l’humidité relative de l’air. L’intensité du courant de l’électrode enroulée permet de mesurer humidité de l’air. L’alimentation en électricité est assurée par une batterie. Exemple fig. 1.6.9-6.

299

1.6.10 Appareils de mesures divers

1.6 • Principales techniques de mesure Thermomètre à résistance

Électrodes

Tresse de laine de verre imprégnée de LiCl – chlorure de lithium

Fig. 1.6.9-4 : Schéma d’un appareil au chlorure de lithium pour mesurer l’humidité. Fig. 1.6.9-6 : Hygromètre électrolytique (Barth et Stocklein).

Électrodes

Fig. 1.6.9-5 : Schéma de montage de l’appareil au chlorure de lithium pour mesurer l’humidité relative. Kr = indicateur de mesure T = capteur/sonde de la température de l’air Tu = capteur pour le point de transformation

-7

Hygromètre à capacité

Les hygromètres à capacité utilisent un film mince sensible à l’humidité entre deux électrodes. La valeur de la capacité change en fonction de l’humidité ambiante. Cette capacité est mesurée à l’aide d’un convertisseur de tension (capteur à couche mince). Les appareils manuels utilisés sur les chantiers sont alimentés en électricité par des piles (hygromètre instantané, fig. 1.6.9-7).

Fig. 1.6.9-7 : Hygromètre digital instantané (Klimatherm).

-8

Capteurs pour la mesure de point de rosée

Les capteurs pour la mesure de point de rosée sont installés sur des surfaces froides dont ils peuvent contrôler directement et de façon continue les risques de condensation (tuyauterie d’évacuation des condensats pour les plafonds réfrigérants par exemple). Les capteurs sont conçus de la même façon que les hygromètres à film conducteur ou les hygromètres à capacité, et sont directement fixés sur les surfaces froides. Quand la température des surfaces s’approche de la température de rosée de l’air, le risque de condensation dépasse une valeur limite (l’humidité relative se situe alors à la valeur limite de 95 %) ; ceci est la plupart du temps contrôlé par un branchement à une sortie de relais et soumis à une régulation, pour laquelle par exemple la température d’entrée correspondante se verra augmentée.

1.6.10 Appareils de mesures divers -1

Calorimètre

Les calorimètres sont des instruments de mesure des capacités thermiques massiques (anciennement pouvoir calorifique) des combustibles. Pour les combustibles solides et liquides, on utilise la bombe calorimétrique de Berthelot-Mahler.

300

1.6.10 Appareils de mesures divers

1.6 • Principales techniques de mesure

Pour les combustibles liquides et gazeux, il existe un grand nombre d’appareils de mesure, dont le premier et plus connu est le calorimètre de Junkers. Il existe d’autres appareils comme le calorimètre Union, le calorimètre Ados et le calorimètre Reineke. Pour des utilisations industrielles, par exemple pour une surveillance continue du pouvoir calorifique dans les usines à gaz, on utilisera des calorimètres enregistreurs (calorigraphe)

Mesure de la valeur du pH

La valeur du pH (potentiel hydrogène) est une mesure qui indique le degré d’acidité ou d’alcalinité d’un liquide. Dans un litre d’eau pure, on trouve 10 −7 g d’ions H+, et autant d’ions OH–. L’eau pure est neutre. La valeur de son pH est 7. Si l’eau contient plus d’ions d’hydrogène, par exemple 10 −5 g par litre, alors la valeur du pH est de 5, et cette eau est dite acide. Les solutions acides ont des valeurs de pH comprises entre 0 et 7, les solutions alcalines ont des valeurs entre 7 et 14. Pour mesurer la valeur du pH, on utilise des éléments galvaniques ; la tension de l’électrode de mesure ne dépend que du nombre d’ions H +, alors que l’électrode de référence est totalement indépendante de ce chiffre (fig. 1.6.10-1). Définitions générales, voir DIN 19260:1971-03. Les techniques actuelles pour mesurer le pH consistent à utiliser deux électrodes selon le type des éléments galvaniques. L’électrode de référence se trouve dans une solution dont nous connaissons la concentration, l’électrode de mesure est dans la solution à mesurer. Les deux solutions sont reliées par un diaphragme, de façon à ce qu’il y ait une conductivité. La différence de potentiel entre les deux électrodes est une indication de mesure pour la valeur du pH de la solution. Comme électrode de mesure, on utilisera principalement une électrode appelée « électrode de verre ». Après immersion dans une solution, une différence de tension se crée sur les deux surfaces d’une membrane en verre spécial. Pour une utilisation industrielle, on place les électrodes dans des armatures appropriées. On trouve également sur le marché un instrument de mesure du pH en format de poche. Il est également possible d’utiliser d’autres outils de mesure, toutefois moins précis, tels que l’indicateur à azolitmine (papier au litmus). Selon la teinte prise par le papier imbibé par la solution, on peut déterminer la valeur du pH. Électrode de mesure

Amplificateur

Indicateur

Électrode de référence

Diaphragme

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Solution Membrane de verre

-3

Fig. 1.6.10-1 : Schéma d’un appareil de mesure du pH.

Mesure de l’opacité des fumées

D’après Bacharach, pour les chauffages au fioul, on utilise un appareil de mesure de l’indice de noircissement (DIN 51402-1:1986-10 et DIN 51402-2:1979-03). Méthode du papier filtre. Prescrit dans le principe de la protection contre les émissions. Cet appareil est semblable à une pompe à vélo. Avec un certain nombre de coups de pompe, une certaine quantité de gaz traverse un papier filtre, ce qui provoque une coloration de ce papier. Le degré de noircissement est ensuite comparé à une échelle de couleurs grises. D’après Bacharach, on évalue le degré de noircissement sur une échelle de 0 à 9. La valeur limite d’opacité des fumées d’une cheminée commence à l’indice 5… 6 (voir fig. 1.6.8-3). On ne peut pas utiliser cette méthode pour les brûleurs à gaz. Dans le cas d’une pulvérisation défectueuse dans un chauffage au fioul, des liaisons d’hydrocarbures apparaissent, et les réactions lors d’un test à l’acétone provoquent le jaunissement ou le brunissement du papier filtre. Dans DIN 51402-2:1979-03, ce type de méthode d’identification des produits dérivés du pétrole pour le chauffage au fioul sont décrits séparément. Les quantités tolérées pour les produits de combustion des foyers sont limitées par le principe de la protection contre les émissions et ses ordonnances. Par exemple, les produits de combustion rejetés par une chaudière à combustible liquide doivent avoir un degré de noircissement compris entre 1 et 2. Méthode de comparaison des panaches de fumée : la charte de Ringelmann avec 6 grilles carrées sur un fond blanc : n° 0 (blanc), n° 5 (noir). La méthode de comparaison se fait de façon optique. Les installations de chauffage nécessitent une surveillance pour éviter que l’échelle de gris 2 ne soit dépassée.

301

1 DONNÉES DE BASE

-2

1.6 • Principales techniques de mesure

1.6.10 Appareils de mesures divers

Pour effectuer des mesures rapides, il existe des appareils de contrôle automatique fonctionnant avec l’électricité et indiquent simultanément les valeurs des températures.

-4

Sonomètre

Le sonomètre sert à mesurer le niveau de pression acoustique dans un local. Il se compose d’un microphone, d’un amplificateur avec un commutateur de changement de gamme, et d’un instrument de mesure, qui donne les valeurs en dB (décibel).

Fig. 1.6.10-2 : Appareil pour mesurer le niveau sonore avec un analyseur en bandes d’octaves.

Un sonomètre doit d’une part prendre en compte l’impression auditive de l’oreille humaine, et d’autre part fournir des indications de mesures objectives et reproductibles. Toutes les caractéristiques importantes de ces mesures sont définies par des normes, y compris la tolérance de mesure. On se reporte en particulier à DIN EN 60651:2003-10, et, pour les appareils de mesure intégrés, à DIN EN 60804:1994-05. La pression acoustique mesurée physiquement est exprimée en dB, selon la définition du niveau de pression acoustique. Les bruits industriels se composent de nombreux sons isolés dont les fréquences sont différentes. Les gammes de fréquences propres à chaque son sont réunies sur des bandes de fréquences. Selon le type de répartition des fréquences, on distingue les bandes d’octaves et les bandes de tiers d’octave (octave = relation des fréquences 1 : 2, un octave = 3 tiers d’octave). Les appareils sont munis de filtres à largeur de bande d’octave ou de tiers d’octave. Fréquence (Hz) Courbe A (dB) Courbe C (dB)

Fig. 1.6.10-3 : Courbe d’évaluation du sonomètre (DIN EN 60651:2003-10).

L’oreille humaine n’est pas également sensible à toutes les fréquences (comparaison fig. 1.5.4-3). C’est pourquoi les sonomètres disposent en général d’une pondération de fréquence. D’après les normes internationales, on distingue trois courbes de pondération A, B et C. Aujourd’hui, seule la courbe A est utilisée (fig. 1.6.10-3). Quand le sonomètre donne la valeur moyenne de toutes les bandes de fréquence d’après la pondération, on a alors la valeur A en dB ou la valeur C en dB. La valeur moyenne de chaque bande de fréquence donnée sans pondération est désignée comme le niveau de pression acoustique linéaire. Lors de l’analyse de fréquence, le niveau de pression acoustique des fréquences moyennes d’octaves ou de tierces est indiqué sans pondération. Pour évaluer des mesures de protection contre le bruit, il faut absolument prendre en compte le spectre de fréquence.

-5

Mesure de la poussière1

Il n’existe pas de méthode homogène pour déceler les paramètres physiques ou chimiques des polluants contenus dans l’air, car leur nombre, la dimension, le type, etc., sont variables. 1 Il est toutefois possible de mesurer : – le volume de particules (concentration de la poussière) en mg/m3 ou en cm3/m3 ; – le nombre de particules de poussière en particules/m3 ; – la dimension des particules en μ m (= 0, 001 mm ). 1. VDI 2265:1980-10 : Conditions de poussière sur le lieu de travail. VDI 2066-1:1975-10, VDI 2066-3:1994-01, VDI 2066-2:1993-12 et VDI 2066-4:1989-01

302

1.6.10 Appareils de mesures divers

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Le type de poussière peut se définir suivant sa provenance, sa composition chimique, etc. Les appareils de mesure étant de conception très diversifiée, les résultats des mesures ne peuvent toutefois pas toujours être convertis d’une méthode à l’autre. Voir paragraphe 3.3.3 page 1068. La mesure de la quantité de poussière s’effectue avec ou sans séparation des particules. Cellule de numération de la poussière Un échantillon d’air prélevé est contenu dans une cellule d’une contenance d’environ 5 cm 3 ; les particules se déposant sur la lame sont dénombrées au microscope. Conimètre De l’air est soufflé à grand vitesse à travers une buse sur un plateau adhésif (appareil à impact) ; on compte ensuite les particules de poussière qui y adhèrent (usine de Sartorius, Göttingen.) Modèle similaire avec bon nombre de buses et de plateaux adhésifs (échantillonneur Andersen, Casella). Filtrage Une certaine quantité d’air mesurée par un compteur à gaz est aspirée à travers un filtre et du papier, du coton, ou toute autre matière similaire. On compte et on pèse les particules de poussière. La mesure s’effectue par comptage au microscope ou de façon gravimétrique (Dräger entre autres). Précipitateur thermique L’air circule dans un tube étroit portant en son centre un fil-électrode à courant continu d’environ 1 000 V, autour duquel se crée une zone sans poussière. La poussière se dépose sur les deux lames de verre. Comptage au microscope jusqu’à un calibre d’environ 0,1 μm (sociétés Auer, Berlin et Sartorius, Göttingen). Test de coloration Un courant d’air brut et un courant d’air pur sont aspirés à travers un papier filtre blanc. Le degré de coloration des deux papiers est déterminé à partir d’une mesure optique (DIN EN 779:2003-05). Lumière diffusée – Compteur de particules L’air à analyser est aspiré dans une chambre de mesure fortement éclairée, dans laquelle la lumière diffusée par les particules de poussière est transformée en une impulsion de courant et est mesurée. La plus petite dimension mesurable est de l’ordre de 0, 3 μm. Absorption des rayons β De la poussière de fine granulométrie est déposée sur une plaque à impact en polyester. La variation de l’absorption des rayons β consécutive au dépôt de poussière permet une mesure rapide à l’aide d’un appareil manuel. La concentration de poussière est directement indiquée. Principe du cristal oscillateur De la poussière de fine granulométrie est déposée électrostatiquement et par impact sur un cristal oscillateur, ce qui en modifie la fréquence fondamentale. Le changement de fréquence est proportionnel à la quantité de poussière déposée. Indication en mg/m3, temps de mesure de 24 à 120 secondes. Échelle de mesure 0,01 à 10 mg/m3. Elutriateur vertical Préfractionnateur de forme cylindrique (chambre de stabilisation) qui sert à séparer de la poussière globale une proportion de particules non respirables supérieures à 15 μm, de façon à ce qu’ensuite, seule la poussière respirable soit collectée dans la deuxième chambre de mesure. Gravikon VC 25. Filtre à membrane avec séparation des poussières de fine et forte granulométrie (fig. 1.6.10-4). La poussière de forte granulométrie adhère dans la zone n° 1 ou alors rebondit en zone n° 3. La poussière de fine granulométrie se dépose dans la zone de mesure n° 2. Air chargé en poussière Buse d’admission Chambre de classement Filtre à membrane Support du filtre Vers turbine d’aspiration

Fig. 1.6.10-4 : Gravikon VC 25 pour mesurer par séparation la poussière de fine et de forte granulométrie (association professionnelle, Institut pour la sécurité sur le lieu de travail).

303

1 DONNÉES DE BASE

1.6 • Principales techniques de mesure

1.6.10 Appareils de mesures divers

1.6 • Principales techniques de mesure

Le comptage de particules revêt une importance toute particulière dans les salles blanches aménagées dans certaines branches industrielles, spécialement pour la fabrication de pièces extrêmement sensibles aux poussières. Mesure des poussières au microscope (  1 μm). Microscope électronique ou compteur de particules selon la méthode de la lumière diffusée (jusqu’à ≈ 0,1 μm).

-6

Analyseurs de gaz

Il existe plusieurs méthodes pour mesurer des quantités de gaz infimes (traces) dans l’air ou dans les gaz d’échappement. Voir paragraphe 1.6.8 page 294. La plupart des appareils reposent sur la physique en déterminant dans un mélange la concentration d’un composant à partir de ses caractéristiques physiques. a) Analyseurs à infrarouge Ils tirent parti des capacités d’absorption diversifiées des rayons infrarouges que présentent les gaz polyatomiques. Chaque gaz absorbe une gamme d’ondes particulière. Le rayonnement produit par une source de rayons infrarouges traverse deux récipients contenant l’air à mesurer, ou de l’azote inactif. Un récepteur de rayonnement approprié mesure les changements de température et de pression. (Voir VDI 2455-1:1970-08, VDI 2455-2:1970-10, VDI 2459-1:2000-12 et VDI 2459-6:1980-11.) Domaine de mesure pour le CO : 0… 0,01 Vol.- %. b) Analyseurs par ionisation Ils fonctionnent de façon à ce que le composant de gaz à détecter soit ionisé dans une chambre de mesure par une préparation radioactive α et que le flux ionique, une fois renforcé, soit dirigé vers l’indicateur. c) Analyseurs de la chaleur de réaction Ils sont utilisés pour les gaz combustibles (CO, H 2). La combustion catalytique engendre une hausse de la température, qui est mesurée. Exemple : les systèmes d’alarme pour le CO dans les garages. Fonctionnement : voir fig. 1.6.10-5. L’air aspiré est porté dans une cuve à haute température, processus au cours duquel le CO se transforme par catalyse en CO 2. L’augmentation de température additionnelle est mesurée à l’aide d’une thermopile. Schéma d’un système d’alarme pour le CO 2 figure 4.6.10-2 page 1681. Rhéomètre

Commande de chauffage Air

Gaz

Fil pilote

Pompe Filtre

Fig. 1.6.10-5 : Schéma d’un appareil détecteur de CO (Dräger). 1 = chambre de combustion 2 = paroi chauffante 3 = thermopile

Fig. 1.6.10-6 : Principe de l’analyse des gaz par conductibilité thermique.

d) Analyseurs de la conductivité thermique Ils sont utilisés lorsque la conductivité thermique du gaz à mesurer est mesurable par rapport à un gaz de référence. Plus la conductivité du gaz est faible, plus les fils chauffés électriquement montent en température. Exemples d’application : H 2 ou CO2 dans l’air, surveillance de la couche d’ozone, concentration, entre autres, des agents de gazéification. Particulièrement utilisés pour mesurer la teneur en dioxyde de soufre de l’air. Quatre fils de résistance dépendants de la température sont montés en pont de Wheatstone, dont la non-résonance correspond à la proportion de gaz à mesurer (fig. 1.6.10-6). e) Méthode paramagnétique Ce procédé sert à mesurer le O2. L’O2 est paramagnétique, c’est-à-dire qu’il est attiré par les aimants. Dans une chambre de mesure avec aimants naît du mouvement de l’O 2 un « vent magnétique », qui refroidit plus ou moins le filament de référence. Très important pour les gaz de combustion, car une variation de 1 % du CO2 équivaut à un changement d’environ 1 % de l’O 2. f) Analyseurs à tube réactif 1 Avec ce procédé et dans le cadre d’analyses individuelles, une quantité précise d’un mélange de gaz est aspirée à l’aide d’une pompe à soufflet par un tube réactif contenant un agent chimique blanc, spécifique 1. Eickeler, E. : Ges.-Ing. 3/88. Voir 121 ff. et CCI 4/89. Voir 63/64.

304

1.6.10 Appareils de mesures divers

au gaz à déterminer, qui se colore en fonction de la concentration. À utiliser pour le CO, CO 2, SO2, NO, NO2, l’ozone, le formaldéhyde et d’autres gaz (Dräger). Marge d’erreur ±1%. g) Chromatographie en phase gazeuse Méthode d’analyse pour déterminer les faibles concentrations des substances organiques volatiles. Repose sur leurs différentes réactions à l’adsorption. Les substances sont séparées dans une colonne remplie d’adsorbant et quantifiées par un détecteur connecté en aval. Précision de la mesure ±10% . Utilisée notamment pour mesurer la pollution des habitations (voir VDI 3875:1996-12). h) Mesure de la teneur en CO2 de l’air Dans le cadre des efforts fournis pour améliorer la qualité de l’air dans les pièces ventilées, mesurer la teneur en CO2 devient la condition sine qua non pour vérifier cette qualité. Les appareils sont également utilisés pour réguler le taux de renouvellement d’air neuf 1. Méthode de mesure : spectroscopie à infrarouge (précision d’environ ±2%) ou bien utilisation de capteurs électrochimiques (précision d’environ ±10% ). Mesure sélective du CO2. i) Mesure des composés organiques volatiles dans l’air. Pour tester la qualité de l’air, tant en intérieur qu’en extérieur, il est également possible, en dehors du CO2, de mesurer la concentration des composés organiques volatiles, tels que l’alcool, les phénols, les aldéhydes, les cétones, les hydrocarbures aromatisés, le formaldéhyde, la fumée de tabac, les benzènes. On utilise des capteurs de gaz mixtes réalisés en bioxyde d’étain, qui sont chauffés dans l’appareil de mesure, et dont la conductivité électrique varie en fonction de la concentration du gaz mixte en composés organiques volatiles. Le signal de sortie augmente avec la hausse de la concentration. La limite de détection est inférieure à 0,05 ppm. j) Mesure de la concentration d’hydrocarbures dans l’air Pour mesurer la concentration d’hydrocarbures dans l’air rejeté et l’air ambiant des locaux des bâtiments industriels (comme les imprimeries, les fonderies ou sur les lieux de fabrication du polystyrène expansé), on utilise un détecteur d’ionisation à flamme (appareil FID). Cet appareil utilise à titre de mesure l’ionisation d’atomes de carbone combinés organiquement dans une flamme d’hydrogène (VDI 3481-1:1975-08). Le courant d’ionisation apparaissant alors dans un champ électrique est amplifié électriquement et signalé ; il est proportionnel au nombre d’atomes de carbone combinés organiquement et présents dans l’échantillon d’air. La concentration de carbone total obtenue est en ppm. La limite de détection est d’environ 0,1-0,2 ppm C ges.

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-7

Mesure de la radioactivité de l’air

Les appareils conçus pour contrôler la radioactivité se composent en principe d’une unité de détection et d’une unité de mesure. L’unité de détection comprend entre autres un tube compteur par tâche et des scintillateurs. L’unité de mesure comprend entre autres des instruments tels qu’un amplificateur, un mesureur de fréquence des impulsions, un dispositif de contrôle du niveau ainsi qu’un enregistreur. Les principaux détecteurs sont : Les chambres d’ionisation. L’exposition d’un volume de gaz à un rayonnement radioactif permet d’ioniser partiellement le gaz. La charge qui en résulte correspond a l’intensité du rayonnement. Les tubes compteurs (Geiger et Müller). Les ions et électrons nés de l’apparition de rayons nucléaires suscitent un courant que l’on mesure dans un système coaxial à électrodes maintenu dans un mélange gazeux. Les scintillomètres reposent sur le fait que l’impact des rayons radioactifs sur certaines substances provoque des phénomènes lumineux. Les dosifilms. L’impact des rayons sur certains films entraîne un noircissement, lequel est mesuré.

-8

Mesure de la conductibilité

Les appareils utilisés pour mesurer la conductibilité servent entre autres à contrôler la salinité des solutions, comme c’est le cas pour les chaudières, les centrales électriques, les humidificateurs, les sucreries et les papeteries. Mesures en S/cm (Siemens par cm). Les valeurs de mesure diffèrent selon les sels. Pour un sel donné, la conductibilité est proportionnelle à la concentration (fig. 1.6.10-7) et varie avec la température. La méthode de mesure requiert une électrode double baignant dans le liquide. Le calibrage des appareils se fait en μS/cm ou directement en mg de sel/l ; on choisit le NaCl comme sel de conductibilité de référence. 1 mg NaCl/l = 2 μS/cm à 20 °C. Schéma de principe fig. 1.6.10-8.

1. Möbius, G. : XXII. Congrès International TGA 1988 Berlin, Rapport voir 133/5.

305

1 DONNÉES DE BASE

1.6 • Principales techniques de mesure

1.6.10 Appareils de mesures divers

1.6 • Principales techniques de mesure

-9

Mesure du renouvellement d’air

Il est possible de déterminer le renouvellement na de l’air extérieur à l’aide de gaz traceurs, soit :

nd =

VR

Conductibilité μS/cm

VA = débit-volume de l’air extérieur VR = volume de la pièce

VA

Électrodes

Thermomètre à résistance électrique

Fig. 1.6.10-7 : Variation de la conductibilité de différents sels en solution aqueuse en fonction de la concentration et pour une température donnée.

Fig. 1.6.10-8 : Montage de mesure à compensation de température pour déterminer la salinité.

Les gaz traceurs ne doivent pas être toxiques, être chimiquement inactifs, et ne pas pouvoir être adsorbés à la surface des bâtiments. On utilise par exemple du SF6 (hexafluorure de soufre), du N 2O (protoxyde d’azote) ou du CO2. Avec la méthode dite de « diminution », le gaz traceur est réparti uniformément dans la chambre avant le début des mesures (éventuellement à l’aide d’un ventilateur additionnel de circulation). Puis on mesure l’évolution temporaire de la concentration cab (t) dans l’air évacué. Avec la concentration cz de l’air extérieur qui pénètre dans la chambre (cZ doit être constant, souvent cz = 0) et la concentration de départ c0 on obtient : c −c nd = ∞ 0 Z ∫ (cab − cZ ) dt 0

Dans le cas le plus simple, soit cZ = 0 et une ventilation mixte intégrale de la chambre, baisse exponentielle de la concentration, soit :

cab = c0 ⋅ e − na ⋅ t d’où :

1n nd =

c0

cab ( t1 ) t1

t1 = moment de la mesure choisi arbitrairement. Si la chambre présente une circulation mixte suffisante (c’est-à-dire sans formation notoire de couches), on peut également mesurer l’évolution de la concentration dans la pièce. Mesurer le renouvellement de l’air extérieur dans le cas d’une ventilation naturelle avec un air extrait non défini est donc aussi possible. La concentration des gaz traceurs se fait le plus souvent à l’aide d’analyseurs à infrarouges, ponctuellement aussi à l’aide d’un chromatographe pour phase gazeuse. Il est également possible d’effectuer des prélèvements discontinus d’échantillons de gaz à l’aide de tubes réactifs à différents moments, et de les analyser ultérieurement.

306

1.6.10 Appareils de mesures divers

1.6 • Principales techniques de mesure

-10 Appareils de mesure combinés

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Fig. 1.6.10-9 : Coffret universel à piles pour mesurer température, humidité, pression, vitesse, CO, tension électrique (Testoterm).

307

1 DONNÉES DE BASE

Les appareils de mesure combinés sont particulièrement pratiques pour effectuer des mesures sur des chantiers, notamment lors de contrôles de réception d’installations de chauffage et de climatisation. La fig. 1.6.10-9 montre un coffret universel de mesure à piles. L’appareil de base est conçu pour mesurer la température avec thermocouple NiCr-Ni (plage – 40 à 1 300 °C) et doté de modules à fiches pour parfaire la mesure : – humidité, plage : 2… 98 % d’humidité relative ; – vitesse de l’air avec rotor, plage : 0,4… 40 m/s ; – déprimomètre, plage : ±20 ou ±200 mbar (2 000 ou 20 000 Pa) ; – teneur en CO du gaz d’échappement, plage : 0… 2 000 ppm ; – tension en mV pour détecteur de flammes du thermocouple en cas de chauffage au gaz, plage : ±200 mV.

1.7 • BASES TECHNIQUES DE RÉGULATION1

D

Compléments du Dr Dieter Pfannstiel, ingénieur à Breitenbach a. H.

1.7.1 Notions de base2 Pour les installations automatisées, les grandeurs techniques sont partiellement réglées et/ou commandées, d’où distinction entre commande et régulation. 2

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-1

Réglage automatique

DIN 19226 définit un réglage automatique comme suit : « Le réglage automatique est un procédé dans un système, au cours duquel une ou plusieurs grandeurs, en tant que grandeurs d’entrée, influencent d’autres grandeurs, en tant que grandeurs de sortie, en fonction de la normalisation propre au système. Le réglage est caractérisé par la courbe d’efficacité ouverte sur l’organe de transmission ou la chaîne de commande. On donne comme exemple le réglage automatique de la température d’une pièce d’habitation (fig. 1.7.1-1), dans laquelle se trouve un radiateur ; on utilise un organe de commande pour le réglage de la température (fig. 1.7.1-2). L’organe de commande est chargé de régler le mélangeur en fonction de la température extérieure, de telle manière que la température Sonde ambiante souhaitée soit obtenue. Toutes les influences de température qui conduisent à un écart de la température ambiante extérieure par rapport à la valeur de consigne réglée sont appelées grandeurs de perturbation. Les grandeurs de Radiateur perturbation, comme l’ouverture d’une fenêtre (z1), les personnes présentes dans la pièce (z2) ou le rayonMoteur nement solaire (z3), conduisent à une modification de la température ambiante, mais ne sont pas enregistrées par la commande, qui ne tient compte que d’une modification de la température extérieure (= grandeur de Mélangeur Organe de commande perturbation z4). Lors d’un réglage, la transmission du signal s’effectue uniquement dans une direction, et on d’un réglage automatique parle donc d’une courbe d’efficacité ouverte ou d’une Fig. 1.7.1-1 : Schéma de température ambiante (boucle chaîne d’efficacité ouverte. Dans la technique de réguouverte). lation, ce rapport est présenté à l’aide d’un ordinogramme (schéma fonctionnel). À l’intérieur de l’ordinogramme, chaque élément possède une grandeur d’entrée et de sortie. Pour un radiateur par exemple, la grandeur d’entrée est la température aller, et la grandeur de sortie est la chaleur émise dans la pièce.

1. Nouvelle ébauche du Dr. Dieter Pfannstiel, ingénieur à Breitenbach a. H., pour la 71e édition. 2. DIN 19226-1 à DIN 19226-6 : Technique de régulation et technique de commande. Knabe, G. : Automatisation dans le bâtiment, Berlin, Munich 1992. Oppelt, W. : Petit manuel des procédés techniques de régulation, Weinheim 1972. VDI/VDE 3525-1 : Régulation des installations de traitement d’air ; Bases Weber, D. : Technique de régulation, Ehningen 1993.

309

DONNÉES DE BASE

1 Le fondement des processus automatisés ou de la technique d’automatisation moderne est la technique de régulation et de commande, mais aussi le traitement des données de processus. La technique de régulation est un domaine spécialisé très méthodique. Ainsi, l’utilisation de méthodes techniques de régulation dépend très peu du cas d’application du moment. Les problèmes à résoudre sont toujours très semblables ; ils apparaissent non seulement dans les systèmes techniques, mais aussi dans les systèmes dynamiques non techniques. L’interprétation technique de la régulation peut être utilisée pour différents types de problèmes, mais aussi pour la description d’un grand nombre de normalisations.

1.7.1 Notions de base

1.7 • Bases techniques de régulation

L’exemple « réglage automatique de la température ambiante » montre que la température ambiante, qui s’adapte lors d’une commande en fonction de la température extérieure, dépend notamment de l’organe de commande et que les grandeurs de perturbation inconnues z1, z2 et z3 ne peuvent être compensées sans régulation. Réglage du mélangeur

xAT

y

Organe de commande Moteur

Mélangeur

xAT : Température extérieure x : Température ambiante y : Grandeur de réglage

z1 z2 z3 z4

Température de chauffage aller

Émission de chaleur

x

Radiateur

Pièce

z1 : Ventilation z2 : Personnes présentes dans la pièce z3 : Rayonnement solaire z4 : Température extérieure

-2

Fig. 1.7.1-2 : Ordinogramme du réglage automatique de la température ambiante.

Régulation

DIN 19226 définit la régulation comme suit : « La régulation est un processus au cours duquel une grandeur, la grandeur à régler (grandeur réglée), mesurée en continu, est comparée à une autre grandeur, la grandeur de référence, et est maintenue égale à cette grandeur de référence. La courbe d’efficacité en résultant s’opère dans une boucle fermée, la boucle de régulation ». Sur la fig. 1.7.1-1, la sonde de température extérieure est remplacée par une sonde de température ambiante, et le réglage automatique par un régulateur ; on obtient ainsi une régulation de la température ambiante (fig. 1.7.1-3). Lors d’une régulation de la température ambiante, la grandeur à régler est la température ambiante (= grandeur réglée x). Elle est constamment mesurée et comparée à la valeur de consigne réglée de la température ambiante (= grandeur de référence Sonde de température w). Lorsque la température ambiante mesurée diverge de la ambiante Z4 valeur de consigne réglée, le mélangeur (grandeur réglante y) Z3 Z1 est réglé par le régulateur. C’est ainsi que se modifie la température de chauffage aller et, par conséquent, la tempéRadiateur Z2 rature ambiante en fonction de l’émission de chaleur du radiaValeur de consigne de la teur. Ce processus est répété par le régulateur tant que la température ambiante Moteur température ambiante mesurée ne correspondra pas à nouveau à la valeur de consigne réglée. Les grandeurs de perturbation, comme l’ouverture d’une fenêtre (z1), les personnes présentes dans la pièce (z2), le rayonnement solaire (z3) ou le changeRégulateur Mélangeur ment de la température extérieure (z4), entraînent une modification de la température ambiante. Ces grandeurs sont Fig. 1.7.1-3 : Schéma de régulation enregistrées et réglées à la perfection par l’intermédiaire de la de la température ambiante sonde de température ambiante (fig. 1.7.1-4). (boucle fermée). Le but d’une régulation est d’adapter le plus rapidement possible une grandeur physiquement déterminée (grandeur réglée) dans une installation à une valeur de consigne fixe, et de la maintenir la plus exacte et la plus stable possible par rapport à cette valeur, sans que les perturbations agissant sur le système régulé ne soient trop influentes. Une telle régulation est appelée régulation de valeur fixe, ou régulation de grandeur de perturbation (w = constante). On peut citer ici comme exemple la régulation de la température de l’eau sanitaire.

Réglage du mélangeur

w

e

Régulateur

y

Moteur

Température de chauffage aller

Mélangeur

z z z z Émission 1 2 3 4 de chaleur

Radiateur

Pièce

x

Sonde de température ambiante

w

310

valeur de consigne de la température ambiante température ambiante

z1

ventilation

x

z2

personnes présentes dans la pièce

e

différence de réglage

z3

rayonnement solaire

y

grandeur de réglage

z4

température extérieure

Fig. 1.7.1-4 : Ordinogramme de régulation de la température ambiante.

1.7.2 Systèmes régulés

Parfois, la grandeur réglée d’un processus doit s’ajuster le plus possible aux valeurs de consignes qui varient. Ce type de régulation est appelé régulation pilote ou régulation asservie, voire régulation poursuite (par exemple w = f (temps). Exemple : valeur de consigne pour la température ambiante en fonction d’un interrupteur horaire ou modification de la valeur de consigne de la régulation de la température aller, voire de celle de la chaudière, en fonction de la température extérieure. Un autre type de régulation est également la régulation de la valeur finale, au cours de laquelle une valeur finale définie doit être atteinte le plus rapidement possible. Exemple : optimisation de mise en marche et de mise hors marche pendant la régulation de la température ambiante. Pour la régulation de la valeur extrême (optimisation), une valeur extrême inconnue doit être atteinte et réglée, et grâce à la régulation d’adaptation, le comportement dynamique et statique s’adapte automatiquement au système régulé. Pendant la régulation, en plus de la grandeur réglée x, Équipement de régulation des grandeurs de réglage auxiliaires xh peuvent être Régulateur prises en compte en tant que grandeurs complémentaires, lesquelles agissent sur le régulateur en plus de la x e w Organe Système Régulateur de réglage régulé grandeur réglée x ; exemple : régulation de la température aller avec adjonction d’une sonde additionnelle de la température ambiante comme grandeur de Convertisseur Sonde réglage auxiliaire (= régulation avec grandeur de de mesure de mesure réglage auxiliaire). La régulation en cascade est un cas Chaîne de mesure particulier de procédé de régulation avec grandeur de réglage auxiliaire. Dans ce cas, une régulation en Fig. 1.7.1-5 : Schéma de principe d’une boucle de cascade a déjà lieu avec la grandeur de réglage auxirégulation avec ses composantes. liaire, et la valeur de consigne pour la boucle de régulation en cascade est donnée par le régulateur principal. Lorsqu’une perturbation est directement mesurable, celle-ci peut également être directement compensée par un organe de commande du régulateur et une compensation de perturbation peut ainsi être réalisée. Exemple : enregistrement du débit lorsqu’on tire de l’eau chaude dans un chauffe-eau instantané. Une boucle de régulation classique est composée de 4 éléments : le régulateur, l’organe de réglage, le système régulé, et la chaîne de mesure (= sonde de mesure et convertisseur de mesure). Le régulateur et l’organe de réglage regroupent communément les équipements de régulation, et l’organe de mesure est attribué au système régulé (fig. 1.7.1-5). Le fournisseur du régulateur, le fabricant de matériel et l’installateur se partagent la plupart du temps la mise en place d’une régulation ; les liaisons entre le système régulé et l’équipement de régulation n’existent pas toujours. La plupart du temps, ce qu’on appelle l’organe de réglage (commande de réglage et vanne de réglage) est fourni par le fournisseur du régulateur ou le fabricant du matériel. Les pompes, les ventilateurs et les brûleurs peuvent également servir d’organes de réglage à une boucle de régulation. Symboles et lettres de la technique MSR, voir paragraphe 2.1.2 page 470.

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1.7.2 Systèmes régulés1 Le système régulé commence au point de réglage et se termine au point de mesure (vu sur le schéma de principe, fig. 1.7.1-5). Une bonne connaissance des systèmes régulés est une condition préalable de base pour une régulation optimale. Un facteur important pour toutes les boucles de régulation est la façon dont le régulateur, en cas d’écart de la grandeur réglée par rapport à la valeur de consigne (= écart de la valeur de consigne), est enclenché par une modification de la valeur de consigne ou par une perturbation : il doit intervenir, par exemple rapidement ou lentement, fortement ou faiblement. Ceci dépend des propriétés techniques de régulation du système régulé, dont on connaît avec exactitude le comportement statique et dynamique (en fonction du temps) des différents éléments (organes). 1

-1

Comportement statique des systèmes régulés (courbes caractéristiques)

Lorsque l’on observe le rapport entre la grandeur d’entrée et la grandeur de sortie d’un organe du système régulé pour plusieurs valeurs intermédiaires en régime permanent, on obtient alors la courbe caractéristique statique décrivant le comportement statique de cet organe particulier du système régulé. La fig. 1.7.2-1 présente la courbe caractéristique statique d’un corps de chauffe ou d’un échangeur de chaleur. La courbe caractéristique est fortement incurvée, donc non linéaire, ce qui signifie qu’une même variation du débit pour différents points de fonctionnement provoque différentes variations de l’émission de chaleur. En début de courbe, une variation du débit Δy provoque une variation importante

1. Isermann, R. : Identification des systèmes dynamiques, Berlin, 1988. Oppelt, W. : Petit manuel des procédés techniques de régulation, Weinheim, 1972.

311

1 DONNÉES DE BASE

1.7 • Bases techniques de régulation

1.7.2 Systèmes régulés

1.7 • Bases techniques de régulation

Débit

Linéaire

À pourcentage égal Débit

Ouverture

Émission calorifique

Émission calorifique

de l’émission de chaleur, puis, dans la zone supérieure de la courbe caractéristique, n’en produit plus qu’une faible. Les courbes caractéristiques non linéaires posent un problème général dans le cas d’une régulation linéaire, et doivent donc être prises en compte. La fig. 1.7.2-2 présente les courbes caractéristiques de base de vannes en cas de chute de pression persistante ; ces courbes représentent donc la dépendance du débit par rapport à l’ouverture de vanne. Selon la forme d’une vanne, en sabot ou conique, on obtient les deux types de courbes caractéristiques de vannes les plus utilisées : linéaires ou à égal pourcentage. Pour un corps de chauffe, si on veut obtenir une caractéristique linéaire entre l’ouverture de la vanne et l’émission calorifique, il faut placer la vanne de réglage en amont du corps de chauffe, de telle manière que l’incurvation de sa courbe caractéristique soit opposée (inverse) à celle du corps de chauffe ; le but est donc d’avoir une courbe caractéristique de la vanne la plus proche possible d’une courbe à pourcentage égal. On obtient ainsi une courbe caractéristique résultant de la combinaison vanne de réglage/corps de chauffe presque linéaire (fig. 1.7.2-3), ce qui est la condition sine qua non pour pouvoir atteindre un comportement stable de la boucle de régulation, indépendant de la charge (indépendant du point de fonctionnement).

Ouverture

Fig. 1.7.2-1 : Courbe caractéristique Fig. 1.7.2-2 : Courbe caractéristique Fig. 1.7.2-3 : Courbe caractéristique statique d’échangeurs de base des vannes. résultant d’une combide chaleur. naison échangeur de chaleur + vanne.

On déduit de ces considérations la grandeur caractéristique du système régulé en régime permanent : c’est ce que l’on nomme le coefficient de transfert ou coefficient d’amplification K. En général, le coefficient d’amplification K d’un organe de boucle de régulation est défini comme suit : variation de la grandeur de sortie variation de la grandeur d’entrée Le coefficient d’amplification K décrit un véritable rapport proportionnel entre la grandeur d’entrée et de sortie de l’organe de la boucle de réglage, et ce comportement est décrit dans la technique de régulation comme comportement P (comportement à action proportionnelle). Le coefficient d’amplification K ne présente donc rien d’autre que l’inclinaison de la courbe caractéristique, c’est-à-dire que le coefficient d’amplification K est décrit par la tangente sur la courbe caractéristique. K=

Exemple Si la plage de réglage Yh correspond à une ouverture de vanne de 3 mm et si la variation de température correspondante est Xh = 12 K, alors le coefficient d’amplification K = 12 K/3 mm = 4 K/mm. Le coefficient d’amplification (inclinaison) est constant uniquement avec des courbes caractéristiques linéaires. Comme le montre la fig. 1.7.2-3, si K admet des valeurs différentes en fonction du point de fonctionnement (= ouverture de la vanne), il peut néanmoins être considéré comme presque constant. En cas de courbe caractéristique non linéaire sur la zone de régulation, l’inclinaison maximale de la courbe caractéristique du système régulé est importante pour la stabilité. Un système régulé non linéaire à l’extrême est donc difficile à régler avec un régulateur ayant des paramètres de régulation fixes. Solution : régulateur d’adaptation, géré de façon adaptative ou non linéaire.

-2

Comportement dynamique d’un système régulé (comportement transitoire)

Il s’agit du rapport entre le tracé temporel de la grandeur de sortie et le tracé temporel de la grandeur d’entrée du système régulé qui a déclenché le processus. Le procédé habituel pour classifier les systèmes régulés est d’établir la fonction de transition (réponse échelon). La fonction de transition est mesurée dans la boucle ouverte de régulation, c’est-à-dire quand le régulateur n’est pas en fonctionnement. Elle est évaluée la plupart du temps de façon expérimentale. Ainsi, à partir d’un état stationnaire (régime permanent) x0 de la grandeur réglée x à un moment quelconque t0, la grandeur réglante y est subitement réglée à Δy manuellement. Suite à ce réglage, la grandeur réglée x va se modifier et s’installer dans un nouveau régime permanent, s’il s’agit d’un système régulé « avec compensation ». Deux tracés typiques sont possibles, d’après lesquels on peut classifier les systèmes régulés :

312

1.7.2 Systèmes régulés

– Systèmes régulés avec compensation La grandeur réglée, après un certain temps, arrive dans un nouveau régime permanent (fig. 1.7.2-4a). – Systèmes régulés sans compensation La grandeur réglée ne trouve pas de nouveau régime stable et augmente de façon illimitée (fig. 1.7.2-4b). D’autres possibilités de description du comportement dynamique des systèmes régulés résident dans le fait que la grandeur d’entrée est réglée soit en fonction d’une rampe avec vitesse de balayage constante de la tension de sortie (= réponse de montée), soit selon une fonction (d’angle droit) d’impulsion (= réponse d’impulsion), soit en fonction d’une impulsion δ (= réponse par impulsion δ, voire fonction pondérale). Pour produire une fonction de réponse, un signal d’entrée sinusoïdal peut être utilisé. La grandeur de sortie va ensuite également effectuer des oscillations et se modifie en amplitude et en phase par rapport au signal d’entrée. Des signaux stochastiques comme les bruits à haute ou basse fréquence peuvent aussi être utilisés comme signal de stimulation pour le système régulé. a) Système régulé avec compensation

b) Système régulé sans compensation

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Fig. 1.7.2-4 : a) Système régulé avec compensation ; b) système régulé sans compensation.

-2.1 Systèmes régulés avec compensation On entend par système régulé avec compensation un système pour lequel la grandeur réglée tend vers une nouvelle valeur de régime en raison d’une modification de la grandeur réglante ou d’une perturbation. a) Organe de retardement d’ordre zéro (système régulé P) Les systèmes régulés sans retardement, c’est-à-dire les systèmes P sans retardement, sont ceux chez lesquels les grandeurs de sortie et d’entrée se distinguent à tout moment par un seul facteur constant, le coefficient d’amplification K. Pour les systèmes P, on utilise : x(t) = K ⋅ y(t) Exemple Le débit se modifie instantanément derrière une vanne (fig. 1.7.2-5). De même pour la température de mélange derrière une vanne mélangeuse. Pourtant, dans la pratique, il n’existe pas, à proprement parler, de véritable installation P sans retardement. La plupart du temps, il apparaît au moins un petit retard, souvent négligeable. Saut de la grandeur d’entrée

Système régulé

Réponse indicielle de la grandeur de sortie

Fig. 1.7.2-5 : Réponse indicielle d’un système régulé à débit.

b) Organe de retardement de premier ordre (système régulé PT 1) Pour les systèmes régulés courants, plusieurs retards peuvent agir. Une classification des systèmes à temporisation s’effectue grâce à la quantité d’organes de temporisation effectifs. Un organe de retardement de premier ordre (organe PT1) se compose donc d’un élément de temporisation (= élément de mémoire). La mémoire peut par exemple être une masse physique, remplie en fonction de la température.

313

1 DONNÉES DE BASE

1.7 • Bases techniques de régulation

1.7.2 Systèmes régulés

1.7 • Bases techniques de régulation

Exemple Température de l’air autour d’un réchauffeur d’air à vapeur sans condensat, dont la masse métallique produit un emmagasinement (de chaleur). La modification de la température de l’air s’obtient ici d’après une courbe exponentielle avec l’équation : t ⎛ − ⎞ Δ x (t ) = Δ y ⋅ K ⋅ ⎜ 1 − e T ⎟ ⎝ ⎠ Un organe PT1 est complètement décrit par le coefficient d’amplification K et la constante de temps T. La constante de temps T est donc la période pendant laquelle la grandeur réglée x se modifie en cas de maintien de la vitesse initiale sur l’ensemble du domaine x0. D’après la période t = T, 3T voire 5T, la fonction de transition a atteint 63,2 %, 95,0 % voire 99,3 % de la valeur Δx. Dans un cas linéaire, la constante de temps T est indépendante de l’envergure de la réponse indicielle, et constitue un paramètre de temps important. Afin d’évaluer la constante de temps T, la méthode de section de tangente peut être utilisée. On met à l’instant t0 la tangente sur la fonction de transfert, ainsi la section de tangente dans la ligne de valeur finale est déjà égale à la constante de temps T (fig. 1.7.2-6). Le coefficient d’amplification K s’obtient à partir de la différence entre la déviation finale et la valeur initiale x0, mais aussi de la hauteur de saut de la valeur d’entrée Δy :

K=

x ( ∞) − x 0

Δy

=

Δx Δy

Exemple Quelle augmentation de température Δv s’adapte dans un système régulé après t = 30 min en cas de demi-ouverture de la vanne (= 50 %), lorsque : Le coefficient d’amplification = 0,5 K/% et la constante de temps T = 15 min. 30 ⎛ − ⎞ Δv(t ) = 50 ⋅ 0, 5 ⎜ 1 − e 15 ⎟ = 21, 6 K ⎝ ⎠ Dans la pratique, en plus du système régulé, on trouve également souvent un autre type de retardement. Tandis que pour un véritable système PT1, une réaction a lieu sur une variation brusque d’entrée, sur ces systèmes, une certaine période s’écoule d’abord avant qu’il y ait une réaction du côté sortie. Cette période est dite temps mort Tt et un système régulé de premier ordre avec temps mort est dit système PT1-Tt (fig. 1.7.2-6).

Sonde Air

t

Fig. 1.7.2-6 : Réponse indicielle d’un système régulé de premier ordre avec ou sans temps mort Tt. T = constante de temps.

Organe de retardement de second ordre ou plus (systèmes régulés PT2 ou PTn) Dans les systèmes réels, plusieurs retards de temps sont souvent efficaces, lesquels sont la plupart du temps autonomes. On peut par exemple imaginer que le comportement dans le temps de l’amorçage du réglage ne dépend pas de la sonde de mesure. La fig. 1.7.2-1 présente le comportement dans le temps d’un organe PT2 (deux organes de retardement mis en marche l’un après l’autre). Dans la pratique, aucune division en deux organes de temps n’est possible, ou alors on ne peut mesurer par exemple que le comportement présenté dans la fig. 1.7.2-7 ; ainsi, une constante de temps de substitution peut être évaluée par le technicien de régulation. La réponse indicielle des systèmes avec plusieurs organes de retardement a en principe toujours la même structure. Il y a toujours un tracé en forme de S avec une tangente de départ horizontale et un point d’inflexion (fig. 1.7.2-7). Une possibilité très répandue pour décrire la réponse indicielle des organes de Sonde

Réservoir Réservoir

314

Fig. 1.7.2-7 : Réponse indicielle dans le cas d’un système de second ordre. Tu = temps de retard TG = temps de compensation

1.7.2 Systèmes régulés

retardement avec une classification ≥ 2 est l’indication du temps de retard Tu et du temps de compensation TG, lesquels sont obtenus à l’aide de la construction de la tangente d’inflexion et donc à l’aide des points d’intersection de la tangente d’inflexion avec la valeur d’entrée (la plupart du temps l’axe de temps) et la valeur de sortie (parallèle à l’axe de temps pour la valeur permanente). L’évaluation d’une courbe caractéristique (évaluation de paramètre) pour un organe de retardement de second ordre peut par exemple être effectuée comme suit : – approximation à l’aide d’un organe de retardement de premier ordre et avec temps mort ; – approximation à l’aide d’un organe de retardement de second ordre avec constantes de temps égales ; – approximation à l’aide d’un organe de retardement de second ordre avec constantes de temps inégales. En ce qui concerne la méthode d’évaluation de la courbe caractéristique, il existe des tableaux à partir desquels on peut déduire les constantes de temps correspondantes en fonction de Tu et TG. Pendant le temps de retard Tu, le régulateur ne reçoit pratiquement aucune information sur les modifications apportées dans le système à t = 0. Il peut seulement réagir plus tard, à l’instant Tu. Tu est donc un inconvénient pour la régulation. D’autre part, un résultat acceptable de régulation peut être atteint malgré Tu, lorsque la tangente d’inflexion augmente constamment et que TG est élevé (système réglé lent). La maniabilité des systèmes d’ordre élevé dépend donc du rapport

S = Tu /TG S désigne le degré de difficulté (fig. 1.7.2-8). Degré de difficulté S (= Tu/TG)

Capacité de réglage

< 0,1

Très facilement réglable

0,1 … 0,2

Facilement réglable

0,2 … 0,4

Encore réglable

0,4 … 0,8

Difficilement réglable

> 0,8

À peine réglable

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Fig. 1.7.2-8 : Capacité de réglage des systèmes régulés.

Une autre caractéristique de la fonction de transfert est la plage de réglage Xh du système, fréquemment appelé différentielle dynamique. Xh indique de combien la grandeur réglée se modifie lorsque la plage de réglage de l’organe final est couverte. La fig. 1.7.2-9 présente des valeurs type de paramètres pour des systèmes de chauffage régulés.

Exemple 1

2

3

Grandeur réglée x Système régulé

Temps de retard Tu

Temps de Degré compensation de difficulté TG S = Tu/TG

Plage de réglage Xh

Gain statique KS (levée en %)

Température ambiante 5 – 15 min

1 – 2,5 h

0,05 – 0,2

20 – 30 K

0,2 – 0,3 K/%

10 – 20 s

30 – 60 s

0,2 – 0,4

20 – 80 K

0,2 – 0,8 K/%

0,5 – 2 min

10 – 30 min

0,05 – 0,2

30 – 60 K

0,3 – 0,6 K/%

Température aller

Température de l’eau sanitaire

315

1 DONNÉES DE BASE

1.7 • Bases techniques de régulation

1.7.2 Systèmes régulés

1.7 • Bases techniques de régulation

4

5

6

7

Température de l’air soufflé 10 – 40 s

30 – 120 s

0,15 – 0,4

20 – 50 K

0,2 – 0,5 K/%

1 – 5 min

10 – 60 min

0,1 – 0,3

15 – 25 K

0,15 – 0,25 K/%

0,5 – 1,5 min

2 – 10 min

0,15 – 0,4

15 – 25 K

0,15 – 0,25 K/%

20 – 50 min

10 – 40 h

0,02 – 0,1

10 – 25 K

0,1 – 0,25 K/%

Température de l’air rejeté

Température de rosée

Désh. piscine

Fig. 1.7.2-9 : Principales caractéristiques de quelques systèmes régulés dans la technique de chauffage et d’aération.

-2.2 Systèmes régulés sans compensation On entend par système régulé sans compensation un système où la grandeur réglée augmente constamment, en raison d’une modification de la grandeur réglante ou d’une perturbation de la grandeur réglée finale, sans tendre vers une valeur finale fixe. Pour les systèmes régulés sans compensation, la grandeur réglée finale ne trouve pas de nouveau régime permanent ; elle augmente de façon illimitée. La montée caractérise ici la fonction de transfert qu’en génie climatique on appelle régulation à action intégrale. La fig. 1.7.2-10a présente la fonction de transfert d’un organe de réglage final à action différée, la fig. 1.7.2-10b celle d’un réseau I à action différée (réseau IT1). Un système régulé à action intégrale avec un temps mort TI, ou un facteur de correction du temps mort 1 y KI = a la fonction de transfert x (t ) = ⋅ t . TI TI Δx On obtient le paramètre T1 en mesurant la montée de la courbe en cas de modification brutale de y Δt avec la hauteur Δy : T1 =

Δy Δ x / Δt

Les valeurs TI et T1 analogiques au système I et au système PT1 se calculent ensuite à partir de la fonction de transfert d’un système à action intégrale différée. Exemples de systèmes régulés sans compensation : – Systèmes de régulation de niveau d’eau ; après ouverture d’une vanne d’alimentation en eau en cas d’écoulement constant ou bloqué, le niveau continue à monter jusqu’au débordement. – Un système régulé de température d’eau de chauffe avec écoulement de l’eau est un système régulé avec compensation. Sans écoulement d’eau, le système régulé de température d’eau de chauffe est un système régulé I sans compensation, car la chaleur produite n’est pas évacuée ; la température d’eau de chauffe augmente jusqu’à ce qu’elle réponde aux normes de sécurité de la régulation. a) Système régulé I

Δy = 1 X0

T1 t t0

316

Fig. 1.7.2-10a : Système régulé I.

1.7.3 Équipements de régulation

1.7 • Bases techniques de régulation b) Système régulé IT1 X

Δy = 1 T1

1

T1 T1

DONNÉES DE BASE

X0

T1 t

Fig. 1.7.2-10b : Système régulé IT1.

1.7.3 Équipements de régulation Compte tenu des difficultés à opérer une distinction claire entre la fonction de l’appareil et la fonction de base du réglage technique, il est souvent utile de structurer une boucle de régulation en seulement deux blocs. C’est ainsi qu’on distingue le système régulé qui, la plupart du temps, comporte également le dispositif de mesure, de l’équipement de régulation (fig. 1.7.1-5). L’équipement de régulation comprend donc le régulateur en tant que tel et souvent aussi l’actionneur. Il comporte les éléments nécessaires pour intervenir sur le système régulé. Ce sont principalement : – l’indicateur de la valeur de consigne (par exemple sur le régulateur ou un organe de commande, ou comme valeur de consigne variable sur une caractéristique de réglage automatique lors du réglage de la température aller par l’élaboration d’une courbe de chauffage ; – le comparateur ; – le régulateur (calcul du signal de réglage) ; – l’amplificateur, qui amplifie les variations de signal (l’amplification en soi de la puissance résulte la plupart du temps de l’amorçage du réglage) ; – l’amorçage du réglage au point de consigne.

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-1

Classification des équipements de régulation

DIN 19226 définit un régulateur comme suit : « Dans un équipement de régulation, un appareil peut être défini comme régulateur lorsqu’il réunit plusieurs fonctions de l’installation de régulation. Le régulateur doit toutefois comporter le comparateur, et au moins un autre élément principal, comme l’amplificateur ou le relais de temporisation. » Un régulateur a donc trois fonctions de base à remplir : – comparaison de la grandeur réglée et de la grandeur de consigne (également appelée comparaison de la valeur effective et de la valeur théorique) ; – émission du signal de réglage y avec des caractéristiques de transition appropriées y(t) = f(xd (t)) ; – amplification des signaux pour amorcer un organe de réglage (amplification de la puissance). La désignation d’un régulateur est tout d’abord fonction de la grandeur réglée : – régulateur de température, régulateur d’humidité, régulateur de pression, régulateur de débit, régulateur de quantités, etc. ; On peut utiliser comme signes descriptifs complémentaires : – suivant l’énergie auxiliaire : sans énergie auxiliaire, avec énergie auxiliaire (électrique, pneumatique, hydraulique) ; – suivant le comportement dans le temps du procédé de régulation : régulateur non progressif (régulateurs à deux échelons, régulateurs à plusieurs échelons), régulateur progressif (régulateurs P, PI, PID…). Le critère le plus important dans le choix d’un régulateur est son comportement dans le temps, qui doit être indépendant du type de grandeur réglée finale ainsi que de l’énergie. Afin de simplifier et en référence au langage professionnel, le mot « régulateur » est utilisé à la place de « équipement de régulation ».

-1.1 Régulateur sans énergie auxiliaire La majorité des régulateurs en service sont des régulateurs sans énergie auxiliaire. Ces appareils de régulation simples et bon marché suffisent à remplir bon nombre de fonctions de régulation n’exigeant pas

317

1.7 • Bases techniques de régulation

1.7.3 Équipements de régulation

une grande qualité de réglage. Les composantes des régulateurs sans énergie auxiliaire assurent en effet souvent plusieurs fonctions, comme la mesure, la comparaison ou le réglage. DIN 19226 définit le régulateur sans énergie auxiliaire comme suit : « L’appareil de régulation sans énergie auxiliaire fournit, grâce au détecteur, la puissance nécessaire au réglage de l’actionneur. » L’énergie nécessaire provient donc du processus régulant et aucune énergie supplémentaire n’est introduite sous une autre forme pour faire fonctionner l’appareil de régulation. Les régulateurs sans énergie auxiliaire n’ont besoin d’aucun préamplificateur ni d’énergie pour la production de grandeur réglée, notamment pour la commande de l’actionneur. Les exemples classiques de régulateurs sans énergie auxiliaire sont un thermostat (régulateur à deux étages) dans un chauffe-eau, un réfrigérateur, une chaudière (TR, TW, STB), un fer à repasser, une machine à café, etc. Avantages : – structure simple et robuste ; – détecteur de mesure, convertisseur de mesure, point de comparaison, régulateur et organe de réglage souvent réunis en une seule unité ; – prix bas en raison de la production en masse et du faible investissement ; – aucun approvisionnement supplémentaire en énergie ; – respect de quelques conditions de sécurité (thermostat de sécurité, indépendant de tout approvisionnement en énergie). Inconvénients : – uniquement pour des tâches spécifiques. Pas universel ; – paramètres et structures de régulation fixes (souvent seulement les régulateurs P) ; – peu de possibilités de réglage ; – adaptation ultérieure au système régulé souvent impossible ; – aucun signal standard.

-1.2 Régulateurs avec énergie auxiliaire Les régulateurs avec énergie auxiliaire puisent l’énergie dans un réseau dit « d’énergie auxiliaire » pour produire le signal de réglage dans la totalité de ses fonctions. Les appareils de mesure, de commande et de réglage ont besoin d’énergie pour produire, transmettre, transformer, enregistrer et traiter les signaux. Cette énergie peut être prélevée sur le système régulé ou le mécanisme de mesure, ou acheminée de l’extérieur. Cette énergie acheminée de l’extérieur vers les appareils est appelée « énergie auxiliaire », ce qui sous-entend essentiellement de l’énergie électrique, pneumatique ou hydraulique.

-2

Qualité de réglage des boucles de régulation

Un système de régulation a pour fonction de maintenir la grandeur réglée x le plus près possible d’une valeur donnée constante ou variable dans le temps, et de limiter au maximum l’influence de l’ampleur des perturbations, ce qui suppose que le circuit de régulation fermé soit stable. Il faut en outre exiger que le réglage parfait des perturbations ou l’adaptation à un réglage de la valeur de consigne, se fasse rapidement. De plus, il ne faut pas que les écarts passagers de la grandeur mesurée dépassent certaines limites. Ces deux exigences ne pouvant être satisfaites simultanément, il est donc nécessaire de trouver des compromis. Si on augmente par exemple l’atténuation, afin que le dépassement soit le plus petit possible, il en résulte obligatoirement un temps de réglage plus long. Un temps de réglage court suppose un dépassement plus important de la grandeur réglée. Les grandeurs définies à la fig. 1.7.3-1 peuvent servir à estimer les résultats de réglage (qualité de réglage). La qualité du réglage peut se résumer aux trois paramètres suivants : – durée initiale de réglage ; – durée totale de réglage ; – amplitude de dépassement maximale. La bande de tolérance dessinée sur la figure peut être choisie librement selon les exigences de l’exploitant de l’installation. En cas de comparaison, il faut aussi tenir compte de la valeur de discontinuité des perturbations, en indiquant en pourcentage l’amplitude de dépassement maximale. Pour un parcours apériodique, les durées initiale et totale de réglage sont équivalentes, et en cas de discontinuité, l’amplitude de dépassement maximale est égale à 0. Description des termes utilisés sur la fig. 1.7.3-1 : – L’écart de référence xw est la différence entre la grandeur réglée x et la grandeur de référence w : xw = x – w La valeur négative de l’écart de référence s’appelle différence de réglage xd : xd = – xw = w – x

318

1.7.3 Équipements de régulation

1.7 • Bases techniques de régulation

(t)

Amplitude de dépassement maximale Zone de tolérance

w Amplitude de dépassement minimale Zone de tolérance t Durée initiale de réglage Durée totale de réglage

Fig. 1.7.3-1 : Présentation des différents termes de régulation technique.

– La durée totale de réglage est le laps de temps qui commence lorsque la valeur de la grandeur réglée quitte, après discontinuité, une zone de tolérance fixée, et qui s’achève lorsque celle-ci pénètre durablement dans cette zone. – La durée initiale de réglage est le laps de temps qui commence lorsque la valeur de la grandeur réglée quitte, après discontinuité, une zone de tolérance fixée, et qui s’achève lorsqu’elle revient dans cette zone pour la première fois. – L’amplitude de dépassement maximale est la plus grande déviation passagère négative de la valeur théorique (x > w) entre régime stable et perturbation. – L’amplitude de dépassement minimale est la plus grande déviation passagère positive de la valeur théorique (x < w) entre régime stable et durée initiale de réglage.

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-3

Systèmes de régulation analogiques

Les systèmes conventionnels d’automatisation traitent des signaux analogiques dans des appareils câblés tels que commandes, régulateurs, comparateurs de valeurs numériques limites, commutateurs de sécurité, programmateurs ou indicateurs. Chacun de ces appareils ne peut exécuter normalement qu’une seule fonction. Il s’agit donc de structures plutôt décentralisées nécessitant des dépenses élevées pour le câblage. Après installation, le système est difficilement améliorable ou non évolutif, car une modification ou l’élargissement d’une fonction est lié la plupart du temps à un changement de matériel. La classification des modes de régulation est fonction de la grandeur de sortie du régulateur. On distingue ainsi trois groupes : – les régulateurs non progressifs ; – les régulateurs progressifs ; – les régulateurs quasi progressifs. Chacun de ces types de régulateurs se subdivise en régulateurs sans énergie auxiliaire et régulateurs avec énergie auxiliaire (voir paragraphe 1.7.3-1.1 page 317 et 1.7.3-1.2 page 318).

-3.1 Régulateurs non progressifs1 Les régulateurs non progressifs modifient leur grandeur de sortie par paliers. D’où l’appellation « régulateurs non progressifs » ou « régulateurs à étages ». Les régulateurs non progressifs se subdivisent suivant le nombre différent de leurs points de commutation. Il existe des régulateurs à deux points, à trois points ou à plusieurs points. Le comportement des points de commutation est décrit à l’aide de courbes caractéristiques.1 -3.1.1 Régulateurs à deux points

Ces régulateurs se composent d’un détecteur, d’un contacteur et d’un organe d’affichage de la valeur de consigne. Les sondes/ou détecteurs de température sont généralement soit des bilames, soit des soufflets remplis d’un fluide liquide (par exemple du pétrole) ou d’un fluide gazeux (par exemple du butane), ou encore des thermomètres à contact. 1. Hartmann, G. : Boucles de réglage avec régulateur à deux points. Édition technique VEB (1965). Pfannstiel, D. : Structure et fonctionnement des régulateurs d’adaptation à deux points. Parties I et II. Magazine MSR, Cahiers 3/4 et 5/6 (1991). Zeitz, K. H. : Régulation avec les régulateurs à deux et trois points. Munich. Édition Oldenbourg (1986).

319

DONNÉES DE BASE

1

1.7.3 Équipements de régulation

1.7 • Bases techniques de régulation

La fig. 1.7.3-2 montre les courbes caractéristiques d’un régulateur à deux points (a) sans et avec (b) hystérésis de commutation. On appelle hystérésis de commutation (ou tout simplement hystérésis) ou différence de commutation XSd la différence entre le point de déclenchement x2 et celui d’enclenchement x1. y

a) Régulateur à deux points sans hystérésis

y2

y1 x w y

b) Régulateur à deux points avec hystérésis

y2 Xsd y1 x X1

w

X2

Fig. 1.7.3-2 : Présentation des différents termes de régulation technique. a) Régulateur à deux points sans hystérésis. b) Régulateur à deux points avec hystérésis.

Un régulateur à deux points sans hystérésis se connecte exactement à la valeur de consigne prescrite w. L’organe de réglage ne peut prendre que deux positions, par exemple dans le cas d’un chauffage électrique, « marche » ou « arrêt », si bien que la grandeur réglée finale oscille constamment entre deux valeurs. Et dans le cas de petits écarts de la grandeur réglée x par rapport à la valeur de consigne, l’organe de réglage d’un régulateur à deux points sans hystérésis est constamment enclenché et déclenché. Un réglage avec un tel régulateur augmenterait sans doute l’exactitude du réglage, mais représenterait une contrainte certaine au niveau du système de commande. C’est pourquoi on utilise le régulateur à deux points avec hystérésis, qui, à l’inverse, fonctionne avec une grande différence de commutation/d’enclenchement, ce qui « ménage » sans doute l’organe de réglage, mais fausse le résultat de régulation. Des exemples de régulateurs à deux points sont les thermostats utilisés dans la technique de chauffage. Ces régulateurs à deux points sont des régulateurs sans énergie auxiliaire et on distingue en fonction de la fabrication le régulateur de température (TR), le contrôleur de température (TW) et le thermostat de sécurité (STB). Exemple Régulateur à deux points avec détecteur à tube capillaire (fig. 1.7.3-3). Le comportement de réglage correspondant dans la boucle de régulation est présenté à la fig. 1.7.3-4. Le principe du détecteur le plus fréquemment utilisé pour les thermostats en génie thermique est le détecteur à tube capillaire. Le vaste champ d’application du détecteur à tube capillaire repose sur le fait que le capillaire flexible permet un montage, quel que soit l’endroit, du détecteur et du dispositif de commutation, ce qui vaut par exemple pour le réglage du chauffage, où le dispositif de commutation est fixé dans le réglage et où le capillaire est bien placé afin relever la température. Détecteur, capillaire et boîtier de membrane constituent ainsi un système fermé qui comprend une substance dilatable. Les substances dilatables, pour détecteur à tube capillaire, les plus utilisés sont : – l’huile ; – les liaisons eau/alcool ; – les liaisons eau/acétone ; – les liaisons eau/glycol ; – les fluides sous forme de vapeur. De la montée en température du détecteur résulte l’augmentation du volume de fluide dilatable. Les modifications du volume du fluide dues à la température exercent la poussée requise sur une membrane. La membrane, à son tour, actionne le commutateur. Au milieu de la membrane se trouve le commutateur, qui agit sur le dispositif de commande. La poussée de la membrane nécessaire à la commutation dépend ainsi du réglage de la valeur de consigne. À noter qu’une modification de la température de 100 K (par exemple de 20 °C à 120 °C) entraînant une modification du volume du fluide dilatable conduit à une poussée de la membrane d’environ 400 μm (= 0,4 mm), ce qui signifie qu’une modification de température de 1 K ne déplace la membrane que d’environ 4 mm (= 0,04 μm).

320

1.7.3 Équipements de régulation

1.7 • Bases techniques de régulation

Dans la boucle de régulation, le fonctionnement en discontinu du régulateur à deux points entraîne des oscillations moyennes de la grandeur réglée finale x. Le réglage de la température, pour une charge moyenne (durée d’enclenchement = durée de déclenchement) et une différence de commutation constante (xd Rmin KA R = rentabilité G = gain moyen par période KA = capital moyen lié Rmin = rentabilité minimale exigée Utilisation : problèmes de rentabilité, de choix et de remplacement. d) Calcul de l’amortissement 1. Hannsman, F. : Introduction à la recherche par système, méthodique de la préparation à la prise de décision avec modèle à l’appui, 2e édition, Munich, 1985. Koch, H. : Nouveaux développements dans la théorie de l’entreprise, Wiesbaden, 1983. Schmidt, R. H. : Bases pour la théorie d’investissement et de financement, Wiesbaden, 1983. Müller-Merbrach, H. : Recherche d’opérations, Munich, 1973.

400

1.11.2 Bases de calcul des coûts et de la rentabilité

Le critère pour le caractère avantageux d’un investissement est la période durant laquelle le capital utilisé pour un investissement est regagné. Ki tA = G+A tA = moment de l’amortissement Ki = capital d’investissement G = gain moyen par période A = amortissements moyens par période -3.2.2 Procédés dynamiques

a) Méthode d’évaluation du capital Le critère d’évaluation du caractère avantageux d’un investissement est la valeur du capital en tant que somme de tous les acomptes et versements déduits avec les intérêts de calcul au moment de l’investissement. À la place de versements, des économies peuvent également être envisagées. Le taux de calcul est déterminé par l’investisseur et exprime ses attentes au sujet de l’intérêt minimal du capital utilisé. T

C0 = − A0 + ∑ ( Et − At ) ⋅ t =1

1 (1 + i)t

A0 = dépense d’investissement C0 = valeur du capital Et = acomptes au moment t At = versements au moment t P i= de taux de calcul 100 t = indice période (t = 1… T) T = dernière période à prendre en compte 1 = facteur de déduction des intérêts non courus de la période (également appelé facteur BF = (1 + i)t de valeur actuelle) Le tableau 1.11.2-2 présente les facteurs de valeur actuelle pour une période allant jusqu’à 30 ans et les taux de calcul de 4 % à 13 %. b) Méthode d’annuités Le critère d’évaluation du caractère avantageux est ici l’annuité, c’est-à-dire la rente annuelle équivalente à la valeur du capital d’un investissement. Le procédé d’annuités n’est donc qu’une variante de la méthode de la valeur du capital.

(1 + i)T ⋅ i (1 + i)T − 1 AN = ANE – ANA AN = annuité de la valeur du capital C0 ANE = annuité de la série d’acomptes ANA = annuité de la série de versements (1 + i)T ⋅ i WF = = facteur de regain (facteur d’annuité) (1 + i)T − 1 Le tableau 1.11.2-3 présente les facteurs de regain pour une période allant jusqu’à 30 ans et les taux de calcul de 4 % à 13 %. c) Méthode du taux d’intérêt interne Le critère pour évaluer le caractère avantageux d’un investissement est l’intérêt effectif r (taux d’intérêt interne) qui apporte l’investissement. Avec l’intérêt effectif r, la valeur du capital de tous les acomptes et versements à imputer à l’investissement est égale à 0. Le calcul du taux d’intérêt interne correspond à l’évaluation du point zéro d’un polynôme au degré T et n’est analytiquement plus possible à partir de T > 3. C’est pourquoi, dans la pratique, le taux d’intérêt interne est calculé par interpolation itérative. Selon cette méthode, un investissement est rentable lorsque le taux d’intérêt interne est supérieur ou égal au taux de calcul.

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AN = C0 ⋅

-3.3 Procédé de calcul de la rentabilité selon VDI 2067, feuille 1, et VDI 6025 La feuille 1, édition 2000-09, de la directive VDI 2067 présente une méthode simplifiée d’estimation des annuités des choix d’investissement. Sont pris en compte ici notamment les taux de variation annuels constants des types de coûts et de paiements sur toute la période des choix d’investissement

401

1 DONNÉES DE BASE

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.2 Bases de calcul des coûts et de la rentabilité

1.11 Bases de Facility Management…

Tableau 1.11.2-2 – Facteurs de déduction des intérêts non courus BF = 1 / (1 + i)t Taux d’intérêt

Période considérée (année)

4%

5%

6%

7%

8%

9%

10 %

11 %

12 %

13 %

1 2 3 4 5

0,962 0,925 0,889 0,855 0,822

0,952 0,907 0,864 0,823 0,784

0,943 0,890 0,840 0,792 0,747

0,935 0,873 0,816 0,763 0,713

0,926 0,857 0,794 0,735 0,681

0,917 0,842 0,772 0,708 0,650

0,909 0,826 0,751 0,683 0,621

0,901 0,812 0,731 0,659 0,593

0,893 0,797 0,712 0,636 0,567

0,885 0,783 0,693 0,613 0,543

6 7 8 9 10

0,790 0,760 0,731 0,703 0,676

0,746 0,711 0,677 0,645 0,614

0,705 0,665 0,627 0,592 0,558

0,666 0,623 0,582 0,544 0,508

0,630 0,583 0,540 0,500 0,463

0,596 0,547 0,502 0,450 0,422

0,564 0,513 0,467 0,424 0,386

0,535 0,482 0,434 0,391 0,352

0,507 0,452 0,404 0,361 0,322

0,480 0,425 0,376 0,333 0,295

11 12 13 14 15

0,650 0,625 0,601 0,577 0,555

0,585 0,557 0,530 0,505 0,481

0,527 0,497 0,496 0,442 0,417

0,475 0,444 0,415 0,388 0,362

0,429 0,397 0,368 0,340 0,315

0,388 0,356 0,326 0,299 0,275

0,350 0,319 0,290 0,263 0,239

0,317 0,286 0,258 0,232 0,209

0,287 0,257 0,229 0,205 0,183

0,261 0,231 0,204 0,181 0,160

16 17 18 19 20

0,534 0,513 0,494 0,475 0,456

0,458 0,436 0,416 0,396 0,377

0,394 0,371 0,350 0,331 0,312

0,339 0,317 0,296 0,277 0,258

0,292 0,270 0,250 0,232 0,215

0,252 0,231 0,212 0,194 0,178

0,218 0,198 0,180 0,164 0,149

0,188 0,170 0,153 0,138 0,124

0,163 0,146 0,130 0,116 0,104

0,141 0,125 0,111 0,098 0,087

21 22 23 24 25

0,439 0,422 0,406 0,390 0,375

0,359 0,342 0,326 0,310 0,295

0,294 0,278 0,262 0,247 0,233

0,242 0,226 0,211 0,197 0,184

0,199 0,184 0,170 0,158 0,146

0,164 0,150 0,138 0,126 0,016

0,135 0,123 0,112 0,102 0,092

0,112 0,101 0,091 0,082 0,074

0,093 0,083 0,074 0,066 0,059

0,077 0,068 0,060 0,053 0,047

26 27 28 29 30

0,361 0,347 0,333 0,321 0,308

0,281 0,268 0,255 0,243 0,231

0,220 0,207 0,196 0,185 0,174

0,172 0,161 0,150 0,141 0,131

0,135 0,125 0,116 0,107 0,099

0,106 0,098 0,090 0,082 0,075

0,084 0,076 0,069 0,063 0,057

0,066 0,060 0,054 0,048 0,044

0,053 0,047 0,042 0,037 0,033

0,042 0,037 0,033 0,029 0,026

considérés. Pour les paramètres de dépenses liées à la durée d’utilisation ainsi qu’à la maintenance, l’entretien et le fonctionnement, des estimations forfaitaires sont portées dans quatre tableaux, lesquels sont adjoints respectivement aux différents éléments thermiques des bâtiments. La directive actuelle VDI 6025, édition 1996-11, contient en revanche l’ensemble des méthodes dynamiques usuelles appliquées au calcul de la rentabilité, comme celles reposant sur la valeur du capital, les annuités et le taux d’intérêt interne ou encore l’évaluation de la période d’amortissement dynamique. Ces méthodes de calcul permettent de prendre en compte également et de manière explicite les différentes variations périodiques des grandeurs de coût et de paiement. Elles intègrent en outre une mise en équation du doute et du risque des grandeurs de coût et de paiement à venir. Dans un but concret d’investissement, il est recommandé de prendre directement connaissance des directives VDI afférentes.

402

1.11.3 Maître d’ouvrage, architecte, bureau d’études

1.11 Bases de Facility Management…

techniques – Du projet à la réalisation

(

)

Tableau 1.11.2-3 – Facteurs de regain WF = (1 + i)T ⋅ i / (1 + i)T − 1

e

Taux d’intérêt 4%

5%

6%

7%

8%

9%

10 %

11 %

12 %

13 %

1 2 3 4 5

1,040 0,530 0,360 0,275 0,225

1,050 0,538 0,367 0,282 0,231

1,060 0,545 0,374 0,289 0,237

1,070 0,553 0,381 0,295 0,244

1,080 0,561 0,388 0,302 0,250

1,090 0,568 0,395 0,309 0,257

1,100 0,576 0,402 0,315 0,264

1,110 0,584 0,409 0,322 0,271

1,120 0,592 0,416 0,329 0,277

1,130 0,599 0,424 0,336 0,284

6 7 8 9 10

0,191 0,167 0,149 0,134 0,123

0,197 0,173 0,155 0,141 0,130

0,203 0,179 0,161 0,147 0,136

0,210 0,186 0,167 0,153 0,142

0,216 0,192 0,174 0,160 0,149

0,223 0,199 0,181 0,167 0,156

0,230 0,205 0,187 0,174 0,163

0,236 0,212 0,194 0,181 0,170

0,243 0,219 0,201 0,188 0,177

0,250 0,226 0,208 0,195 0,184

11 12 13 14 15

0,114 0,107 0,100 0,095 0,090

0,120 0,113 0,106 0,101 0,096

0,127 0,119 0,113 0,108 0,103

0,133 0,126 0,120 0,114 0,110

0,140 0,133 0,127 0,121 0,117

0,147 0,140 0,134 0,128 0,124

0,154 0,147 0,141 0,136 0,131

0,161 0,154 0,148 0,143 0,139

0,168 0,161 0,156 0,151 0,147

0,176 0,169 0,163 0,159 0,155

16 17 18 19 20

0,086 0,082 0,079 0,076 0,074

0,092 0,089 0,086 0,083 0,080

0,099 0,095 0,092 0,090 0,087

0,106 0,102 0,099 0,097 0,094

0,113 0,110 0,107 0,104 0,102

0,120 0,117 0,114 0,112 0,110

0,128 0,125 0,122 0,120 0,117

0,136 0,132 0,130 0,128 0,126

0,143 0,140 0,138 0,136 0,134

0,151 0,149 0,146 0,144 0,142

21 22 23 24 25

0,071 0,069 0,067 0,066 0,064

0,078 0,076 0,074 0,072 0,071

0,085 0,083 0,081 0,080 0,078

0,092 0,090 0,089 0,087 0,086

0,100 0,098 0,096 0,095 0,094

0,108 0,106 0,104 0,103 0,102

0,116 0,114 0,113 0,111 0,110

0,124 0,122 0,121 0,120 0,119

0,132 0,131 0,130 0,128 0,127

0,141 0,139 0,138 0,137 0,136

26 27 28 29 30

0,063 0,061 0,060 0,059 0,058

0,070 0,068 0,067 0,066 0,065

0,077 0,076 0,075 0,074 0,073

0,085 0,083 0,082 0,081 0,081

0,093 0,091 0,090 0,090 0,089

0,101 0,100 0,099 0,098 0,097

0,109 0,108 0,107 0,107 0,106

0,118 0,117 0,116 0,116 0,115

0,127 0,126 0,125 0,125 0,124

0,136 0,135 0,134 0,134 0,133

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1.11.3 Maître d’ouvrage, architecte, bureau d’études techniques – Du projet à la réalisation1 Rectifications du Dr Marina Schulz, ingénieur à Weimar 1

-1

Généralités

La séparation classique des pouvoirs dans l’industrie du bâtiment entre maître d’œuvre, architecte, ingénieur spécialisé et exécutant a connu une profonde mutation au cours de ces dernières années. Aux domaines de compétence déjà bien établis de l’initiateur du projet sont venus se joindre de plus en plus de participants au projet, tels que repreneur d’entreprise, maître d’œuvre, responsable d’exploitation, d’où la nécessité de commencer par cerner à l’aide de quelques brèves définitions les éventuelles groupements, les répartitions de tâches et les actions communes des participants.

-2

Définitions

-2.1 Maître d’ouvrage2 Le maître d’ouvrage est le donneur d’ordre de la construction d’un bâtiment. D’après les règlements des Länder relatifs aux constructions et à l’occupation des sols, il est chargé de faire en sorte que les mesures qu’il prend pour édifier ce bâtiment soient conformes au droit de construire public. 2

1. Première élaboration comme l’ancien paragraphe 1.13 du Prof. Marina Schulz, ingénieur à Weimar, pour la 70e édition. 2. Bruxelles W. : chantier de construction de A à Z, 1993, Maison d’édition Werner, Düsseldorf.

403

1 DONNÉES DE BASE

Période considérée (année)

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.3 Maître d’ouvrage, architecte, bureau d’études techniques – Du projet à la réalisation

Il doit en outre, pour des mesures nécessitant une autorisation, faire appel à un auteur de projet et à un entrepreneur, ainsi qu’à un chef de chantier. Dans la version officielle du VOB (cahier de prescriptions pour les marchés de construction), le maître d’ouvrage est désigné comme donneur d’ordre s’il n’exécute pas lui-même les travaux. Cependant, toute personne ou institution désignée dans le VOB comme commanditaire n’est pas maître d’ouvrage, car un mandataire peut aussi confier les travaux à un sous-traitant, et devenir ainsi le commanditaire du sous-traitant.

-2.2 Architecte1 L’architecte est le mandataire en première ligne pour tout ce qui concerne la planification immobilière, c’est-à-dire les bâtiments, les espaces extérieurs et les aménagements intérieurs. À ceci viennent s’ajouter nouveaux bâtiments, nouvelles installations, reconstructions, agrandissements, rénovations, modernisations, aménagements intérieurs, entretien et réfection. En outre, l’élaboration de plans d’occupation des sols, de plans d’urbanisme et d’installations destinées à améliorer circulation et paysages peut faire partie intégrante des travaux ou être confiée à un spécialiste. 1

-2.3 Conduite du projet2 La conduite du projet est assumée par le commanditaire pour être menée à bien dans divers domaines spécialisés. La conduite du projet n’est autre que la perception neutre et indépendante des fonctions de commanditaire au plan technique, économique et juridique. 2

-2.4 Bureau d’études techniques2 En lien contractuel direct avec le commanditaire, le bureau d’études techniques est chargé de réaliser des prestations de planification spécialisée, telles que la conception de l’ossature porteuse, la conception des installations techniques ou l’estimation du terrain à bâtir. La responsabilité, l’engagement et le cautionnement du bureau d’études demeurent toutefois limités à son domaine de compétence. -2.5 Maître d’œuvre2 En faisant appel à un maître d’œuvre, la responsabilité globale, y compris engagement et cautionnement, relative à toutes les prestations de conception ainsi qu’à la supervision des travaux ne relève que de lui seul, il est libre d’honorer toutes les prestations de conception avec ses propres collaborateurs et peut même avoir recours au BET comme sous-traitant, auquel cas le commanditaire se réserve généralement un droit de regard. -2.6 Maître d’œuvre spécialisé2 Le maître d’œuvre spécialisé n’est autre qu’un maître d’œuvre, mais le plus souvent sans la charge de toutes les phases de planification immobilière de l’architecte, car des architectes contractuels travaillent à ses côtés. -2.7 Entrepreneur spécialisé Un entrepreneur spécialisé est chargé par le commanditaire des travaux de construction dans un secteur d’activité donné (spécialité, corps de métier). Il exécute les parties mandatées de la prestation pour l’essentiel en toute autonomie et indépendance. -2.8 Entrepreneur général2 Un entrepreneur général est chargé par le commanditaire des travaux de construction dans tout secteur d’activité relatif au bâtiment. Il doit ainsi, le cas échéant, prendre également part au planning d’exécution. Dans ce cas, on parle d’un « entrepreneur général qualifié ». Il réalise lui-même des parties importantes des travaux de construction, comme le gros œuvre. Il confie le reste à des sous-traitants, qui exécutent aussi, dans le cadre de contrats d’entreprises, leurs prestations en toute indépendance et autonomie. -2.9 Contractant2 Le contractant se distingue de l’entrepreneur général en ce qu’il assume l’exécution des travaux de construction dans tous les secteurs d’activité relatifs au bâtiment, mais ne réalise pas lui-même de travaux de construction dans sa propre entreprise. Les contractants présentent pour le commanditaire l’inconvénient d’avoir, faute de posséder une entreprise à eux dans le bâtiment, un capital d’exploitation le plus souvent inférieur à celui d’un entrepreneur principal. -2.10 Entrepreneur principal2 En référence à la dénomination de manœuvres/artisans et conformément au paragraphe 4 n° 3 VOB/A, un entrepreneur spécialisé dans le gros œuvre est qualifié d’entrepreneur principal. Pour tous les autres 1. Ordre d’honoraires pour les architectes et les ingénieurs dans la version du 1er janvier 1996, 2e édition 2002. 2. N° 9 du cahier de l’AHO, « conduite de projet », novembre 1996, Bundesanzeiger

404

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.3 Maître d’ouvrage, architecte, bureau d’études techniques – Du projet à la réalisation

travaux, comme les installations techniques et l’aménagement, on a recours à d’autres entrepreneurs auxiliaires.

-2.11 Entrepreneur secondaire1 Pour les travaux non prioritaires, le commanditaire, en plus du contrat signé avec un entrepreneur principal pour les principales réalisations, conclut des contrats avec des entrepreneurs secondaires. Entre l’entrepreneur principal et l’entrepreneur secondaire n’existe aucun lien contractuel direct. 1

-3

Planification et appel d’offres

-3.1 Généralités Dans la plupart des cas, le type d’appel d’offres est déterminé, indépendamment de la procédure de passation du marché, au cours d’une programmation très en amont, ce qui influe immédiatement sur le déroulement de la planification et la quote-part à la planification des mandataires en question. Outre le procédé classique de planification avec description « conventionnelle » de la prestation d’après HOAI, il faut également présenter un déroulement de planification modifié avec appel d’offres de qualité, prévoyant généralement de confier la responsabilité de la planification à un entrepreneur principal. Dans la VDI 6028-12 « Critères d’évaluation pour l’équipement technique », l’accent est mis ici sur la transparence. -3.2 Aperçu de la prestation d’après le paragraphe 73 de l’HOAI3 (Cette présentation exhaustive est la base même d’une délimitation transparente des différents types d’appels d’offres.) 3

-3.2.1 Définition des bases

Mise au point des tâches à assumer au niveau de l’équipement technique, notamment dans les questions de principe d’ordre technique et économique. -3.2.2 Planification préliminaire

Analyse des données. Élaboration d’un concept de planification avec présentation préalable des systèmes et parts d’investissements importants. Établissement d’un schéma pratique, voire d’un diagramme théorique pour chaque investissement. Mise au point et explication des rapports, procédés et conditions d’ordre technique importants. Participation à l’estimation des coûts d’après DIN 2764.

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-3.2.3 Ébauche du projet

Étude du concept de planification compte tenu de toutes les exigences techniques et du respect des planifications sectorielles intégrées à la planification immobilière, jusqu’à l’ébauche complète du projet. Définition de tous les systèmes et parties de la construction. Calcul, mesure, présentation graphique et description des investissements. Participation à l’évaluation des coûts d’investissements dans les bâtiments d’après DIN 276 4. -3.2.4 Autorisation préalable

Élaboration des modèles pour obtenir les autorisations ou les accords requis d’après les prescriptions régies par le droit public, y compris les demandes d’exemption et de dérogation, mais aussi les négociations nécessaires avec les autorités. Parachèvement et ajustement des supports de planification, des descriptions et des calculs. -3.2.5 Planification de la réalisation

Étude des résultats des phases 3 et 4 de la prestation (graduellement élaboration et présentation de la solution) compte tenu de toutes les exigences techniques, mais aussi du respect des prestations techniques intégrées à la planification immobilière jusqu’à la mise en application définitive. Présentation graphique des installations avec les dimensions (pas de graphique de montage ni d’atelier).

1. N° 9 du cahier de l’AHO, « conduite de projet », novembre 1996, Bundesanzeiger. 2. VDI 6028-1 : 2002-02 Critères d’évaluation pour les services de construction-bases. 3. Ordre d’honoraires pour les architectes et les ingénieurs dans la version du 1er janvier 1996, 2e édition 2002. 4. DIN 276:2006-11 Estimation des coûts, calcul des coûts.

405

1 DONNÉES DE BASE

-2.12 Sous-traitant1 Il est mandaté par un entrepreneur principal, un repreneur d’entreprise ou un entrepreneur total dans le cadre d’un contrat d’entreprise. Il n’y a aucun lien contractuel direct avec leur commanditaire.

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.3 Maître d’ouvrage, architecte, bureau d’études techniques – Du projet à la réalisation

-3.2.6 Préparation de l’appel d’offres

Évaluation des quantités comme base pour dresser les listes de compétence en accord avec les contributions d’autres participants à la planification. Établissement de descriptions des prestations avec les listes de prestations suivant les domaines de compétence. 1) Description conventionnelle des prestations La description des prestations avec liste de prestations (LP) est universellement connue et a constitué pendant des années l’appel d’offres réglementaire. La condition sine qua non n’est autre que le procédé classique de planification jusqu’à la présentation et la communication des quantités. Le point de départ des différentes phases de l’élaboration du projet, conformément au paragraphe 73 de l’HOAI1, tient compte de cette évidence. La planification n’implique pas les intérêts du constructeur, du fournisseur ni du commerce. Planification et appel d’offres sont fondamentalement distincts, d’où le « principe éprouvé des quatre yeux » 2. La liste des prestations avec description explicite de tous les postes d’après le livre de prestations standard3 et/ou avec des textes élaborés librement est établie par le mandataire pour les prestations d’ingénierie, puis transmise aux mandataires potentiels pour les calculs. Cette liste contient généralement une note explicative et un cahier des charges complémentaire pour faciliter les calculs. Le tableau 1.11.3-1 présente comme exemple la description d’un raccord à brides, soit un raccord d’angle, en acier, pression nominale de 10 bar, joint plat aux extrémités soudées, largeur nominale DN 8. 2) Description fonctionnelle des prestations Tout comme la description conventionnelle des prestations, la description des prestations avec programme des prestations – désignée dans la pratique comme la description fonctionnelle des prestations – est définie dans la VOB4. Les mêmes exigences sont valables, notamment : – la prestation est explicite et tellement exhaustive que tous les candidats doivent l’interpréter de la même façon et peuvent calculer leurs prix de façon sûre et sans gros travail préliminaire ; – le mandataire ne doit encourir aucun risque ; – le but de la prestation accomplie ainsi que les exigences d’ordre technique, économique, conceptuel et fonctionnel qui en découlent doivent être clairement définis ; toutefois, certains produits et procédés ainsi que certains lieux d’origine et sources d’approvisionnement ne doivent être prescrits qu’à titre exceptionnel ; – les offres détaillées doivent être comparées entre elles. La description fonctionnelle des prestations permet grâce à la concurrence entre différents systèmes techniques et procédés de construction, grâce à l’utilisation renforcée de la compétence des entreprises, de réaliser des économies, d’où des réductions de coûts pour la société. Mais il y a toujours le risque de devoir assumer des standards et qualités inférieurs pour des marges surévaluées, ce qui ne signifie sans doute nullement une pénurie de la demande, mais bien peut-être une durée de vie et une qualité d’utilisation moindres 5. L’entrepreneur principal se voit par contre confronté à une hausse des prix d’environ 15 à 30 % pour la coordination des sous-traitants et la prise en charge du risque global de garantie. Entre-temps, une série de variantes d’appels d’offres fonctionnels s’est à priori cristallisée, soit 5 : a) Projet de construction sans planification du maître d’ouvrage (projets de construction simples techniquement et fonctionnellement) Le maître d’ouvrage ne fournit aucune prestation de planification, ne dresse qu’une description des prestations avec programme des prestations, d’où très peu de personnel administratif requis. b) Projet de construction avec planification préalable minime du maître d’ouvrage (projet de construction simple techniquement et fonctionnellement ambitieux) Le maître d’ouvrage établit la planification d’avant-projet à l’échelle 1:200 et fournit une description détaillée des prestations, déterminant ainsi les exigences urbanistiques et fonctionnelles requises par les travaux de construction. c) Projet de construction avec planification d’autorisation fournie par le maître d’ouvrage (projet de construction de degré de difficulté moyen) Le maître d’ouvrage établit la planification d’autorisation et de projet à l’échelle 1 : 100 avec des instructions et élabore un appel d’offres fonctionnel. d) Projet de construction avec planification de réalisation fournie par le maître d’ouvrage (projet de construction de degré de difficulté moyen et ambitieux) Le maître d’ouvrage planifie jusqu’à ce que le projet soit prêt à être réalisé, mais reste ouvert à toute autre suggestion d’exécution. 1. Ordre d’honoraires pour les architectes et les ingénieurs dans la version du 1er janvier 1996, 2e édition 2002. 2. N° 11 du cahier de l’AHO, état octobre 1997, Bundesanzeiger 3. Livres des prestations standard. Editeur. Commission des normes allemandes (DNV), maison d’édition Beuth. 4. VDO/A DIN 1960. 5. N° 11 du cahier de l’AHO, état octobre 1997, Bundesanzeiger

406

1.11.3 Maître d’ouvrage, architecte, bureau d’études

1.11 Bases de Facility Management…

techniques – Du projet à la réalisation

Tableau 1.11.3-1 – Exemple de description des raccords à brides dans le livre de prestation standard 040 T2

T3

T4

T5

Désignation complète

St St St

3.5 Raccords à brides Raccord à brides pour passage direct d’angle _____________________________ cornière En fonte malléable à cœur noir, _______________ zinguée, En acier, En laiton, En bronze rouge En…………………………………………………, PN 6, PN 10, PN 16, PN 25, PN…………………...……………………………, Joints plats filetés Joints coniques filetés Joint de serrage ……………………………………………………. R 1/8 R 1/4 R 3/8

300 301 01 02 03 04 05 11 01 02 03 04 05 01 02 03 04 01 02 03

N° K

Un

Désignation abrégée Raccord à brides Raccord à brides

1 21

31 Filetés Filetés Joint de serrage 41 ……………… R 1/8 R 1/4 R 3/8

… 51 ……………… Soudés DN 6 DN 8 DN 10

12

St

01 02 03

St St St

R………………………………………………….. Joints plats soudés DN 6 DN 8 DN 10

St

DN………………………………………………… 51 ………………

05

… 21

Pos.

Texte

Quantité

AE

Prix à l’unité €

ct

Montant €

ct

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301 03 02 05 202 Raccord à brides d’angle en acier etc.

e) Projet de construction avec planification parallèle à l’exécution des travaux (projet de construction difficile sur un plan technique et fonctionnel et/ou exigeant sur un plan architectural et urbanistique, notamment dans le cas d’un monument historique) Le maître d’ouvrage planifie parallèlement à l’exécution des travaux suivant les exigences requises (séparation de la planification et de la réalisation de la construction). f) Projet de construction réalisé seulement après planification complète et passation du marché (projet de construction difficile au plan technique et fonctionnel et/ou exigeant au plan architectural et urbanistique, notamment dans le cas d’un monument historique) Le maître d’ouvrage planifie jusqu’à ce que le projet soit prêt à être réalisé et organise à des fins économiques et en vue de la mise à disposition du bâtiment clés en main un concours avec rapport qualitéprix entre différents types d’entreprises, et ce par le biais d’un appel d’offres dit parallèle. Les variantes c) et d) se sont à vrai dire révélées tout à fait fiables, notamment au niveau de la qualité et des normes standard. Pour les cas délicats e) et f), la procédure correspond pour l’essentiel au procédé classique. La VDI 6028-11 contient des compléments au n° 11 du cahier de l’AHO.

-3.3 Procédure d’appel d’offres D’après le VOB2, on distingue principalement : a) L’appel d’offres public 1. VDI 6028:2002-02 Critères d’évaluation pour l’équipement technique. 2. VOB/A DIN 1960.

407

DONNÉES DE BASE

T1

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.3 Maître d’ouvrage, architecte, bureau d’études techniques – Du projet à la réalisation

Publication dans les quotidiens, les journaux officiels ou les revues spécialisées. Tous les entrepreneurs (spécialisés) peuvent y participer. Contrôle de la productivité parallèlement à l’évaluation de l’offre après soumission. b) L’appel d’offres sélectif Publication du concours de participation public dans les quotidiens, les journaux officiels ou les revues spécialisées. Le concours est ouvert à tout entrepreneur ou spécialiste, mais le contrôle sélectif de l’aptitude et de la productivité de chacun n’amène qu’à un nombre restreint de participants. c) Le marché de gré à gré Par exemple par proposition d’offre, convient uniquement aux projets de construction de petite envergure, en cas d’urgence ou de possibilité de contrôle exact des prix.

-4

Passation du marché, exécution et réception des travaux

-4.1 Généralités Pour parvenir à une présentation la plus exhaustive possible de l’aperçu global des prestations d’après le paragraphe 73 de l’OHAI, il a été aussi tenu compte des sections qui y correspondent, bien que ceci ne se soit pas avéré strictement nécessaire. -4.2 Aperçu des prestations d’après le paragraphe 73 de l’OHAI1 1

-4.2.1 Participation à la passation du marché

Examen et évaluation des offres et fixation de prix approximatifs suivant des prestations partielles. Participation à la négociation avec les enchérisseurs et élaboration d’une proposition de passation du marché. Participation à l’élaboration de devis à partir de prix forfaitaires et uniques d’après DIN 2762. Participation au contrôle des coûts en comparant devis et calcul du prix de revient. Participation à la passation de la commande. -4.2.2 Surveillance des travaux de construction

Contrôle de l’exécution des travaux en conformité avec le permis de construire, les plans de réalisation des travaux, les descriptions ou listes des prestations, mais aussi avec les normes et prescriptions techniques en vigueur. Participation à l’élaboration et la supervision d’un planning (graphique de Gantt). Participation à la tenue d’un journal de chantier. Participation à la prise de mesures avec les entreprises exécutrices. Réception technique des travaux et constatation des malfaçons. Vérification des comptes.

-4.3 Dossier de passation du marché Outre les descriptions des prestations présentées au chapitre précédent, le dossier remis aux entreprises en vue du calcul du prix se compose également de : a) l’injonction à la soumission d’une offre, éventuellement avec profil de candidature ; b) les conditions contractuelles générales du VOB/B 3 (cahier de prescriptions pour les marchés de construction) ; c) les conditions contractuelles techniques générales du VOB/C 4 ; d) d’éventuelles conditions contractuelles supplémentaires ; e) d’éventuelles conditions contractuelles techniques supplémentaires. Toutes ces pièces contiennent des indications importantes pour évaluer les offres. -4.4 Examen et évaluation des offres Notamment pour les maîtres d’ouvrage publics, les manuels d’attribution 5 contiennent des réglementations approfondies, voire détaillées sur la VOB/A 6. En plus du respect, des critères formels sont fixés, par exemple : – présentation ponctuelle de l’offre ; – intégralité de l’offre ; – clarté des inscriptions, 1. Ordre d’honoraires pour les architectes et les ingénieurs dans la version du 1er janvier 1996, Bundesanzeiger. 2e édition 2002. 2. DIN 276:2006-11 Estimation des coûts, calcul des coûts. 3. VOB B DIN 1961. 4. VOB C DIN 18299. 5. Manuels d’attribution pour Etat, Lands, Communes. 6. VOB/A DIN 1960.

408

1.11.3 Maître d’ouvrage, architecte, bureau d’études techniques – Du projet à la réalisation

mais aussi les critères pour le contrôle et l’évaluation : – par calcul ; – technique ; – économique. Le critère économique est malheureusement très fréquemment remplacé par « le moins cher », car la considération des coûts d’utilisation et de l’équipement est renvoyée au second plan en raison des moyens d’investissement trop limités. Les documents avec les propositions d’attribution par les contrôleurs (en règle générale le BET) sont préparés de telle manière qu’un haut degré de transparence et de reproductibilité (le cas échéant par des entretiens avec des soumissionnaires) est établi, ce qui est notamment important, lorsque les autres offres sont présentées également avec des propositions de modification technique.

-4.5 Types d’attribution1 Les types d’attribution sont directement liés au type de processus d’appel d’offres et sont subdivisés en : a) processus ouvert ; b) processus fermé ; c) processus de négociation. 1

-4.6 Termes du contrat2 Dans les contrats de construction, ils sont régis indépendamment de la configuration du contrat : a) Type et étendue de la prestation Caractérisés par la description de prestation fournie et par les documents de calcul. b) Rémunération Base du prix unitaire avec décompte d’après métré, base du prix forfaitaire d’après calcul avec la base de planification, taux horaire sur justification. c) Documents de planification préparés par la société (ou par ses mandataires) On distingue ici pour l’essentiel la description de la prestation fonctionnelle et la description classique. d) Indications pour l’exécution e) Direction de l’exécution Avec régulations sur les interruptions et empêchements. f) Résiliation par les parties du contrat g) Responsabilité et prescription h) Pénalités conventionnelles i) Enlèvement et garantie j) Décompte et paiement, y compris les travaux à l’heure k) Modalités de paiement et prestations de sécurité notamment l) Tribunal compétent ou processus de l’arbitre rapporteur. © Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

2

-4.7 Contrôle des travaux Dans le cadre du contrôle des travaux, l’architecte et le bureau d’études, en règle générale mandataires du maître d’ouvrage (société), doivent pour l’exécution des prestations de construction conformément à la planification – la volonté du maître d’ouvrage sous forme de planifications et descriptions de prestation – respecter les règles de technique et les bases légales correspondantes 3. Ils ont donc, comme déjà mentionné, un devoir de coopération pour : – l’établissement et le contrôle d’un planning ; – le suivi d’un agenda de construction ; – le métré avec les entreprises exécutrices. La réception technique, le repérage des déficiences et la vérification des calculs font partie du profil des tâches. En raison des variantes des attributions de charges présentées ci-dessus – attribution isolée à prestation complète –, le profil des charges dans le cadre du contrôle s’est également modifié. Pour l’attribution des prestations à une grande entreprise, notamment par exemple une grande entreprise de métiers techniques, le modèle – pouvoir de direction avec contrôles de qualité – a bien fait ses preuves. Ainsi, en règle générale, les mesures administratives ne sont pas applicables, d’où une réduction du contrôle des capacités et qualités. La VDI 6028-14 contient des informations plus approfondies à ce sujet. 1. VOB/A DIN 1960 : 2006-10. 2. VOB/A DIN 1960 : 2006-05 3. Ordre d’honoraires pour les architectes et les ingénieurs dans la version du 1er janvier 1996, 2e édition 2002. 4. VDI 6028-1:2002-02 Critères d’évaluation pour les services de construction. Bases.

409

1 DONNÉES DE BASE

1.11 Bases de Facility Management…

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.3 Maître d’ouvrage, architecte, bureau d’études techniques – Du projet à la réalisation

-4.8 Réception des travaux Après l’achèvement des travaux, la mise en route et les essais, l’entrepreneur demande la réception de son installation. VOB/B1 paragraphe 12 réglemente le droit de réception, le devoir de réception, et la procédure temporelle. Ceci est très important notamment parce qu’avec la réception, le risque que court le maître d’ouvrage disparaît et ainsi survient un inversement de la charge de la preuve. Le processus de la réception comprend trois parties importantes : La réception technique La réception technique fait partie du domaine de tâches du BET mandataire du maître d’ouvrage. Certaines parties des prestations doivent être contrôlées dès la phase de construction et réceptionnées, par exemple les essais d’étanchéité et de pression pour les conduits d’eau qui seront plus tard encastrés ou isolés. Ensuite, des contrôles intermédiaires constants, pour les parties de prestation déjà terminées, sont judicieux. Pour la préparation de la réception technique, le contrôle de fonctionnement doit être réussi, le personnel de service formé et tous les documents nécessaires, y compris les protocoles, les certificats de contrôle établis par des tiers, par exemple des experts entre autres, doivent être demandés. Pour la réception d’une installation de chauffage doivent être demandés, en fonction de l’étendue de la prestation d’après VDI 38092, les documents suivants : La réception officielle On entend en règle générale par réception officielle la réception légale par le biais du permis de construire dans les administrations (bureau du droit immobilier). On contrôle ainsi la conformité de l’exécution avec le droit immobilier. La délégation de réception officielle est constituée du maître d’ouvrage conjointement aux architectes dirigeant la construction. La réception formelle Une réception formelle doit ensuite avoir lieu lorsque l’une des parties du contrat le désire. L’existence de la réception technique et administrative en constitue une prémisse. Le résultat de cette négociation de réception doit être mis par écrit. Les réserves éventuelles en raison des défauts et des sanctions contractuelles doivent être enregistrées, ainsi que les objections éventuelles du mandataire. Le paragraphe 12 du VOB/B3 contient des détails à ce sujet.

-5

Parfait achèvement des travaux

De par le contrat de construction – contrat d’entreprise – conclu, le mandataire est redevable d’un ouvrage sans défaut. Il doit en fournir la garantie. Le contrat d’entreprise a trouvé une réglementation y correspondant dans les articles 631 et suivants du BGB4. Le paragraphe 13 du VOB/B peut occuper cette place pour une réglementation contractuelle correspondante, mais seulement dans la mesure où le VOB/B prévoit une réglementation spéciale pour le contrat d’entreprise. Deux critères sont importants concernant la responsabilité de parfait achèvement des travaux : – d’une part l’étendue de la responsabilité du mandataire ; – d’autre part la date à laquelle la conformité des prestations se détermine. Dans le cadre de la responsabilité d’achèvement des travaux, le mandataire n’a pas du tout d’obligation morale pour un ouvrage sans dommages lors de la durée de la garantie. Ceci ne porte que sur les dommages pour lesquels se manifeste le manquement à un devoir contractuel. Des dommages ne peuvent être imputés au mandataire et à son engagement que si le défaut relève de la responsabilité du mandataire. Ceci n’est pas valable si le défaut résulte d’une construction défectueuse ou si l’utilisation de matériaux de mauvaise qualité non identifiables est imputée au mandataire. La date de réception est décisive pour savoir si la prestation de construction présente ou non des dommages. Le mandataire doit également porter la responsabilité pour tous les dommages décelés durant le délai de prescription valable pour les revendications ; la question est seulement de savoir si celles-ci peuvent également lui être imputées, c’est-à-dire reposer sur un manquement au devoir contractuel. La VOB distingue principalement les exigences suivantes pour le maître d’ouvrage. Avant la réception de la prestation de construction, le maître d’ouvrage peut conformément au paragraphe 4 VOB/B 5 – demander l’enlèvement des matériaux et éléments de construction qui ne correspondent pas au contrat ; – demander la suppression du dommage ; 1. VOB/B DIN 1946, Procédures allemandes contractuelles de construction (VOB). 2. VDI 3809. 3. VOB/B DIN 1961. 4. Code Civil. 5. VOB/B DIN 1961.

410

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.3 Maître d’ouvrage, architecte, bureau d’études techniques – Du projet à la réalisation

Tableau 1.11.3-2 – Recueil des attestations et documents dans le cadre de l’étendue de prestation (d’après VDI 3809)1.

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Documents

Disponible

Indisponible

Remarques

Tracés Documents avec indications sur les possibilités 1 d’enlèvement, de remplissage et les tableaux d’aération, par exemple le plan de situation, le sous-sol. 2 Plans d’installation, par exemple pour le chauffage par le sol*) 3 Schéma de gaine, coupes 4 Plans de détails 5 Schéma des installations, schéma de gaine, etc. 6 Plans de régulation et de commutation électrique Calculs 7 Calcul du besoin en chaleur d’après DIN 4701 8 Disposition de la cheminée d’après DIN 4705 9 Calcul du circuit tubulaire avec disposition de ventilation 10 Disposition des surfaces de chauffage 11 Autres documents de calcul des pièces d’installation, par exemple les cuves d’extension Fiches de données et descriptions 12 Descriptions des installations 13 Descriptions des appareils des pièces d’installation 14 Indications sur le traitement de l’eau/traitement des déchets/recharge/neutralisation 15 Instructions d’utilisation 16 Instructions d’entretien 17 Description de la régulation, par exemple GLT/DDC Protocoles, certificats de contrôle, contrats 18 Protocoles sur le contrôle de l’étanchéité d’après VOB partie C DIN 183802, 3.4**) 19 Protocoles sur la première mise en service, y compris résultats de combustion/réglage du brûleur/tracé de la température ambiante et de la température de la cuve/équilibrage hydraulique 20 Attestations de l’entreprise 21 Vérification par des experts 22 Attestations de ramoneur 23 Contrat de maintenance 24 Contrat d’approvisionnement en énergie 25 Liste des contrôles répétitifs

DONNÉES DE BASE

1

*) Pour les chauffages au sol y compris la coupe de la structure du sol avec isolation contre les bruits de pas et la chaleur avec indications sur la dilatation. **) Les parties de l’installation qui sont recouvertes par des éléments indémontables doivent être contrôlées tant qu’elles sont accessibles ; les conduits de gaz doivent contrôlés avant la peinture.

– demander la réparation du dommage causé par le défaut si le mandataire a eu à remédier au dommage et l’adversité du contrat ;1 2 – résilier le contrat s’il a fixé en vain au mandataire un délai raisonnable pour supprimer le dommage et expliqué qu’il lui enlèverait la commande en cas d’expiration du délai non fructueuse, et si le délai est expiré. Après réception de la prestation de construction, le maître d’ouvrage, conformément au paragraphe 13 VOB/B, bénéficie : – d’une réparation par le mandataire ; 1. VDI 3809 : Réception des installations du bâtiment – Chauffage. 2. VOB-C DIN 18380 : Caractéristiques techniques générales dans les contrats de construction (ATV). Installations de systèmes de chauffage central et de production d’ECS.

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1.11 Bases de Facility Management…

1.11.3 Maître d’ouvrage, architecte, bureau d’études techniques – Du projet à la réalisation

– du droit de refus de la prestation concernant la rémunération jusqu’à la réalisation de la réparation ; – d’une réparation propre par le maître d’ouvrage après la sommation effectuée pour remédier au dommage et la fixation du délai, également un droit au remboursement des coûts après la réparation propre effectuée ; – d’une réparation par un entrepreneur tiers après la sommation effectuée pour la suppression du dommage et la fixation du délai, également un droit au remboursement des coûts après la suppression du dommage effectuée et facturée ; – du droit à un acompte à hauteur des coûts de suppression des dommages à prévoir après sommation infructueuse pour la suppression des dommages dans le cadre d’un délai ; – du droit à une diminution (déplafonnement) si la suppression du dommage est impossible ou si elle exige une dépense démesurément élevée et est donc refusée par le mandataire, ou si la suppression du dommage n’est pas acceptable pour le maître d’ouvrage ; – du droit à la réparation du dommage en plus des autres droits, si un défaut notoire peut être mis à profit et que celui-ci est dû à une faute du mandataire ; – du droit au remplacement du dommage concernant le dommage qui en résulte, si : • le dommage repose sur une préméditation ou une grosse négligence, • le dommage repose sur une infraction contre les règles techniques connues, • le dommage consiste en un manque d’une propriété assurée dans le contrat ou • tant que le mandataire a couvert le dommage par son assurance responsabilité civile ou aurait pu le couvrir. Il existe des dates de revendication des dommages d’après le paragraphe 13 n° 4 VOB/B lorsqu’il n’a été convenu d’aucun délai de prescription : – 2 ans pour les bâtiments ; – 2 ans pour les installations mécanographiques et électrotechniques/électroniques, si aucune maintenance n’est confiée au mandataire pour la durée du délai de prescription ; – 2 ans pour les travaux sur un terrain ; – 2 ans pour les pièces combustibles des installations de combustion. Le délai commence à réception de la prestation globale, et à réception partielle des pièces finies. Un délai est arrêté lorsqu’il y a un blocage ou une suspension de la prescription. En cas de blocage intervient un décompte du délai qui dure jusqu’à ce que l’état qui a causé le blocage (droit au refus de prestation ou de délai de paiement, pouvoir plus grand, blocage par vérification et/ou suppression du défaut) s’estompe. L’interruption entraîne le fait que le temps passé jusqu’à la suspension n’est pas pris en compte et qu’un nouveau délai de prescription commence à courir. L’interruption arrive dans les cas suivants : – reconnaissance du droit à la suppression des dommages ; – revendication légale du droit à la suppression des dommages ; – interruption par mise en sûreté de la preuve ; – interruption par notification écrite de dommages.

-6

Coûts d’investissement

-6.1 Généralités Les coûts d’investissement (également appelés prix de revient ou coûts de fabrication) des installations d’équipements techniques de bâtiment sont tout d’abord estimés dans le sens d’un devis estimatif, lequel est transmis dans un calcul des frais selon l’ampleur de l’élaboration du projet. Dans tous les cas, la répartition du calcul des frais d’après DIN 2761 permet une extrême transparence et une bonne comparabilité avec les bâtiments similaires. La structuration de contenu pour la technique de régulation, le génie frigorifique, climatique et thermique est présentée ici sous forme d’extrait. Tandis que pour l’estimation des coûts, par exemple les évaluations spécifiques de la surface du sol brute (m2 SSB) comme « unité de volume et de référence » ou les évaluations sur la prestation installée (kW) sont parfaitement suffisantes, d’autres bases doivent être utilisées pour évaluer les autres coûts 2. Dans les paragraphes suivants ne sont regroupés à titre d’orientation que les coûts d’installation calculés. -6.2 Installations de chauffage et préparation d’eau chaude Les coûts d’investissement pour une installation de chauffage dépendent du type de chauffage, de sa puissance et de nombreux facteurs. Les coûts indiqués pour les installations effectuées varient donc aussi dans une large mesure. 1. DIN 276:2006-11 Estimation des coûts, calcul des coûts. 2. ZBWB/TIB TGA-KO Coûts de l’équipement technique de bâtiment, Stuttgart 1998.

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1.11.3 Maître d’ouvrage, architecte, bureau d’études techniques – Du projet à la réalisation

Prix €/kW

Prix €/kW

Les figures 1.11.3-1 et 1.11.3-2 (1995) présentent des repères pour une estimation en chiffres des coûts de chauffage au gaz et à l’huile. Les prix indicatifs pour les chauffages dans les nouveaux bâtiments sans frais supplémentaires peuvent (par rapport à la prestation installée) être estimés à : Appareils de chauffage électrique ....................................... 25… 35 €/kW Chaudières en acier avec régulation automatique ............... 75… 100 €/kW Chaudières à gaz .................................................................. 150… 200 €/kW Chaudières individuelles à fioul .......................................... 125… 350 €/kW Poêles ................................................................................... 150… 200 €/kW Chauffage électrique au sol… avec réservoir ECS ............. 350… 400 €/kW Chaudière électrique à réservoir avec câblage .................... 300… 400 €/kW Chauffage gaz avec radiateur eau chaude ........................... 450… 600 €/kW Depuis la rénovation des bâtiments anciens, les coûts ont considérablement augmenté.

Puissance calorifique en kW

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Fig. 1.11.3-1 : Prix de consommation moyens des appareils individuels de chauffage en fonction de la prestation de chauffage.

Fioul Gaz

Puissance calorifique en kW

Fig. 1.11.3-2 : Coûts d’investissement approximatifs d’installations de chauffage central avec radiateurs pour les immeubles d’habitation en 1998 (sans les coûts de construction).

Les autres coûts annexes de construction (travaux électriques de maçonnerie, de peinture, de menuiserie) sont très variables selon le type de chauffage, soit environ : Pour les chauffages centraux .................................................................. 10… 15 % Pour les chauffages individuels ............................................................... 20… 30 % Part des frais d’installation de chauffage concernant les coûts de construction des bâtiments à étage d’environ : Pour les chauffages individuels à charbon, au fioul ou à gaz ............................. 4… 8 % Pour les poêles ou les poêles à air chaud ............................................................ 6… 8 % Pour les alvéoles techniques ................................................................................ 8… 10 % Pour les chauffages centraux ................................................................................ 8… 12 % Pour les chauffages centraux à eau chaude avec chauffage au fioul, les coûts proportionnels sont d’environ : Chaudière avec brûleur, cuve, régulation et autres Accessoires ........................................................................................................... ≈ 55… 35 % Réseau de distribution avec pompes de circulation ............................................. ≈ 25… 30 % Radiateur .............................................................................................................. ≈ 30… 35 % Pour les chauffages à basse température avec des températures d’entrée maximales d’environ 55 °C, les coûts pour les radiateurs et les chaudières sont légèrement plus élevés. Compensation par économie d’énergie. En comparaison avec les systèmes de chauffage, les coûts d’investissement pour le chauffage des maisons individuelles s’élèvent environ à (état de 1998, avec TVA) : Chauffage à distance ............................................................................................. 500 €/kW Chauffage à gaz .................................................................................................... 600 €/kW Chauffage au fioul ................................................................................................ 650 €/kW Chauffage électrique à accumulation heures creuses (chauffage individuel) ...... 450 €/kW Pompe à chaleur en relève de chaudière à gaz ou au fioul ................................ 950 €/kW Pompe à chaleur entraînée par moteur à gaz ....................................................... 1 350 €/kW D’autres indications sur les coûts d’investissement sont contenues dans des chapitres spéciaux, par exemple « Chauffage électrique à accumulation » paragraphe 2.2.1-7.3 page 502, « Pompes à chaleur à compression » paragraphe 2.2.2-4.7 page 569, « Collecteurs » paragraphe 2.2.2-5.2 page 575, « Économie et conduite des centrales de chauffage à distance » paragraphe 2.2.3-2.6.4 page 613, « Coûts des installations de climatisation » paragraphe 4.6.3-8 page 1634. Les coûts d’investissement pour les systèmes de chauffage d’eau chaude sanitaire sont beaucoup plus difficiles à déterminer. Les bases approximatives suivantes sont établies : on se base sur une maison

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1 DONNÉES DE BASE

1.11 Bases de Facility Management…

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.3 Maître d’ouvrage, architecte, bureau d’études techniques – Du projet à la réalisation

Tableau 1.11.3-3 – Extrait de DIN 276*) Groupes de coûts

Remarques

420 Installations de fourniture chaleur 421 Installations de production de chaleur

Approvisionnement en combustibles, stations de transmission de chaleur, production de chaleur sur la base de combustibles ou de sources d’énergie renouvelables, y compris les liaisons de cheminée, installation de chauffage d’eau

422 Circuits de répartition de chaleur Pompes, distributeur ; conduits tubulaires pour les surfaces de chauffage ambiant, installations de traitement d’air et autres consommateurs de chaleur 423 Surfaces de chauffe

Radiateurs, surfaces de chauffage

429 Installations de fourniture de chaleur, autres Cheminées, tant qu’elles ne sont pas comprises dans d’autres groupes de coûts 430 Installations de ventilation

Installations avec ou sans fonction d’aération

431 Installations d’aération

Installations d’évacuation d’air, installations d’arrivée d’air, installations d’évacuation ou d’arrivée d’air avec ou sans fonction de traitement d’air thermodynamique, installations mécaniques de désenfumage

432 Installations de conditionnement d’air partiel

Installations avec deux ou trois fonctions de traitement d’air thermodynamique

433 Installations de climatisation Installations avec quatre fonctions de traitement d’air thermodynamique 434 Purificateurs d’air Installations antibrouillard/pulvérisateurs systèmes de rejet d’air systèmes d’aspiration. 435 Installations de refroidissement Installations de refroidissement pour appareils de ventilation : réfrigérants de retour et de production de froid, y compris les pompes, les répartiteurs et les tuyauteries. 439 Installations de ventilation, autres Plaques d’aération, plaques réfrigérantes, fenêtres d’évacuation d’air ; faux planchers non compris dans les autres groupes de coûts. 480 Gestion technique des bâtiments

Coûts de l’automation concernant les installations, y compris les répartiteurs, câbles et conduits d’y rapportant.

481 Systèmes d’automatisation

Stations d’automatisation, équipements d’observation et d’utilisation, équipements de programmation, capteurs et acteurs, interfaces de communication, logiciels d’automatisation.

482 Parts de prestation

Armoires de commande avec modules de protection, pilotage et alimentation.

483 Installations centrales

Stations de conduite avec périphériques, installations pour la communication des systèmes avec les stations d’automation.

489 Gestion technique de bâtiment, autres *) DIN 276:1993-06, coûts dans le bâtiment.

individuelle avec 4 à 5 pièces principales, cuisine et salle de bain. Les prix sont déterminés proportionnellement pour les chaudières à gaz et à fioul en incluant l’installation de chauffage et l’isolation thermique, etc. Ils sont naturellement soumis à de grandes différences. Chauffe-eau électrique instantané (21 kW) ......................................................... 750… 1 250 € Ballon électrique à accumulation 400 l ............................................................... 1 000… 1 500 € Chauffe eau gaz à accumulation........................................................................... 1 000… 1 250 € Chauffe-eau instantané avec chaudière gaz ou fioul............................................ 750… 1 000 €

414

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.3 Maître d’ouvrage, architecte, bureau d’études techniques – Du projet à la réalisation

Ballon avec chaudière gaz ou fioul ..................................................................... 1 750… 2 000 € Ballon avec pompe à chaleur................................................................................ 2 000… 2 250 € Chaleur naturelle, y compris station de réception ............................................... 750… 1 250 € Pour les logements en collectif avec production collective, les prix diminuent considérablement. Pour les bâtiments administratifs et de bureau, les bases sont déductibles. D’autres indications sur la production d’eau chaude sanitaire sont données par exemple paragraphe 2.2.2-5.3.2 page 581.

Tableau 1.11.3-4 – Coûts approximatifs des installations de traitement d’air*) Groupes de coûts 43 de DIN 276:1993-06, coûts incluant la TVA Coûts en €/m2 SSB Type de bâtiment

min

max

moyen

> 5 000 > 10 000

18 85

43 199

33 125

Jusqu’à 7 500 Jusqu’à 16 000

135 83

357 266

247 175

– – – –

77 230 121 120

165 369 258 364

121 300 190 241

Hôpitaux du district Cliniques pour toxicomanes Établissements d’accueil des personnes âgées Centres de rééducation Maisons de repos et maisons de vacances

Jusqu’à 15 000 Jusqu’à 2 500 Jusqu’à 7 500

96 16 38

198 49 60

147 32 49

Jusqu’à 12 000 –

29 13

65 26

46 20

Écoles primaires et collèges Lycées Écoles professionnelles Centres de formation

Jusqu’à 1 160 – > 10 000 Jusqu’à 25 000

10 13 56 25

15 45 87 44

13 29 71 35

Garderies, standard moyen Garderies, standard élevé

Jusqu’à 540 Jusqu’à 2 300

4 13

11 33

7 21

Gymnases d’école 15 × 27 Gymnases triples 27 × 45 Salles polyvalentes Piscines

– – Jusqu’à 3 500 Jusqu’à 5 000

32 62 60 51

65 95 115 89

58 78 87 70

Hôtels, standard moyen Laboratoires Parkings souterrains Grands bâtiments d’exposition Bibliothèques

Jusqu’à 5 510 Jusqu’à 10 000 Jusqu’à 15 000 > 8 000 Jusqu’à 40 000

53 98 22 99 69

141 174 68 184 110

94 134 46 141 90

Bâtiments administratifs, standard moyen Bâtiments administratifs, standard élevé Centres de calcul universitaires Amphithéâtres Instituts pour – sciences naturelles et d’ingénierie – médecine, pharmacie – Technologie/construction de machines – Chimie, biologie, physique

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Surface SSB

*) Coûts liés au bâtiment, édition de 95, BKB Archit.-Kammer Bad.-Württbg. État de prix 1998.

415

1 DONNÉES DE BASE

-6.3 Traitement d’air et installation de refroidissement Vu le nombre élevé de possibilités de fonctionnement des installations de traitement d’air, il est très difficile de donner des indications exactes sur les coûts d’investissement. La figure 1.11.3-3 indique, par rapport au tableau 1.11.3-5, les coûts d’investissement approximatifs auxquels il faut s’attendre. Les chiffres indiqués se rapportent aux installations complètes, y compris les conduits d’air d’étendue moyenne et les équipements de refroidissement, mais sans compter la part provenant du chauffage et des conduits d’eau froide, qui est d’environ 20 à 30 % pour les installations de refroidissement, et sans compter les travaux secondaires nécessaires comme les raccordements électriques, les travaux de nettoyage et de menuiserie, etc. Il est possible qu’il y ait d’importants écarts en plus ou en moins.

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.3 Maître d’ouvrage, architecte, bureau d’études techniques – Du projet à la réalisation

Exemple : Bâtiments administratifs avec 1 000 m 2 de bureaux et 100 m2 de salles de réunion avec installations de climatisation. De plus 150 m2 de couloirs et cages d’escaliers ainsi que 500 m 2 de parkings publics avec installations d’évacuation d’air. Calcul des coûts d’acquisition :

Utilisation

Surface A (m2)

Débit volume . spécial V d’après le tableau 1.11.3-5

Débit volume . A.V

Coûts spéciaux d’après la fig. 1.11.3-3 (€ par m3/h)

Coûts des installations de traitement d’air

Bureau Salle de réunion Parkings Couloirs

1 000 100 500 150

12 20 12 5

12 000 2 000 6 000 750

11,– 17,– 4,– 10,–

132 000,– 34 000,– 24 000,– 7 500,–

Coûts globaux pour les installations de traitement d’air (sans chauffage) Coûts globaux d’achat comprenant le chauffage

197 500,– env. 258 000,–

Tableau 1.11.3-5 – Débits volumiques approximatifs en m3/h par m2 pour différentes utilisations d’une pièce*) Utilisation Bâtiments administratifs Couloirs internes Salles de réunion Cantines/cafétérias Cuisines Toilettes Entrepôts Parkings

Débit volumiques m3/h par m2 8 … 15 4…6 18 … 26 20 … 24 60 … 90 14 … 18**) 4…8 4 … 12**)

*) Pour la France, voir le RSD. **) Uniquement l’extraction d’air.

Le bâtiment administratif correspond à peu près à une occupation de 100 employés, il faut donc investir environ 2 000 à 2 500 € par poste de travail pour les installations de chauffage et de climatisation. Répartition en pourcentage des coûts d’une installation de climatisation en : Gaines de ventilation ............................................................................................ 20… 25 % Conduits d’aération, grille ................................................................................... 20… 30 % Matériel de refroidissement, tour de refroidissement........................................... 20… 30 % Tuyauteries, pompes ............................................................................................. 10… 15 % Régulation, tableau de commande ........................................................................ 15… 20 % D’autres indications sur les coûts d’investissement figurent par exemple au paragraphe 4.6.3-1 page 1555 Coûts d’installation de climatisation, 4.6.5-5.6 page 1625 Coûts (hôpitaux). Pour les installations de refroidissement plus grandes, on peut estimer approximativement comme coûts d’investissement : Installations de refroidissement, tours de refroidissement Réseaux d’eau glacée et d’eau froide 400 €/kW… 300 €/kW En plus d’être influencés par la taille de l’installation, les coûts d’investissement le sont aussi fortement par le type de production. La fig. 5.6.3-1 présente cette dépendance des coûts spécifiques.

416

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.4 Management technique des bâtiments

1 DONNÉES DE BASE

€ par m3/h

Installations de climatisation

Installations de ventilation

Débit volume en 1 000 m3/h

Fig. 1.11.3-3 : Coûts approximatifs d’investissement des installations centrales de climatisation et de ventilation par m3/h de débit d’air, avec récupération de chaleur et installation de refroidissement, mais sans chauffage et sans travaux secondaires de construction (état 1998).

1.11.4 Management technique des bâtiments1

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-1

Généralités

Pour les prestations de management de bâtiment, on distingue en général les prestations pour le management technique, infrastructurel et commercial de bâtiment. DIN 32736 définit le management de bâtiment comme l’ensemble de toutes les prestations pour le fonctionnement et l’exploitation des bâtiments, y compris les installations techniques et de construction sur la base de stratégies globales. Ainsi, le management technique de bâtiment comprend toutes les prestations nécessaires au fonctionnement et à l’exploitation des installations techniques et de construction d’un bâtiment. En plus d’être décisives pour la construction et l’installation, la durée de vie, la qualité de fonctionnement et l’économie des installations de climatisation et de chauffage dépendent aussi du management technique de bâtiment. La qualité et la durée de vie des installations de climatisation et de chauffage sont déterminées principalement par : – la conception et l’emplacement ; – la qualité lors de la construction ; – l’utilisateur (heures de fonctionnement) ; – le fonctionnement adéquat ; – l’entretien. Le management technique de bâtiment, grâce à un fonctionnement adéquat et un investissement économique lors de la maintenance, assure que la durée de vie constructive d’une installation technique est atteinte quand la qualité de fonctionnement et la rentabilité sont constatées. Il n’est toutefois en principe pas possible d’atteindre une durée de vie illimitée sans maintenance économique. La VDMA 24186 établit les actes, notamment les prestations qui devraient être faites dans le cadre de la maintenance des modules et des éléments de construction des installations et équipements techniques dans les bâtiments, afin de préserver un état initial. Il faut ici tenir compte du fait que les mesures qui 1. Du Dr Ronald Miller, ingénieur à Stuttgart (sauf paragraphes 1.11.4-7 page 425 et paragraphe 1.11.4-10 page 431) pour la 72e édition. Ajouts pour les éditions suivantes.

417

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.4 Management technique des bâtiments

en découlent, par exemple en raison de clauses juridiques, de normes ou directives d’utilisation, notamment de maintenance du constructeur du moment, peuvent être nécessaires. Le déroulement de la maintenance comprend : – Les activités à exécuter périodiquement qui sont nécessaires à intervalles de temps réguliers. À la place de la maintenance périodique, il peut y avoir dans des cas isolés une maintenance en fonction de l’état de l’appareil, pour autant qu’elle soit techniquement possible et utile. – Les activités à exécuter en cas de besoin, besoin qui dépend du résultat du précédent contrôle périodique. Des intervalles de temps pour les activités périodiques ne sont pas fixés. Ils se conforment en particulier à : • l’installation actuelle, les conditions de fonctionnement et le lieu ; • les prescriptions spécifiques au constructeur (directives de fonctionnement et de maintenance) ; • les clauses juridiques ; • le constat des analyses de risque ; • les autres réglementations relatives à l’appareil (par exemple les clauses VdS). Lors de l’élaboration d’un plan détaillé de maintenance, les intervalles de temps sont à compléter par rapport aux conditions du cas isolé du moment. Si les biens consommables sont fournis par le mandataire, il faut en convenir au préalable. Une référence à DIN 31051 seule n’est pas suffisante, car les corps de métier et les conditions de fonctionnement de l’équipement technique de bâtiment n’y sont pas suffisamment recensés. Le management technique de bâtiment avec la maintenance contribue largement à la capacité de fonctionnement des installations. Il y a un besoin en définitions exactes et correctes comme par exemple dans DIN EN 13306, définitions qui devraient fournir aux utilisateurs des normes de maintenance apportant une meilleure compréhension des exigences d’entretien. Ces exigences peuvent être d’une importance particulière pour ce qui est de la rédaction de contrats d’entretien.

-2

Prescriptions, normes et directives essentielles (page 1879)

Pour le fonctionnement et l’entretien des installations de génie climatique, de nombreuses prescriptions, normes et directives sont essentielles, et les points les plus importants sont énumérés dans leur version en vigueur. Prescriptions : – BauO, ordonnances de construction des Länder, y compris les prescriptions sur les cafés-restaurants et sur leur construction, les prescriptions sur les points de vente, les grands magasins, les immeubles commerciaux, les prescriptions sur les lieux de réunion et les ordonnances sur les garages des Länder. – BGV, prescriptions de la caisse de prévoyance des accidents de travail (autrefois appelée UVV), par exemple BGV A3 – Installations et matériel électriques. – ArbStättV, prescriptions sur les lieux de travail avec les directives ASR s’y rapportant sur les lieux de travail. – BlmSchV, ordonnance sur la protection fédérale contre les pollutions avec la directive technique pour le maintien de l’air pur (TA Luft) et la directive technique pour la protection contre le bruit (TA Lärm). – EnEG, loi sur l’économie d’énergie. – TPrüfVO, ordonnance de vérification technique des Länder. – TRBS 2131, règles techniques pour la sécurité d’exploitation « danger électrique ». – TRGS 900, valeurs limites pour l’air sur le lieu de travail –valeurs limites pour l’air – MAK et TRK. – TRGS 905, répertoire des matières cancérigènes, mutagènes ou toxiques pour la reproduction. – Deuxième ordonnance sur l’évaluation des coûts de fonctionnement. Normes et directives DIN EN 13779:2007-09 Aération des bâtiments inoccupés DIN 31051:2003-06 Bases de l’entretien DIN 31052:1981-06 Entretien ; contenu et composition des directives d’entretien DIN 31054:1987-09 Entretien, fondements de la fixation de périodes et de la composition des systèmes de temps DIN 32541:1977-05 Fonctionnement des machines et méthodes techniques comparables de travail DIN 32736:2000-08 Notions et prestations de management de bâtiment DIN 33403-2 à DIN 33403-5 Climatisation sur le lieu de travail et sur les alentours (se rapportant à la partie 1) DIN EN 13306:2001-09 Notions de maintenance VDI 2067:2000-09 Rentabilité des installations techniques de bâtiment VDI 2067-1:2000-09 Bases et calcul des coûts 2000-09 VDI 2074:2000-03 Recyclage dans les équipements techniques de bâtiment

418

1.11.4 Management technique des bâtiments

VDI 2081:2001-07 Production de bruit et diminution du bruit dans les installations de traitement d’air VDI 2890:1986-11 Maintenance planifiée, directive sur l’élaboration de plans d’inspection et de maintenance VDI 2891:2008-11 Critères de maintenance lors de l’achat de biens d’investissement VDI 2893:2006-05 Sélection d’indicateurs pour la maintenance VDI 2895:1996-12 Organisation de la maintenance, maintenance en tant que devoir d’entreprise VDI 2896:1994-10 Contrôle de la maintenance dans l’économie d’installation VDI 2898:1996-10 Informatisation de la maintenance ; exigences et critères VDI 3801 :2000-06 Fonctionnement des installations de traitement d’air VDI 3807-2:1998-06 Valeurs indicatives de consommation d’énergie pour l’énergie de chauffage des bâtiments et valeurs indicatives de consommation de courant VDI 3810:1997-06 Fonctionnement des installations de chauffage VDI 3814-3:1997-06 Automatisation des bâtiments, remarques pour la gestion des bâtiments – planification, exploitation et maintenance VDI 6022-1:2006-04 Exigences d’hygiène concernant les installations et les appareils de traitement d’air VDI 6022-2:2007-07 Exigences d’hygiène concernant les installations et les appareils de traitement d’air VDI 6025:1996-11 Évaluations économiques d’entreprise pour les biens d’investissement et les installations VDMA 24186 Partie 0, programme de prestation pour la maintenance des installations et équipements techniques dans les bâtiments 2002-09 Partie 0 : aperçu général et plan, système de numérotation, remarques générales d’utilisation Partie 1 : appareils et installations de traitement d’air Partie 2 : appareils et installations de chauffage Partie 3 : appareils et installations de refroidissement avec fonction chauffage et refroidissement Partie 4 : bâtiments pour régulation et systèmes d’automation de bâtiment Partie 5 : appareils et installations électrotechniques Partie 6 : appareils et installations sanitaires Partie 7 : appareils et installations de protection contre les incendies

-3

Définitions concernant le management technique de bâtiment

1. Maintenance Selon DIN EN 13306, la maintenance est décrite comme la combinaison de toutes les mesures techniques, administratives et de management durant le cycle de vie d’un appareil (unité), pour le maintien de son état de fonctionnement ou sa remise en état, afin qu’il puisse remplir la fonction requise. Terme générique pour toutes les prestations définies comme nécessaires au maintien et au rétablissement de l’état requis, notamment à la détermination et à l’estimation de l’état réel d’une installation technique.

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Fig. 1.11.4-1 : Contenu des prestations de maintenance Maintenance en référence à DIN 31051, DIN 31052, VDMA 24186 Composants Maintenance

Inspection

Mise en état

Amélioration

Buts Maintien de l’état nominal Détermination et estimation de l’état réel

Rétablissement de l’état nominal

Optimisation de l’installation pour assurer la disponibilité requise

Mesures simples Contrôle Réglage Remplacement Ajout Graissage Conversion Nettoyage Contrôle des fonctions

Contrôle Mesure Estimation Analyse des défauts Déduction de mesures et conséquences

Analyse et documentation sur les dommages Préparation Mesures préliminaires Conduite Contrôle des fonctions et contrôle technique Évaluation

Analyse des défauts Démonstration, estimation, décision et exécution des possibilités d’optimisation Contrôle des fonctions et contrôle techniques Évaluation

419

1 DONNÉES DE BASE

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.4 Management technique des bâtiments

1.11 Bases de Facility Management…

2. Stratégie de maintenance Évaluation et processus utilisé pour atteindre les objectifs fixés de maintenance comme la disponibilité, la durée d’utilisation, les coûts optimaux d’entretien, la sécurité et la protection de l’environnement. Le type de maintenance approprié doit être appliqué en fonction de l’évaluation des objectifs de maintenance. Les types préventifs de maintenance sont réalisés à intervalles fixes ou selon les critères fixés pour une diminution de la probabilité de défaillance ou de la probabilité d’une fonction restreinte, alors que les types correctifs de maintenance sont réalisés seulement s’il existe un défaut connu, dans le but de remettre l’appareil en état de remplir la fonction requise. La figure 1.11.4-2 explique la différence.

Stratégies de maintenance

Maintenance préventive

Maintenance basée sur l’état de l’appareil

Maintenance fixée au préalable (déterminée à l’avance)

Planifiée, régulière, sur demande

Planifiée

Maintenance corrective (apport de solutions)

Retardée / repoussée

Immédiate

Fig. 1.11.4-2 : Stratégies de maintenance selon DIN 31051.

3. Fonctionnement Selon DIN 32541, le fonctionnement comporte l’ensemble de toutes les activités exercées sur les appareils de chauffage et de climatisation depuis le début de l’utilisation (mise en marche) jusqu’à l’arrêt définitif de l’utilisation (mise en arrêt définitive, mise à la ferraille). Les plus importantes de ces activités sont : – l’utilisation (mise en place, fourniture des biens consommables et de fonctionnement, contrôle, examen et réparation des dommages) ; – l’entretien ; – la mise en arrêt provisoire ou définitive. 4. Mise en service Terme générique pour la manœuvre des dispositifs et équipements de commande. Exemple : la mise en marche et la commande. 5. Contrôle Surveillance des processus de fonctionnement concernant une marche ordonnée et prévue et application par dérogation des mesures adéquates. 6. Examen L’examen est un « procédé technique qui consiste en la désignation d’une ou plusieurs caractéristiques d’un produit, d’un processus ou d’un service d’après un procédé fixe ». 7. Panne et réparation des dommages Une panne est une interruption involontaire en matière d’entretien, ou une forte détérioration de la fonction prévue d’un appareil dans des conditions définies. On la reconnaît à l’incapacité d’un appareil, pour n’importe quelle raison, à remplir une fonction requise et prévue. La réparation des dommages est limitée aux activités immédiatement réalisables ayant pour objectif de rétablir la fonction déterminante. La réparation des dommages comprend, au plan des directives techniques, toutes les mesures entreprises à partir de la première désignation apparente de la cause (analyse sommaire des défauts permettant de savoir si un dommage peut être réparé ou non sans une remise en état) quant à la création immédiate de solutions provisoires (pour autant qu’elles soient possibles pour l’appareil traité), jusqu’à l’arrêt des dommages mécaniques ou des coupures électriques (pour autant qu’aucune réparation ne soit nécessaire). Il faut ensuite grâce à des mesures immédiatement possibles faire attention à ce que d’autres dommages ne surviennent suite à l’arrêt ou à la réparation. Si avec ces mesures l’interruption ou la dégradation de la fonctionnalité n’est pas rétablie de façon durable, une réparation de l’appareil est nécessaire. 8. Analyse des défauts Activités de recherche des défauts, localisation des défauts et détermination des causes avec examen correspondant en vue de savoir si une amélioration est techniquement réalisable et économiquement acceptable. Une analyse détaillée des défauts fait partie de la réparation.

420

1.11.4 Management technique des bâtiments

1.11 Bases de Facility Management…

Analyse des défauts Diagnostic des défauts

non

1 DONNÉES DE BASE

Disponibilité requise atteinte oui non

Amélioration techniquement possible oui

non

Amélioration économiquement acceptable oui

non

Amélioration économiquement acceptable

Point faible

oui Réparer

Supprimer le point faible

Fig. 1.11.4-3 : Ordinogramme pour l’analyse des défauts selon DIN 31051.

9. Matériel d’utilisation Unité ou matériel classé pour un appareil et prévu seulement pour une utilisation unique et limitée dans le temps. 10. Pièce détachée Pièce (unité) faite pour remplacer une unité correspondante afin de rétablir la fonction initiale de l’appareil. Une pièce (unité) prévue pour un équipement déterminé et/ou interchangeable est souvent également appelée pièce de rechange. 11. Matériel d’utilisation (pièce d’utilisation) Unité ou matériel qui n’est pas classé uniquement pour un appareil et prévu pour une utilisation unique. 12. Disponibilité Capacité d’un appareil à se trouver à un moment donné ou pendant un intervalle de temps donné dans un état dans lequel il peut remplir une fonction requise dans des conditions données en supposant que les outils de travail externes nécessaires sont préparés. 13. Réserve d’utilisation/d’usure Selon DIN 31051, il s’agit de la réserve d’accomplissements possibles de fonctions dans des conditions déterminées, donnée à un appareil (unité d’étude) en fonction de la fabrication, de la réparation ou de l’amélioration. La limite d’utilisation est la valeur moyenne fixée ou convenue de la réserve d’usure (fig. 1.11.4-4). L’état technique, et avec lui, en principe, aussi la réserve d’usure, peut en raison de l’utilisation continue de l’ensemble de l’appareil et avec une réparation optimale être parfois amené à un niveau correspon-

État initial après fabrication

Réserve d’usure

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Réformer

État initial après réparation ou suppression des points faibles

Limite d’utilisation

Temps

Arrêt

Fig. 1.11.4-4 : Exploitation typique de la réserve d’usure d’une installation technique et sa mise en application après une réparation d’après DIN 31051.

421

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.4 Management technique des bâtiments

dant à l’état initial après la fabrication. Ce qui signifie que toutes les installations techniques sont soumises à une utilisation inhérente et possèdent en tant que systèmes une durée de vie et d’utilisation limitée.

-4

Appel d’offres, attribution, commande et contrôle des services dans le management technique de bâtiment

1. Généralités Fondamentalement, ce sont les prescriptions VOB 1 et VOL2 qui prévalent pour l’appel d’offres et l’attribution de services dans le management technique de bâtiment. Des services consultatifs peuvent par exemple être apportés sur la base des contenus de prestations et des taux des honoraires du HOAI paragraphe 73. La grande différence par rapport aux prestations de construction réside dans la garantie du caractère permanent des services du management technique de bâtiment et de la problématique inhérente de garantir une qualité de service pendant et après leur réalisation correspondant au tableau des prestations annoncées. Les critères et l’investissement nécessaire pour la conduite et le contrôle de la qualité dus par le prestataire de service dépendent essentiellement du type d’appel d’offre et de la collaboration principale du commanditaire et du mandataire. 2. Concept d’exploitation Le concept d’exploitation détermine la stratégie principale et les détails qui en découlent pour l’utilisation d’un bâtiment ainsi que les installations techniques s’y rapportant. 3. Description des prestations Habituellement, la prestation demandée doit être décrite ou demandée dans le cadre d’un appel d’offre ou sous forme d’une liste de prestations, d’une description de fonction ou avec un SLA (Service Level Agreements). 4. Liste de prestations C’est la description détaillée sous forme de tableau de tous les détails de prestations dues et subdivisées en titre, usine et niveau de prestation avec des précisions sur la quantité, l’intervalle, le prix unitaire et le prix total. Pour certaines listes de prestations, les prix sont, sur demande, divisés en salaire et part de matériel. 5. Détail des prestations C’est la description écrite du service dû et souhaité, ainsi que de la qualité du service. Contrairement au Service Level Agreement, des quantités et intervalles ne sont pas explicitement donnés, notamment pour chaque unité de prestation. 6. Service Level Agreements et Key Performance Indicators (SLA et KPI) Ce sont des documents définissant la qualité de service devant être atteinte et prouvée, qui se rapporte en général aux grandeurs de sortie y correspondant. La prestation due se réfère ainsi en général à la disponibilité, notamment la préparation des prestations liées à la SLA. Toutes les mesures qui sont nécessaires pour atteindre et respecter le Service Level convenu sont prises sous la responsabilité seule du prestataire de service, ce qui permet de savoir si le service demandé a été fait correctement ou pas. Un Service Level Agreement dans le génie climatique fixe par exemple pour une pièce une température et une humidité données pour un taux de variation donné dans une zone de tolérance correspondante avec une disponibilité exigée. Le Key Performance Indicator est alors censé correspondre à la température et/ou humidité de consigne fixée numériquement avec la zone de tolérance définie et la disponibilité (par exemple 22 ˚C ± 3 ˚C 365 jours par an). 7. Contrôle et évaluation des annonces L’évaluation et la comparaison des annonces dans le domaine des services se fait formellement selon les mêmes critères que pour les prestations de construction. L’évaluation et la comparaison de la qualité proposée de prestation supposent cependant une plus grande confiance en la qualité de service du prestataire. C’est pourquoi il est plus important de bien s’assurer de l’efficacité, de la gestion de la qualité, du processus de savoir-faire et du management, ainsi que de la capacité du prestataire, et d’appliquer ces critères. Ces critères doivent être pris en compte lors de l’évaluation et de la comparaison des annonces selon la mise en attente et les exigences du service. 8. Les termes du contrat Les contrats sur le fonctionnement et l’entretien des appareils de chauffage et de climatisation dans le cadre des contrats de Facility Management ou de management de bâtiment ont des durées de validité types de trois à cinq ans et sont donc nettement plus longs que les contrats types de maintenance, qui ont généralement des délais de clôture annuels. Avec le transfert de responsabilités de fonctionnement et d’entretien à un prestataire de service, il faut particulièrement faire attention au point concernant la responsabilité et la garantie. Selon la prestation du contrat, les dispositions légales, la situation d’assurance, le domaine et l’utilisation de l’immobilier et des installations techniques y fonctionnant, des risques très différents apparaissent et doivent être signalés individuellement en détail entre le commanditaire et le prestataire de service, et ce de façon contractuelle. 1. VOB : code pour l’attribution des marchés des travaux publics. 2. VOL : code pour l’attribution des marchés publics de biens et services.

422

1.11.4 Management technique des bâtiments

Les procédés de réparation reconnus dans le cadre de l’entretien doivent être régis par un contrat. Il est recommandé d’inclure les réparations de petite valeur dans le contrat sans qu’il doive y avoir au préalable de délégation particulière par le commanditaire. Les travaux de réparation allant jusqu’à une valeur convenue, par exemple 150 à 500 € par cas isolé, peuvent être inclus de façon forfaitaire dans le contrat. Une facturation peut, après preuve des coûts salariaux et de matériel, atteindre une somme annuelle convenue contractuellement ou être déléguée par le commanditaire après accord. 9. Conduite, contrôle et réception du service La dépense du commanditaire concernant le contrôle et la conduite pour les prestations contractuelles de management technique de bâtiment dépend de façon déterminante du type de description de la prestation et du contrat. La dépense de contrôle et de conduite pour un contrat basé sur le SLA est en général sensiblement plus faible que pour un contrat basé sur les positions de prestation. Les conditions préalables sont cependant réalisées dans les deux cas de la même manière par une documentation et un rapport appropriés. La réception des services à la fin du contrat ou pendant la durée de validité du contrat conditionne en général la détermination globale de l’état de marche de l’équipement technique du bâtiment.

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-5

Fonctionnement des appareils de chauffage et de climatisation

1. Généralités Les appareils de chauffage et de climatisation doivent fonctionner de telle manière que les conditions des prescriptions légales et les directives qui y sont liées soient respectées. Le respect et le maintien des directives pertinentes est également nécessaire pour un fonctionnement après « l’état de la technique » et facilite l’exposé de preuves pour les litiges concernant la qualité des prestations de fonctionnement. Les plus importantes sans exigence d’intégralité sont : – le climat ambiant ; – la sécurité ; – les nuisances. Pour un fonctionnement sûr et économique des installations de chauffage et de climatisation, il faut de nos jours en principe une automatisation de l’installation, et, pour de plus grands complexes de bâtiment, une gestion technique de bâtiment englobant tout le domaine si nécessaire. Pour le fonctionnement des installations de chauffage et de climatisation, des documents techniques sont nécessaires. Lors de la réception des installations réalisées, il faut absolument s’assurer que les documents techniques requis dans le cadre des prestations sont inclus lors de l’installation et présentés et livrés entièrement lors de la réception. Durant la phase de fonctionnement, les documents de l’exploitant doivent être actualisés en permanence. Les documents techniques les plus importants pour le fonctionnement sont : – résumé des spécificités techniques importantes des installations ; – schémas des installations hydrauliques et aérauliques ; – calculs hydrauliques ; – plan d’ensemble des installations et des branchements électriques ; – consignes de maintenance et de fonctionnement ; – planification d’exécution, notamment planification de montage et d’atelier ; – liste des pièces, liste des pièces de rechange avec conseils d’entretien ; – diagrammes et courbes caractéristiques, par exemple pour les ventilateurs, les pompes et les tours de refroidissement ; – description de fonction avec diagrammes des normes ; – listes d’informations ; – protocoles de mise en marche et de réglage avec tous les paramètres d’installation et les valeurs de mesures documentées et détaillées. L’exploitant est en principe responsable du caractère sûr et réglementaire des installations de chauffage et de climatisation, car il possède et exerce le pouvoir matériel effectif sur les installations.

-6

Inspection, examen et maintenance des installations de chauffage et de climatisation

1. Généralités Les activités de maintenance, d’examen et d’inspection des appareils et installations de chauffage et de climatisation ont lieu suivant les conditions légales, les prescriptions du constructeur, notamment les directives comme VDMA 24186, VDI, AMEV, etc. Les activités de maintenance et d’inspection ne doivent, en principe, être réalisées que par le personnel compétent des entreprises spécialisées. Pour les activités courantes comme les simples travaux de nettoyage ou les changements de filtres, des aides peuvent aussi le cas échéant être utilisées lorsqu’elles sont conduites de façon professionnelle ou surveillées par un personnel qualifié pendant les travaux. Les activités doivent être planifiées dans le cadre du management technique de bâtiment (voir par exemple VDI 2890) et documentées dans les domaines correspondants de maintenance, examen et inspection.

423

1 DONNÉES DE BASE

1.11 Bases de Facility Management…

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.4 Management technique des bâtiments

Les détails, tels que les dates et la nature des travaux et prestations réalisés sur des appareils et installations de chauffage, sont en général décidés par l’exploitant responsable professionnellement en tenant compte des prescriptions du constructeur. Les directives comme VDMA 2186, VDI 3801 ou VDI 3810 indiquent quels travaux et prestations, correspondant à l’état technique et d’après les expériences sur les appareils et installations, doivent être opérés. Une inspection comprend l’examen des fonctions et de l’état et détermine si nécessaire les mesures requises par la réparation et la maintenance. Il faut donc : – examiner l’état mécanique intérieur et extérieur ainsi que les données techniques pour des mesures et une comparaison avec les valeurs standards prévues et – estimer la rentabilité, la sécurité et l’efficacité. 2. Appareils et installations de chauffage Pour les appareils et installations de chauffage, les systèmes et composants suivants peuvent se différencier d’après VDMA 24186 partie 2, leur réparation devant être exécutée après étude ou travaux de maintenance, examen et inspection. – Générateurs de chaleur (réservoirs, capteurs solaires, pompes à chaleur, centrale de chauffage à distance [BHKW]). – Équipements de chauffage, y compris brûleur (brûleur à fioul, brûleur à gaz avec ou sans ventilateur), systèmes d’alimentation des foyers pour combustibles solides (bois, copeaux, pellets, coke, charbon, briquettes), brûleur pour charbon pulvérisé (foyer ouvert ou fermé). – Conduits de fumée (raccordement d’évacuation des produits de combustion jusqu’à la cheminée y compris les compensateurs, les soufflets de dilatation et les trappes de nettoyage, les amortisseurs de bruit, les échangeurs de chaleur de gaz d’échappement, les clapets de produits de combustion, les appareils d’air additionnel (régulateurs d’air additionnel), les extracteurs de gaz de combustion, les conduits d’évacuation (cheminées), les purges, les appareils de neutralisation, les appareils de mesure. – Installations de chauffage d’eau (pour eau industrielle ou potable, tout comme pour eau de chauffage [échangeurs à contre-courant]). – Appareils de maintien de pression (augmentation de la pression, diminution de la pression, réservoir sous pression). – Tuyauteries (pompes, vannes, robinetterie d’équilibrage, de sécurité, de régulation, filtres, canalisations). – Cuves d’équilibrage des pressions. – Centrales de dosage. – Surfaces de chauffage (radiateurs [radiateurs en acier à panneaux, convecteurs]). – Armoires de commande, équipements de mesure, commande et réglage et systèmes d’automatisation du bâtiment. – Éléments de commande à transistors (électromoteurs 1, courroies d’entraînement, accouplement, transmission par chaîne, engrenage). – Chambre de chauffe et réserve de combustibles. – Documentation et caractéristiques (documents concernant la maintenance [par exemple schémas, prescriptions du constructeur], description de l’installation [signalisation, codage des couleurs, plaques signalétiques/marques d’agrément]). 3. Traitement d’air Pour les appareils et installations de traitement d’air, on distingue selon VDMA 24186 partie 1 les systèmes et composants suivants, dont l’entretien s’effectue si nécessaire ou après des travaux réguliers de maintenance, de contrôle et d’inspection. – Équipements d’amenée d’air (ventilateurs). – Échangeur de chaleur (réchauffeur d’air (air/liquide), réchauffeur d’air électrique, refroidisseur d’air (air/liquide)/déshumidificateur, évaporateur (air/fluides frigorigènes), échangeur de chaleur à écoulements transversaux ou rotatifs, tours de refroidissement). – Filtre à air (filtre à déroulement, filtre à couche sèche, filtre électrique, filtre à absorption, filtre pour matières en suspension dans l’air, filtre à vapeurs). – Humidificateur d’air (humidificateur à vaporisation et à pulvérisation rotatif séparateur de gouttelettes, humidificateur à vapeur avec ou sans sa propre production de vapeur, humidificateur hybride, à vaporisation ou à ultrasons). – Éléments de construction du système de répartition de l’air (grille de protection ou autre grille, registre à persiennes, chambres, registres ou clapets coupe-feu, conduits d’air, silencieux, caissons mélangeurs et régulateurs de débit, éléments de barrage et d’équilibrage, appareils à induction et appareils similaires de traitement terminal). 1. Électromoteur : qui développe l’électricité sous l’effet d’une action mécanique ou chimique.

424

1.11.4 Management technique des bâtiments

– Installations mécaniques de désenfumage (MRA) et installations sous pression de protection contre la fumée (RDA) (ventilateurs, conduits d’air, registre à persiennes, grilles et systèmes d’accumulation nocturne). – Évacuateur de chaleur (WA)/installations mécaniques d’évacuation de chaleur. – Tuyauterie (pompes, vannes, registres d’équilibrage et de régulation, filtre, tuyauteries et vases d’expansion). – Armoires électriques, équipements MSR et systèmes d’automatisation de bâtiment. – Éléments de commande (moteurs électriques, mécanismes à courroie, accouplement, engrenages). – Documentation et caractérisation (documents concernant la maintenance [par exemple schémas, prescriptions du constructeur], caractérisation existante [signalisation, caractérisation par des couleurs, plaques signalétiques/marques d’agrément]). 4. Installations de refroidissement Pour les appareils et installations de refroidissement, on distingue selon VDMA 24186 partie 3 les systèmes et composants suivants, dont l’entretien s’effectue si nécessaire ou après des travaux réguliers de maintenance, de contrôle et d’inspection. – Commutateurs (compresseur alternatif et rotatif). – Échangeur de chaleur (condenseur refroidi par air, par vapeur ou par eau, évaporateur [liquide/agents frigorigènes], évaporateur [liquide/fluides frigorigènes]). – Pièces d’installation dans le cycle frigorifique (tuyauteries, robinetterie, équipements de sécurité et équipements pour mesure, commande et réglage, appareils d’affichage et de mesure). – Réfrigérants de retour (réfrigérants de retour à vaporisation (tours réfrigérantes), réfrigérants de retour à sec). – Équipements aérauliques (ventilateurs, conduits d’air, filtres). – Tuyauteries (cycle secondaire) (pompes, vannes, robinetterie d’équilibrage et de régulation, filtre, tuyauteries et vases d’expansion). – Absorbeur (échangeur de chaleur à absorption, pompes, éléments de commande, cycle d’absorbeur [lithium-eau]). – Équipements électriques (armoire électrique, armoire de commande, équipements de sécurité). – Éléments de commande (moteurs électriques, mécanismes à courroie, accouplement, engrenages). – Documentation et caractéristiques (documents concernant la maintenance [par exemple schémas, prescriptions du constructeur], caractérisation existante [signalisation, codage des couleurs, plaques signalétiques/marques d’agrément]).

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-7

Obligation de contrôle des installations de chauffage, de refroidissement et de climatisation1

-7.1 Devoirs concernant les maîtres d’ouvrage, notamment les exploitants des installations Les installations et équipements techniques, ainsi que leurs équipements de protection contre l’incendie, doivent être régulièrement contrôlés en ce qui concerne leur efficacité et leur sécurité de fonctionnement. Les maîtres d’ouvrage, notamment les exploitants des installations, doivent immédiatement éliminer les défauts constatés lors d’un contrôle qui présentent un danger réel pour la sécurité. Tous les autres défauts constatés doivent être éliminés dans un délai raisonnable. Le contrôle est effectué par des experts ou des contrôleurs aux frais du maître d’ouvrage, ou exploitant. -7.1.1 Contrôleurs (reconnus selon la législation en matière de construction)

Les contrôleurs sont des ingénieurs de la branche correspondante qui, en raison de leur formation, connaissances, expériences et activités techniques, peuvent effectuer les contrôles appropriés qui leur sont confiés et reconnaître et juger les dangers possibles. En plus des connaissances personnelles, ils doivent aussi disposer des appareils de contrôle, ressources et équipements nécessaires aux activités de contrôle. Une expertise technique de l’inspection de la construction est exigée comme preuve des connaissances requises. -7.1.2 Experts

Les experts sont des personnes qui, en raison de leur formation, connaissances, expériences et activités techniques, peuvent effectuer les contrôles appropriés qui leur sont confiés et reconnaître et juger les dangers possibles (par exemple les ingénieurs de la branche correspondante, les personnes ayant une formation professionnelle complète).

1. Par Dipl. -Ing. -Éco. Markus Schmitz, Essen, et Dipl. -Ing. Thomas Altmüller, Oberhausen, pour la 72e édition. Ajouts pour les éditions suivantes.

425

1 DONNÉES DE BASE

1.11 Bases de Facility Management…

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.4 Management technique des bâtiments

-7.2 Installations de ventilation Selon l’ordonnance du 27.09.2002 sur la sécurité d’exploitation, il incombe à l’exploitant de définir et de fixer la nature, l’étendue et les délais des contrôles des moyens d’exploitation. L’obligation de demander le contrôle des installations de traitement de l’air n’est plus décrit dans l’ordonnance sur les lieux de travail du 12.08.2004 (auparavant § 53). Les directives sur les lieux de travail (octobre 1979) de l’ordonnance sur les lieux de travail restent cependant toujours en vigueur. La directive 5 fixe toujours les intervalles de contrôle à 2 ans maximum1. Dans le règlement architectural des Länder, le contrôle des installations et équipements de traitement d’air est réglementé en fonction des bâtiments visés. Pour la Rhénanie-Westphalie, par exemple, les contrôles des équipements et installations techniques et de leurs mesures de protection incendie sont fixés dans l’ordonnance de contrôle technique du 24.11.2009 (PrüfVO NRW). Cette ordonnance vaut pour les contrôle dans : – les centres commerciaux dans l’esprit de l’ordonnance sur les centres commerciaux du 22.01.1969, remplacée en dernier lieu par l’ordonnance du 08.09.2000 (> 2 000 m 2) ; – les lieux de réunion et les restaurants dans l’esprit de l’ordonnance sur les lieux de réunion et d’hébergement du 20.09.2002 ; – les hôpitaux dans l’esprit de l’ordonnance sur la construction des hôpitaux du 21.02.1978, remplacée en dernier lieu par l’ordonnance du 05.12.1995 ; – les immeubles de grande hauteur dans l’esprit de l’ordonnance sur les immeubles de grande hauteur, remplacée en dernier lieu par l’ordonnance du 05.12.1995 (> 22 m) ; – les garages grands et moyens dans l’esprit du paragraphe 2 section 1 de l’ordonnance sur les garages du 02.11.1990, remplacée en dernier lieu par l’ordonnance du 05.12.1995 (>100 m 2) ; – les foyers/maisons dans l’esprit du paragraphe 1 section 1 de la loi sur les foyers du 23.04.1990, remplacée par la loi du 26.05.1994 ; – les établissements d’enseignement général et professionnel ; – les bâtiments à usage industriel et commercial (> 200 m 2/étage) ; – les halls pour foires et expositions, les halls d’enregistrement des aéroports et des gares (> 200 m2/étage) ; – les bâtiments sur ordre de l’inspection responsable de la construction. Tableau 1.11.4-1 – Ordonnance sur le contrôle PrüfVO NRW à partir de 2010 : contrôle effectué par des experts reconnus par l’État Premier contrôle

Nouveau contrôle

Délai de contrôle en années

Dispositif d’alerte au monoxyde de carbone

X

X

3

Équipements extincteurs fixes et automatiques

X

X

3

Installations techniques de ventilation

X

X

3

Installations de ventilation mécaniques dans les garages

X

X

3

Aération forcée

X

X

3

Installations d’extraction mécanique des fumées

X

X

3

Installations d’extraction naturelle des fumées

X

X

6

Équipements extincteurs fixes et non automatiques

X

X

6

Installations techniques dans des bâtiments

D’après l’ordonnance sur le contrôle technique, les contrôles des installations de ventilation dans les bâtiments doivent être effectués par un expert reconnu tout d’abord avant la mise en service, après les principales modifications et périodiquement dans un délai de contrôle de 3 ans. En Rhénanie-Westphalie, mais également dans de nombreux autres Länder, la demande de permis de construction doit être accompagnée d’une demande d’installation de ventilation (représentations schématiques, descriptifs, etc.) pour les systèmes avec montage au plafond ou mural résistant au feu, hormis dans les bâtiments de faible hauteur, ou bien sur cloisons. L’autorité compétente en matière de construction exige souvent que cette demande soit supervisée par un expert reconnu dans le domaine. 1. Pour la France : code du Travail, Art 4221-4 à 17.

426

1.11.4 Management technique des bâtiments

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Un expert doit en outre vérifier que les conditions d’aération naturelle des parkings souterrains sont respectées. Ces contrôles et expertises sont également menés par des experts reconnus d’après la législation en matière de construction (en Rhénanie-Westphalie, experts reconnus par l’État). Les contrôles des installations d’extraction mécanique des fumées ainsi que des dispositifs d’aération forcée destinés au désenfumage des sorties de secours dans les bâtiments d’après l’ordonnance sur le contrôle NRW doivent intervenir en premier lieu avant à la mise en service, après des modifications importantes, puis à intervalles de 3 ans, par un expert reconnu par l’État. Ce délai est porté à 6 ans dans le cas des installations d’extraction naturelle des fumées. Dans la plupart des autres Länder, le contrôle dans des bâtiments définis est réglementé de la même manière, où les types de bâtiments et les délais de contrôle peuvent varier. Ceci est fixé en Bavière dans l’ordonnance sur le contrôle des installations de sécurité, en Saxe et Saxe-Anhalt dans l’ordonnance sur le contrôle technique, dans le Brandebourg dans l’ordonnance sur le contrôle des installations techniques, à Hambourg dans l’ordonnance sur le contrôle technique des habitations, en Thuringe, Hesse et en Rhénanie-Palatinat dans l’ordonnance sur le contrôle des habitations, en Mecklembourg-Poméranie occidentale dans l’ordonnance sur le contrôle des installations et au Schleswig-Holstein dans l’ordonnance de contrôle. Le contrôle dans les bâtiments des installations de traitement d’air et de leurs mesures de protection contre l’incendie comprend les points suivants, qui doivent être consignés dans un rapport d’essai : – contrôle visuel de l’état des pièces de construction (ventilateurs, échangeurs de chaleur, chambres des appareils, filtres, etc.) ; – contrôle de fonction des ventilateurs, commande des registres, commutateur de secours, contrôle de l’installation électrique, contrôle des filtres, protection antigel, détecteur de fumée, technique de régulation et de commande, y compris les indications de fonctionnement et de perturbation ; – mesure du débit volumique prescrit légalement pour chaque domaine d’utilisation ; – contrôle des conduits d’aération concernant la tenue pendant la durée prescrite de résistance au feu – contrôle des clapets coupe-feu et des trappes de protection contre la fumée concernant la construction et le fonctionnement d’après la preuve de facilité d’utilisation (décision d’admission) du clapet ; – contrôle de l’entretien des clapets coupe-feu et des trappes de protection contre la fumée, prescrit d’après la preuve de facilité d’utilisation ; – contrôle conformément aux mesures de protection incendie prises et aux mesures exigées à partir du concept de protection contre les incendies ; – contrôle des bouches d’air recyclé et d’air neuf en respectant les exigences de protection incendie, hygiéniques et acoustiques ; – contrôle des pressions, des conduits de ventilation, des vitesses de l’air et de l’efficacité des bouches d’air soufflé et d’air extrait dans le domaine d’utilisation, et mesure de la température dans le domaine d’utilisation.

-7.3 Installations de chauffage L’obligation de contrôle des installations de chauffage découle de DIN EN 12828:2003-12 « Systèmes de chauffage dans les bâtiments ». Avant la première mise en marche, il faut contrôler les installations de production de chaleur pour un état réglementaire du générateur de chaleur et du chauffage, mais aussi l’équipement de sécurité conformément aux exigences des normes en vigueur. Concernant les installations de production d’eau chaude, ce contrôle est effectué par des experts de l’entreprise de construction, ou, si nécessaire, par des contrôleurs d’après le paragraphe 24 c, alinéa 1 du Code de l’industrie et de l’artisanat. Dans le cadre de la première mise en marche, l’expert doit contrôler le fonctionnement réglementaire de l’équipement de sécurité dans son ensemble, et noter dans un rapport de contrôle : – inspection visuelle de l’état et de la disposition des éléments de sécurité (conduit et vase d’expansion, équipement de remplissage, équipement de régulation de la température, contrôleur de température de sécurité, notamment limiteur de température de sécurité, vanne de sécurité, limiteur de pression de sécurité, protection contre le manque d’eau, équipements d’affichage, etc.) ; – contrôle du fonctionnement de l’équipement de régulation de la température ; – contrôle du fonctionnement du maintien de la température de sécurité, notamment du limiteur de la température de sécurité ; – contrôle du fonctionnement de la vanne de sécurité ; – contrôle du fonctionnement du limiteur de pression de sécurité (min/max) ; – contrôle du fonctionnement de la protection contre le manque d’eau ; – contrôle du fonctionnement de la surveillance de la flamme, de la protection contre le manque de gaz, du robinet à gaz, du maintien de la pression du gaz et du maintien de l’air de combustion ; – contrôle du fonctionnement de la commande d’arrêt d’urgence ; – contrôle des grilles d’aération ; – contrôle du fonctionnement et de la position des portes de sortie de secours.

427

1 DONNÉES DE BASE

1.11 Bases de Facility Management…

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.4 Management technique des bâtiments

-7.4 Installations de refroidissement L’obligation de contrôle des installations de refroidissement provient de la directive VBG 20 sur la prévention des accidents (du 01.04.1987 dans la version du 01.10.1997) « Installations de refroidissement, pompes à chaleur et appareils frigorifiques » 1. Ainsi, l’opérateur doit s’assurer qu’avant leur mise en marche, les installations de refroidissement et les appareils frigorifiques soient soumis à un contrôle d’étanchéité par un expert, et qu’ils soient dans un état réglementaire. Le résultat de ce contrôle doit être certifié par un expert. Ces contrôles sont également nécessaires lorsque les installations de refroidissement ou les appareils frigorifiques ont été modifiés, ou lorsqu’ils sont restés à l’arrêt pendant plus de 2 ans. Il y a également les raccordements flexibles de fluides frigorigènes, qui sont contrôlés au moins tous les 6 mois par un expert pour vérifier l’étanchéité (sauf pour les conduits avec agent frigorifique du groupe 1 avec un poids de remplissage de l’installation allant jusqu’à 10 kg). Un contrôle est nécessaire seulement après révision, notamment après des modifications. Le contrôle des installations de refroidissement est composé comme suit : – inspection visuelle de l’état et de l’emplacement des éléments de sécurité (conduit et vase d’expansion, équipement de remplissage, équipement de régulation de la température, limiteur de température de sécurité, limiteur de pression de sécurité, équipements d’affichage, etc.) ; – contrôle du fonctionnement de l’équipement de régulation de la température ; – contrôle du fonctionnement du maintien de la circulation d’eau de refroidissement et d’eau glacée ; – contrôle du fonctionnement du limiteur de température de sécurité ; – contrôle du fonctionnement du limiteur de pression de sécurité ; – contrôle du fonctionnement de la surveillance de la flamme, de la protection contre le manque de gaz, du robinet du gaz, du maintien de la pression du gaz et du maintien de l’air de combustion ; – contrôle du fonctionnement de la commande d’arrêt d’urgence ; – contrôle de l’aération suffisante des locaux ; – contrôle du fonctionnement et de la position des portes de sortie de secours ; – contrôle du fonctionnement des détecteurs d’agents frigorigènes du dispositif d’alarme de gaz.

-8

Remise en état

On appelle remise en état, ou généralement, réparation, les mesures prises pour la remise d’une installation dans un état de fonctionnement, à l’exception de la modernisation, de l’optimisation et de l’amélioration. Une remise en état comprend selon l’exigence des mesures comme : – l’exécution, la documentation d’exécution, l’analyse du besoin de réparation, le calcul de l’offre et l’offre. Afin d’analyser le besoin de remise en état, une analyse détaillée des défauts est parfois nécessaire ; – la préparation de l’exécution, planification de délai, mise à disposition du personnel des moyens et du matériel, élaboration de plans de travail ; – les mesures préalables comme l’équipement du lieu de travail, les équipements de sécurité et de protection, etc. ; – la supervision de la préparation et les mesures préalables y compris l’autorisation d’exécution ; – l’exécution de la remise en état ; – le contrôle du fonctionnement, l’annonce de l’achèvement et la réception ; – l’évaluation, y compris la documentation, l’inscription des coûts, la présentation des possibilités d’amélioration.

-9

Gestion de l’information

Pour la justification de prestation, l’évaluation continue de l’état technique de l’installation pour une optimisation et une décision économique pour le fonctionnement au moment approprié pour les mesures de remise en état et pour le management de l’énergie, une documentation et un rapport correspondants sont nécessaire dans la gestion technique de bâtiment. Selon les recommandations de VDI 3801, le rapport se compose de : – listes des matériels avec indications des pièces de construction et des appareils, nombre, produit, type et emplacement de l’installation, et enregistrement des activités et de la période d’exécution ; – listes des pièces de rechange (se rapportant aux installations avec indications sur les pièces importantes de rechange et de consommation comme par exemple les courroies trapézoïdales et les filtres ; 1. Actuellement BGV D4.

428

1.11.4 Management technique des bâtiments

– rapports de maintenance avec indication sur les prestations exécutées, le matériel utilisé, les défauts, les résultats de mesure et de contrôle et indications le cas échéant sur les réparations nécessaires ; – rapports d’inspection avec indications sur les prestations exécutées, les défauts, indications sur la remise en état, les résultats de mesure et de contrôle, l’évaluation de l’état et de la fonction, mais aussi de la sécurité et de l’économie du fonctionnement ; – rapports de remise en état avec indications sur les activités exécutées, le remplacement de matériel et les résultats de mesure. Les données et rapports de la gestion technique du bâtiment sur la remise en état sont aujourd’hui traités et archivés électroniquement avec les autres paramètres de fonctionnement avec le système CAFM 1. Les exemples suivants de listes de maintenance et d’inspection présentent sous forme d’exemple une documentation et un rapport type des données. Les quatre exemples se distinguent pour l’essentiel par la présentation de la fréquence. Pour les exemples 1 et 2, la fréquence est cochée ou plutôt inscrite dans la colonne pertinente, pour l’exemple 3, elle se trouve de façon homogène pour chaque côté dans l’en-tête du tableau. Cet exemple organise la liste de maintenance ou d’inspection d’après la fréquence. Dans l’exemple 4, concernant la fréquence, une distinction est faite entre les différents usages. On prévoit en outre une colonne « d’exécution », dans laquelle est indiquée la qualification requise dans les cas particuliers. Remarque : les données des listes des exemples ne servent qu’à appuyer l’illustration. Exemple 1 Constructeur N° courant

1 1.1

Travaux d’exécution

Grandeur de mesure et de contrôle des matériaux d’aide et de fonctionnement

Moteur E Contrôler la température 60 °C max. de stockage Contrôler l’état du balai de charbon Mécanisme d’engrenage Contrôler l’état de l’huile Huile de graissage Changer l’huile DIN 51517 – C 100

1.2 2 2.1 2.2 1)

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Liste de maintenance/liste d’inspection

2)

Liste de produit N° Fréquence

m

3m 6m

a

Remarques

x x x

3)

x 4)

5)

Exemple 2 Constructeur N° courant

1 1.1

Liste de maintenance/liste d’inspection Travaux d’exécution

Moteur E Contrôler la température 60 °C max. de stockage Contrôler l’état du balai de charbon Mécanisme d’engrenage Contrôler l’état de l’huile Huile de graissage Changer l’huile DIN 51517 – C 100

1.2 2 2.1 2.2 1)

2)

Liste de produit N°

Grandeur de mesure et de contrôle des matériaux Fréquence d’aide et de fonctionnement

3)

Remarques

3m 6m

m a 4)

5)

1. CAFM : Computer Aides Facility Management.

429

1 DONNÉES DE BASE

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.4 Management technique des bâtiments

1.11 Bases de Facility Management… Exemple 3 Constructeur N° courant

1 1.1 2 2.1 2.2

Liste de maintenance/liste d’inspection Fréquence : 4) par an Travaux d’exécution

Liste de produit N°

Grandeur de mesure et de contrôle des matériaux d’aide et de fonctionnement

Remarques

3)

5)

Équipement extincteur Contrôler l’état du bac de l’extincteur Dispositif de freinage Contrôler l’état de la garniture de frein Nettoyer le filtre d’huile de frein 1)

2)

Exemple 4 Constructeur

N° courant

1 1.1

Travaux d’exécution

Grandeur Classes de mesure d’utilisation et de contrôle des de la fréquence Exécution Remarques matériaux d’aide et B C de fonctionnement A

Actionnement Moteur : Contrôler la marche silencieuse Contrôler la température Contrôler la propreté 1)

Liste de produit N°

Liste de maintenance/liste d’inspection

2)

2m m 2w 2m m 2w a a a 3)

4)

6)

5)

Indications : 1) Numérotage d’après DIN 1421-1. 2) Indiquer les travaux de maintenance, notamment d’inspection, correspondant à l’état général choisi. 3) Indiquer les désignations neutres pour les matériaux d’aide et de fonctionnement, par exemple d’après DIN, SAE, etc. 4) On peut entendre par fréquence, entre autres, les intervalles de temps (horaire, quotidien, hebdomadaire, etc.), les heures de fonctionnement, les fréquences de mise en marche. Pour indiquer les fréquences, on utilise des abréviations qu’il faut expliquer : h = horaire, w = hebdomadaire, a = annuel, d = quotidien, m = mensuel Très souvent de telles fréquences sont caractérisées par des chiffres antéposés, par exemple : 6 m = tous les 6 mois Colonne classes d’utilisation : les classes d’utilisation peuvent être différenciées lorsque la fréquence des travaux de maintenance ou des travaux d’inspection est par exemple fonction de la durée d’utilisation : – Classe d’utilisation A : utilisation occasionnelle en cas de longs temps de repos – Classe d’utilisation B : utilisation occasionnelle en cas de fonctionnement discontinu – Classe d’utilisation C : utilisation régulière avec fonctionnement continu. Ici peuvent apparaître les indications suivantes : – Outils particuliers, appareils de mesure et de contrôle, butées, adjuvants, dispositifs – Contrôle pour un état de fonctionnement déterminé – Renvoi à des documents complémentaires sur l’entretien – Indication sur les dangers particuliers – Équipements et mesures de sécurité, équipement personnel de protection – Collaboration nécessaire avec des personnes compétentes Il faut préciser si nécessaire la qualification que doit posséder un exécutant. Les abréviations choisies doivent être expliquées. Ainsi, les programmes de prestation pour l’entretien des équipements techniques spéciaux sont regroupés dans VDMA 24186-1.

430

1.11.4 Management technique des bâtiments

VDMA 24186 Programme de prestation pour l’entretien des équipements de traitement d’air et autres équipements techniques dans les bâtiments Partie 0 Aperçu et plan, système de numérotation, indications générales d’utilisation Partie 1 Appareils et installations de traitement d’air Partie 2 Installations de chauffage Partie 3 Installations de refroidissement Partie 4 Équipements MSR et systèmes d’automation de bâtiment Ces fiches individuelles de la VDMA recommandent des organisations de prestation et des cycles de contrôle, qui servent en règle générale pour la compréhension d’un contrat de maintenance. L’AMEV (Groupe allemand de l'industrie mécanique et électrotechnique, gestion nationale et communale) et les indications du constructeur fournissent d’autres bases.

1

-10 Coûts d’utilisation

Rectifications du Pr Marina Schultz, ingénieur à Weimar 1

-10.1 Généralités Le paragraphe 1.11-2 page 394 contient les points principaux et les procédés de calcul importants. C’est pourquoi cette section ne présente que des indications spécialisées complémentaires sommaires. Selon VDI 20672, on distingue : – coûts liés au capital (frais de capital) pour l’amortissement et l’intérêt du capital, y compris l’entretien et le renouvellement – coûts liés à la consommation (coûts en énergie) pour les combustibles, l’électricité de secours, l’eau, les carburants, entre autres ; – coûts liés au fonctionnement (coûts de fonctionnement) pour le nettoyage entre autres, utilisation pour la maintenance et l’inspection – autres coûts pour les taxes, les assurances, entre autres. Remarque : dans les chapitres ci-après, compte tenu de la barrière linguistique, notamment compte tenu de la présentation des méthodes de calcul assez différentes, on renonce à : – l’évaluation des coûts selon les besoins de chacun ; – tout comme au constat des coûts effectifs sur la base des taux de consommation respectifs. -10.2 Installations de chauffage et préparation d’eau chaude sanitaire -10.2.1 Frais de capital

Voir paragraphe 1.11-2 page 394 et VDI 20673 (tableau 1.11.4-2).

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Tableau 1.11.4-2 – Durée de vie des éléments des installations de chauffage central Chaudière multisections en fonte………………………………………………………..…20 ans Cuve en acier…………………………………………………………………………….....15 ans Radiateurs en fonte…………………………………………………..……………………..30 ans Radiateurs en acier…………………………………………………………....…...……….20 ans Cuve spéciale pour le gaz ou fioul……………………………………………...………….20 ans Cuve à électrodes de protection………………………………………………...………….25 ans Chauffe-eau à gaz avec recyclage…………………………………………………....…….18 ans Chaudière à gaz sans ventilateur……………………………………………………...……20 ans Brûleur à gaz sans ventilateur……………………………………………………………...20 ans Brûleur à fioul et à gaz sans ventilateur…………………………………………………....12 ans Pompes de circulation……………………………………………………………..……….10 ans Vase d’expansion à membrane……………………………………………………....……..15 ans Tuyauteries pour chauffage à eau chaude……………………………………………....….40 ans Conduits de condensats…………………………………………………………………….. 8 ans Cuve en acier, à double paroi………………………………………………………...…….15 ans Cheminée dans les bâtiments…………………………………………………………...….50 ans

1. Premier remaniement comme le précédent paragraphe 1.13.8 par le Prof. univ. Dr -Ing. Marina Schulz, Weimar, pour la 70e édition ainsi que les ajouts ultérieurs. 2. VDI 2067-1:2000-09 Bases et évaluation des coûts. VDI 6025:1996-11 Calculs sur l’économie de fonctionnement pour les biens d’investissement et les installations. 3. Hirschman, R. : HLH 48 (1997)/08 page 24 et suivantes, VDI E 2067-11:1998-06 Procédés de mesure pour le besoin d’énergie des bâtiments chauffés et climatisés.

431

1 DONNÉES DE BASE

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.4 Management technique des bâtiments

1.11 Bases de Facility Management…

-10.2.2 Coûts en énergie des installations de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire

Remarque : la problématique présentée au paragraphe 1.11.4-10.3.2 page 436 au sujet de la précision des procédés statistiques de calcul vaut aussi bien en cas de chauffage qu’en cas de refroidissement. C’est pourquoi il faut créer un instrument correspondant avec VDI 2067-11 – Économie des installations techniques de bâtiment – Procédés dynamiques de calcul 1. Pour calculer les coûts en énergie, la démarche suivante est nécessaire.

Immeubles d’habitation

Charge thermique spécifique

W/m2

Maisons en enfilade ion truct cons58 e d 9 e Anné avant 1

Maisons particulières

À partir de 2001 Proportion A/V

Fig. 1.11.4-5 : Charge thermique moyenne spécifique de bâtiments par m 2 de surface utile en fonction de l’âge du bâtiment et de la proportion A/V (surface enveloppe extérieure par rapport au volume hors tout)∗). *) Ihle, Bacher, Golla : Livre de poche, Sanitaires, chauffage, climatisation, aération. 5e édition, 2005.

Besoin de chauffage W/m3.K

a) Calcul des besoins annuels de chauffage et d’eau chaude DIN 47012 et VDI 20673, 4 présentent les bases de calcul qui fournissent des résultats exacts relatifs à l’objet. Les évaluations suivantes peuvent être choisies en première approximation.

Grandes surfaces de porte et de fenêtre Petites surfaces de porte et de fenêtre

Forte isolation thermique Local industriel

Fig. 1.11.4-6 : Charge thermique spécifique moyenne des locaux industriels par m3 de pièce construite. Volume

1. Hirschman, R. : HLH 48 (1997)/08 page 24 et suivantes, VDI E 2067-11:1998-06 Procédés de mesure pour le besoin d’énergie des bâtiments chauffés et climatisés. 2. DIN V 4701-10:2003-08 Évaluation énergétique des installations de chauffage et de traitement d’air. 3. VDI 2067-12:2000-06 Besoin en chaleur utile pour le chauffage d’eau potable. 4. VDI E 2067-10:1998-06 Besoin en énergie des bâtiments chauffés et climatisés.

432

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.4 Management technique des bâtiments

Besoin en chauffage/ énergie thermique [kWh/m2a]

Isolation thermique V 82 (besoin en énergie thermique) Isolation thermique V 82 (besoin en énergie thermique) Isolation thermique V 95 (besoin en énergie thermique) Isolation thermique V 95 (besoin en énergie thermique)

1 DONNÉES DE BASE

Économie d’énergie V (besoin en énergie thermique)

Proportion A/V [m-1]

Fig. 1.11.4-7 : Valeurs indicatives pour les besoins spécifiques de chauffage/d’énergie thermique en fonction de l’âge du bâtiment et de la proportion A/V (enveloppe extérieure par rapport au volume hors tout)*). *) Hegner, H.-D. : Ordonnance sur l’économie d’énergie 2002. Symposium sur les constructions économes en énergie. Berlin : 1999.

Tableau 1.11.4-3 – Besoin de chauffage et d’eau pour l’eau chaude sanitaire, besoin global *) 1 Besoin global

Douche, lavabo, lave-vaisselle avec raccordement d’eau froide ***) Valeur moyenne du besoin supplémentaire Lavage seulement à la main Bidet

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Baignoire normale, lavabo, lave-vaisselle avec raccordement d’eau froide ***) Valeur moyenne du besoin supplémentaire Lavage seulement à la main Bidet Grande baignoire, lavabo, lave-vaisselle avec raccordement d’eau froide ***) Valeur moyenne du besoin supplémentaire Lavage seulement à la main Bidet Baignoire normale et douche, lavabo, lavevaisselle avec raccordement d’eau froide ***) Valeur moyenne des besoins supplémentaires Lavage seulement à la main Bidet

2 3 Besoin global utile en eau chaude lié aux personnes et à la température d’utilisation δN **) νN, ges, d νN, ges, a l/d m3/a 15 à 47 5,2 à 16,2

4 5 Besoin global en énergie utile par personne qN, ges, d qN, ges, a kWh/d kWh/a 0,5 à 1,6 190 à 570

31 4 3à6 33 à 56

10,7 1,3 1,0 à 2,1 11,4 à 19,3

1,1 0,2 0,1 à 0,2 1,1 à 1,9

380 60 40 à 70 400 à 680

44 4 3à6 48 à 71

15,7 1,3 1,0 à 2,1 16,6 à 24,5

1,5 0,2 0,1 à 0,2 1,7 à 2,5

540 60 40 à 70 580 à 860

59 4 3à6 22 à 54

20,7 1,3 1,0 à 2,1 7,5 à 18,6

2,1 0,2 0,1 à 0,2 0,7 à 1,9

720 60 40 à 70 270 à 650

38 4 3à6

12,7 3 1,0 à 2,1

1,3 0,2 0,1 à 0,2

460 60 40 à 70

*) VDI 2067-12:2000-06 Économie des installations techniques de bâtiment ; besoin en énergie utile pour le chauffage de l’eau chaude sanitaire. **) Voir tableau 1, VDI 2067-12:2000-06. ***) Le reste est lavé à la main.

b) Calcul des besoins en combustible En raison des déperditions thermiques pendant la production ou le transport, le besoin annuel en combustible et en énergie est plus grand que le besoin annuel en chaleur utile 1. BHa : besoin annuel en combustible QHa : besoin annuel de chauffage QHa = bVH . QN, Geb (procédé de calcul) 1. VDI 3808:1993-01 Critères de jugement sur l’économie d’énergie concernant les installations de chauffage.

433

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.4 Management technique des bâtiments

QN, Geb : besoin de chaleur bVK : heures totales de fonctionnement ηa : rendement d’utilisation de la chaudière ηa = ηK . ηB ηK : rendement moyen d’efficacité de la chaudière ηB : état de disponibilité ηV : rendement global

Arrivée d’énergie

Chaudière

Chauffage Consommateur

Pertes de chauffage et de maintien

Consommation d’énergie

Pertes de répartition

Chaleur utile de la chaudière

Chaleur utile pour le chauffage

Fig. 1.11.4-8 : Chaleur utile et pertes d’une installation de chauffage.

Par rapport au contenu, ceci est applicable à la préparation d’eau chaude sanitaire. VDI 2067-10E21, VDI 38082 et VDI 2067/123 contiennent les bases de calcul. Pour l’énergie de chauffage, on peut avancer approximativement : Le coefficient ϕ = 300 correspond à la formule d’approximation indiquée par le Recknagel 1915 pour les chauffages au coke : . BHa = 300 QN . (QN = puissance thermique maximale en kW) Ancienne consommation annuelle courante de fioul : – dans les maisons individuelles BHa = 30… 35 l/m2.a, – dans les logements en collectif loués BHa = 20… 25 l/m2.a. En raison des répercussions de la loi sur l’économie d’énergie, ces chiffres diminuent fortement dans les maisons individuelles de 15 à 20 l/m 2.a, pour les bâtiments de 5 à 10 l/m2.a et moins (maisons à faible consommation énergétique) selon EnEV 4 valable à partir de 2002 ; pour les habitations « passives », 1,5 l/m2.a sont possibles. Tableau 1.11.4-4 – Chiffres statistiques d’occupation np des habitations *) Nombre de pièces

Occupation np

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7

2,0 2,0 2,0 2,3 2,7 3,1 3,5 3,9 4,3 4,6 5,0 5,4 5,6

*) DIN 4708-2:1994-04 Production centralisée de l’eau chaude sanitaire (bâtiment d’habitation).

1. VDI E 2067-10:1998-06 Besoin en énergie des bâtiments chauffés et climatisés. 2. VDI 3808:1993-01 Critères de jugement sur l’économie d’énergie concernant les installations de chauffage. 3. VDI 2067/12:2000-06 Besoin énergétique pour le chauffage de l’eau chaude sanitaire. 4. EnEV 2009 Ordonnance sur la protection économisant de l’énergie contre la chaleur et la technique d’économie d’énergie des installations concernant les bâtiments.

434

1.11.4 Management technique des bâtiments

1.11 Bases de Facility Management…

. Tableau 1.11.4-5 – Consommation annuelle de combustibles BHa = ϕ . QN dans les anciennes installations de chauffage

Combustible

Fioul EL Fioul S Gaz de ville Gaz naturel H Gaz naturel L Électricité (ηges = 0,95)

MJ/kg MJ/m3n

Consommation de combustibles Ba Dimensions

kWh/kg kWh/m3n

42,7 41,0 17,3 37,5 31,7 3,6

11,86 11,40 4,80 10,40 8,80 1,0

kg/a kg/a m3/a m3/a m3/a kWh/a

général . 0,105 . bv . Q. N 0,110 . bv . Q. N 0,260 . bv . Q. N 0,120 . bv . Q. N 0,142 . bv . Q. N 1,05 . bv . QN

pour bv = 1 600 St

1

. 168 . Q. N 176 . Q. N 416 . Q. N 192 . Q. N 227 . Q. N 1 680 . QN

Tableau 1.11.4-6 – Valeurs indicatives de la consommation de combustibles ϕ par kW du besoin maximal de . chauffage QN pour les anciens bâtiments d’habitation Type de bâtiment

Coke kg/a

Fioul EL kg/a

Gaz de ville m3/a

Gaz naturel m3/a

Habitations Bâtiments de bureau Écoles, à une seule couche

270 … 320 270 … 320

170 … 205 170 … 205

400 … 450 400 … 450

180 … 220 180 … 220

215 … 250

120 … 150

300 … 350

140 … 180

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Pour la production de l’eau chaude sanitaire existent les valeurs empiriques suivantes pour une exigence moyenne, par rapport à la surface d’habitation dans les appartements loués : Chauffage à coke q = 8… 12 kg/m2a Chauffage à huile q = 4… 6 l/m2a Chauffage à gaz de ville q = 10… 14 m3/m2a Chauffage à gaz naturel q = 5… 7 m3/m2a Ballon électrique q = 30… 40 kWh/m2a. VDI 2067-10:1998-061 et VDI 2067-12:2000-062 contiennent des bases de calcul plus exactes, notamment pour le cas où la préparation d’eau chaude sanitaire fait partie des installations centrales de chauffage. L’évaluation de la consommation pour l’eau chaude sanitaire est imposée selon l’ordonnance sur les coûts de chauffage3, mais il est permis d’effectuer un calcul simplifié de la consommation de combustible B pour la préparation d’eau chaude sanitaire dans les bâtiments existants :

B=

2, 5 ⋅ V ⋅ Δt V ⋅ 4 200 ⋅ Δt = en kg ou m3 3 600 ⋅ H u ⋅ ηa (= 0, 47) Hu

V = consommation d’eau en m3 Δt = élévation de la température de l’eau en K HH = puissance thermique en kWh/unité c) Évaluation des coûts des combustibles On évalue les coûts sans problèmes à partir du besoin annuel exact en combustibles : K = BHa . P €/a P = prix de l’énergie en €/kg ou €/m3 Dans un procédé simplifié, cela peut être calculé à partir du besoin annuel en chaleur QHa :

K=

QHa ⋅ P H u ⋅ ηges

1. VDI 2067-10:1998-06 Economie des installations techniques de bâtiment, besoin en énergie des bâtiments chauffés et climatisés. 2. VDI 2067-12:2000-06 Economie des installations techniques de bâtiment, énergie utile pour le chauffage d’eau potable. 3. Ordonnance sur les coûts de chauffage (01/89).

435

DONNÉES DE BASE

Puissance thermique Hu

1.11.4 Management technique des bâtiments

1.11 Bases de Facility Management…

Afin de compléter les coûts liés à la consommation (coûts en énergie), des suppléments d’énergie pour les auxiliaires, comme les pompes de circulation et les consommables pour le fonctionnement, sont nécessaires (voir le paragraphe 1.11.4-10.3.1). Tableau 1.11.4-7 – Coûts spécifiques des combustibles par MWh de chaleur utile *) Combustible

Unité

Chaleur spécifique Hu kWh/unité

Prix unitaire €

Rendement d’utilisation ηges

Coûts €/MWh

Fioul El (11 = 0,86 kg) Fioul S Gaz de ville Gaz naturel H Réseau de chaleur Électricité HC Électricité HP Pompes à chaleur eau-air

l kg m3 m3 kWh kWh kWh kWh

10,00 11,40 4,80 10,40 1,0 1,0 1,0 1,0

0,20 0,20 0,12 0,25 0,04 0,07 0,13 0,09

0,80 0,80 0,80 0,80 0,95 0,95 0,95 g = 2,50

25,– 22,– 30,– 30,– 37,– 69,– 132– 38,–

*) Les prix se rapportant à l’objet doivent être comptés pour chaque cas d’utilisation.

-10.2.3 Coûts de fonctionnement

Ils englobent pour l’essentiel : l’utilisation, l’entretien, le ramonage de la cheminée, le service aprèsvente, le nettoyage de la chaudière. Pour les installations qui ne sont pas entretenues régulièrement, ils sont indiqués comme suppléments aux coûts de combustible à peu près comme suit pour les installations de taille moyenne : Chauffage au coke 10… 15 % Chauffage au gaz 7… 10 % Chauffage au fioul 8… 12 % Chauffage électrique 3… 5 % Les autres valeurs standards pour les coûts additionnels annuels concernant les installations au fioul ou au gaz sont : Prestation d’une chaudière 100 kW 4… 5 €/kW Prestation d’une chaudière 1 000 kW 4… 3 €//kW Concernant les grandes installations, ils doivent être calculés au mieux séparément. Supplément pour la préparation de l’eau chaude sanitaire environ 10… 15 %. Les valeurs précises pour les composants séparés sont contenues dans VDI 2067-1:2000-091.

-10.3 Installations de traitement d’air et de climatisation -10.3.1 Frais de capital

Voir paragraphe 1.11.1 page 393 et VDI 20672. Tableau 1.11.4-8 – Durée de vie des composants des installations de climatisation Centrales de climatisation Machines frigorifiques Tours de refroidissement zinguées Tours de refroidissement en plastique Gaines, conduits, grilles entre autres Installations de régulation

10 … 15 ans 15 ans 10 ans 15 ans 30 … 40 ans 12 ans

-10.3.2 Coûts en énergie des installations de traitement de l’eau et de climatisation

Une évaluation exacte des coûts en énergie d’une installation de climatisation est très importante, car, pour chaque cas donné, un grand nombre de paramètres doit être connu, par exemple le système de climatisation, les conditions extérieures, le temps de fonctionnement, les arrêts éventuels de fonctionnement, les changements de tarifs pour l’électricité, l’utilisation de protections solaires, les sources de froid et de chaleur. Toutes les données météorologiques et relatives au refroidissement sont disponibles heure par heure sur une année complète. Les données météorologiques sont indiquées dans DIN 4710 3 1. VDI 2067-1:2000-09 Bases et évaluation des coûts. 2. VDI 2067-10:1998-06 Besoins énergétiques des bâtiments chauffés et climatisés. 3. DIN 4710:2003-01 Données météorologiques pour le calcul du besoin en énergie des installations de chauffage et de traitement d’air en Allemagne.

436

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1.11.4 Management technique des bâtiments

par heure, par jour, par mois, pour les jours ensoleillés, couverts ou moyennement couverts. La consommation d’énergie d’une installation de climatisation se décompose en : – Énergie de conditionnement de l’air : utilisée afin d’amener l’air extérieur de n’importe quel état à l’état souhaité pour l’air soufflé (chauffage, refroidissement, humidification ou déshumidification). – Charges thermiques intérieures : elles sont transmises par conduction, rayonnement ou sont internes (chauffage ou refroidissement). Ces deux éléments sont variables d’heure en heure et naturellement aussi d’un mois à l’autre. En raison du grand nombre d’étapes de calcul nécessaires, les résultats sur une période ne sont obtenus qu’avec les programmes de calcul EDV. Deux procédés dynamiques de calcul ont été introduits : – Les procédés journaliers : pour chaque mois, deux (ou trois) jours avec un temps typique sont calculés d’heure en heure – donc 24 fois par jour. Deux jours par mois, des jours de beau temps et couverts sont évalués en fonction de leur fréquence. Concernant le procédé par jour avec trois jours par mois, un jour moyennement couvert en plus est pris en compte. Les données météorologiques pour ce type de procédé sont mises à disposition à partir de DIN 47101 pour les États allemands. Sur une année, on a effectué les calculs suivants : 2 (3) jours par mois × 24 h/jour × 12 mois = 576 (864) calculs. – Le procédé basé sur une année de référence (TRY) : ici, les calculs sont effectués pour chaque jour de l’année heure par heure. On trouve donc : 24 h/jour × 365 jour/a = 8 760 h/a. La longueur de calcul est ici aussi assez importante pour justifier de l’utilisation EDV. L’année de référence test a été calculée pour 12 régions climatiques de la RFA par le service météorologique allemand, Offenbach. Les données peuvent, pour le calcul EDV, être également rappelées en ligne dans le dialogue sur le Datex-P ou être enregistrées sur bande magnétique, ou plutôt sur disquette 2. L’équivalence des deux procédés peut être mise en évidence par une étude IEA 3, ou confirmée en attendant par une mesure4. Le programme de calcul BLAST (Building Loads Analysis and System Thermodynamics)5 vient des États-Unis. Valeurs directives pour la consommation d’énergie des bâtiments de bureaux climatisés à voir aussi paragraphe 4.6.2 page 1549. Selon VDI 2067-3:1983-12, les calculs de consommation d’énergie encore réalisables manuellement évaluent les quantités d’énergie pour la préparation de l’air avec les degrés-heures, l’enthalpie, l’humidité par an, et la fréquence cumulée pour l’enthalpie et l’humidité de l’air. Pour des calculs plus précis, VDI 2067 fournissait aussi les heures correspondantes par mois. Les procédés de calcul statiques ne marchent pas, notamment pour les systèmes VVS, dans lesquels il y a régulièrement une modification du débit d’air avec la charge. C’est pourquoi DIN 2067/3 ci-dessus a été supprimée et remplacée par VDI E 2067-116 – Économie des installations techniques de bâtiment. Les calculs ci-dessous, qui reposent sur les degrés-jour et les degrés-heure de chauffage, réfrigération, humidification et déshumidification, doivent donc être considérés comme approximatifs, car ils ne tiennent pas compte de l’évolution dynamique du besoin en énergie. Pour les valeurs indicatives à partir des calculs dynamiques EDV, voir paragraphe 4.6.2. a) Évaluation du besoin en énergie Énergie électrique La consommation annuelle d’électricité E des ventilateurs se calcule facilement en cas de débit volumique constant : E = 365 . z . P en kWh/an z = nombre d’heures de fonctionnement par jour P = puissance des ventilateurs [kW] En cas de vitesse variable, il faut calculer les besoins en fonction des périodes de fonctionnement. Énergie thermique Lors de l’évaluation du besoin annuel de chauffage Qw pour réchauffer l’air ambiant, on utilise au mieux les degrés-heures de ventilation GL, relatifs aux différents moments de la journée d’après le tableau 1.1.2-7. i

Qw = GL ⋅ V ⋅ c ⋅ ρ ⋅ 10 − 6 GJ/a 1. DIN 4710:2003-01 Données météorologiques pour le calcul du besoin en énergie des installations de chauffage et de traitement d’air en Allemagne. 2. Centre d’information spécialisé de Karlsruhe, 7514 Eggenstein : Programme METDATA. 3. Agence Internationale de l’Energie (IEA), Bruxelles. Rapport final ET 5238 (1980). 4. Fox, Hönmann, Steinbach : Ges.-Ing. 2/87. Pages 61/66. 5. US Army Corps of Engineers, Construction Engineering Research Laboratory (CERL), Champaign, IL. 61 820. 6. VDI E 2067-11 : 1998-06 Économie des installations techniques de bâtiment. Procédés de mesure du besoin en énergie des bâtiments chauffés et climatisés.

437

1 DONNÉES DE BASE

1.11 Bases de Facility Management…

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.4 Management technique des bâtiments

. V = débit-volumique en m3/h c = chaleur spécifique de l’air = 1,004 kJ/kg.K GL = degrés-heures de ventilation en h.K/a d’après le tableau 1.1.2-7 Humidification Lorsque l’air est également humidifié, le besoin thermique supplémentaire Qf nécessaire est : i

Q f = G f ⋅ r ⋅V ⋅ ρ ⋅ 10 − 6 GJ/a Gf = heures-grammes d’eau en h/a . g/kg d’après la fig. 1.1.3-4 ρ = masse volumique de l’air = 1,2 kg/m 3 r = chaleur latente de vaporisation = 2,5 kJ/g Besoin en eau . . m w = G f ⋅ ρ ⋅V ⋅ 10− 6 kg/a Calcul d’après le paragraphe 1.1.3 page 20. La consommation d’eau réelle représente environ 3 à 4 fois la valeur calculée théoriquement pendant l’humidification par des chambres de pulvérisation. Valeur indicative pour un fonctionnement continu environ 100 kg/a par m 3/h d’air. Énergie frigorifique pour un refroidissement sans déshumidification On évalue ici le besoin frigorifique annuel QK au moyen des degrés-heures de refroidissement d’après le tableau 1.1.2-8 : i

QK = GK ⋅V ⋅ c ⋅ ρ ⋅ 10 − 6 GJ/a GK = degrés-heures de refroidissement en h.K/a d’après le tableau 1.1.2-8. Énergie frigorifique pour la déshumidification (dessiccation) La quantité d’énergie nécessaire pour le refroidissement complémentaire est donné par la formule : i

Qtr = Gtr ⋅ r ⋅V ⋅ ρ ⋅ 10 − 6 GJ/a Gtr = heures grammes de déshumidification en h/a . g/kg d’après la fig. 1.1.3-4. Les valeurs ci-dessus ne tiennent compte ni des charges thermiques intérieures (charge de chauffage) pour le chauffage en hiver (voir paragraphe 2.4.1 page 907), ni le besoin en froid (charge de froid) pour le refroidissement intérieur en été (paragraphe 4.5.3 page 1489). b) Évaluation des coûts d’énergie Les coûts annuels d’énergie se calculent par le produit du besoin évalué en eau et en énergie par les prix unitaires. En outre, des évaluations spécifiques sont difficiles à formuler en raison de la libéralisation du marché de l’électricité et des coûts très variables selon la région pour l’eau potable, ainsi que de l’utilisation courante de chaleur à tarif réduit (retour des réseaux de chauffage à distance) pour le chauffage de l’air. Pour faire des évaluations, on peut appliquer : Électricité : 0,08… 0,13 €/kWh Eau potable sans eau résiduelle (non traitée) : 1,80… 2,45 €/m3 Énergie frigorifique : 38… 43 €/MWh Énergie thermique (d’après le tableau 1.11.4-7) : 23… 38 €/MWh Compléments nécessaires pour l’énergie de secours, comme pour les pompes entre autres, mais aussi pour le matériel de secours. -10.3.3Coûts de fonctionnement

Ils englobent pour l’essentiel l’utilisation, la surveillance et l’entretien, le nettoyage. Ils se situent dans les ordres de grandeur suivants : pour les installations simples 2… 4 % pour les installations moyennes 4… 6 % pour les installations de haute valeur technique 6,5… 8,5 % Ils dépendent pour l’essentiel de la qualité du matériel et de la durée d’utilisation. VDI 2067-1:2000-09 contient des valeurs précises pour les composants définis 1. VDI-2067-10 contient des calculs types détaillés pour différents processus de climatisation 2.

1. VDI 2067-1:2000-09 Bases et évaluation des coûts. 2. VDI 2067-10:1998-06 Besoins énergétiques des bâtiments chauffés et climatisés.

438

1.11.5 Simulation1

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.5 Simulation11 1.11.6 Simulation Simulation comme aide à la décision

Avec l’accroissement de la complexité technique des bâtiments, la prise en compte de l’interaction entre le temps, l’utilisateur, la physique du bâtiment et la technique, est une condition préalable impérative pour obtenir des locaux confortablement tempérés, ventilés et éclairés dans un bâtiment. La nécessité dans un bâtiment d’optimiser son besoin en énergie, son confort et ses coûts de construction exige la préparation et la multiplication d’aides correspondantes. Avec l’introduction d’aides par ordinateur, la simulation des procédés techniques s’impose comme complément et encore en partie comme substitut pour les prescriptions classiques (par exemple selon DIN). La simulation est la réplique réaliste des procédés techniques réels à l’aide de modèles mathématiques de calcul sur un ordinateur. Grâce aux programmes de simulation de bâtiment, on peut reproduire de façon réaliste la complexité des interactions des influences internes et externes sur un bâtiment, comme la température extérieure, le rayonnement solaire, le vent, l’ombre, le comportement de l’usager, les sources internes de chaleur, l’aération, etc. Seule l’évaluation des résultats par la simulation permettra notamment au planificateur d’optimiser un bâtiment aussi bien d’un point de vue énergétique qu’économique. Ceci n’est pas valable seulement pour le projet de nouveaux bâtiments, mais aussi pour l’analyse et l’optimisation des bâtiments existants.

-2

Bases théoriques du système

Lorsqu’on se penche sur la simulation, la condition préalable est la compréhension et la différenciation claire des notions fondamentales de la théorie de système, afin de pouvoir comprendre les outils de simulation et, avant tout, correctement utiliser la pratique de planification dans le bâtiment pour des tâches déterminées. Tableau 1.11.5-1 – Concepts de la théorie de système

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Concept

Définition avec exemple

Système

Décrit une quantité d’éléments (composants) entre lesquels il existe des relations déterminées. Un bâtiment est un système technique qui se compose d’un grand nombre de composants techniques comme les murs, les fenêtres, l’éclairage, les radiateurs, etc. Le système est caractérisé par le fait qu’il y a des interactions entre ses composants. La consommation électrique de l’éclairage conduit par exemple à un échauffement des pièces et donc à une réduction de la fourniture de chaleur de chauffage régulée de façon thermostatique.

Composant

C’est l’unité la plus petite servant de composant d’un système. Le composant réagit par rapport à l’état du système et influence le système derechef par son activité. D’habitude, l’ingénieur ne s’intéresse pas à ce qui se passe à l’intérieur d’un composant, il veut uniquement savoir comment ce composant se comporte avec les autres composants du système. Il est caractérisé par un certain comportement, pouvant être décrit par exemple par une caractéristique entre l’entrée et la sortie du composant. Un système se compose de multiples composants. Chaque composant est à proprement parler un sous-système autonome. Par exemple, un ventilateur comporte plusieurs composants comme le moteur, la turbine, ou l’échangeur de chaleur. Ces composants isolés peuvent être divisés au choix en d’autres sous-systèmes.

Limite d’un système

C’est la liaison entre le système et son environnement. La limite du système d’un bâtiment peut être la surface des pièces extérieures de construction. De cette liaison découle par exemple un échange thermique et hygroscopique entre le système du bâtiment et le temps. La limite d’un système est souvent en même temps la limite de l’équilibre économique pour déterminer par exemple les coûts d’énergie.

État du système

C’est un enregistrement instantané de l’état mesurable du système. En fonction du temps et des influences thermiques des usagers du bâtiment et de l’immotique, un état du système apparaît à l’intérieur du bâtiment, lequel peut être décrit par des grandeurs physiques mesurables comme par exemple la température ou l’humidité. Le temps présente une condition marginale qui est inévitablement soumise au système du bâtiment.

1. Premier remaniement par Dipl. -Ing. Markus Werner, Aix-la-Chapelle, pour la 72e édition.

439

1 DONNÉES DE BASE

-1

1.11.5 Simulation

1.11 Bases de Facility Management…

-3

Modèles de description mathématique des processus physiques

La compréhension de l’homme de son environnement repose sur d’autres hypothèses de constructions de modèles. En sciences naturelles, notamment en physique, la construction de modèles est utilisée comme moyen de décision pour l’obtention de connaissances. Pour la construction de modèles, le physicien suit les étapes suivantes : – observation d’un processus dans la nature dépendant du temps ; – réflexion au sujet du processus observé ; – souvenir d’autres processus semblables encore connus ; – synthèse des connaissances sous forme d’une description mathématique du processus observé ; – vérification de la description mathématique par des mesures sur le processus naturel observé. Ainsi, les supports de la connaissance des sciences naturelles sont des modèles formulés mathématiquement, qui se vérifient par des résultats de mesures. Les modèles mathématiques permettent de prédire l’évolution et les états du système à partir des conditions initiales fixées. En plus de la connaissance sur la technique disponible, l’ingénieur du bâtiment doit évaluer l’activité des composants techniques qui peuvent composer un système ayant un bon fonctionnement. Il se sert ainsi des prescriptions de calcul appropriées, lesquelles permettent de transformer les processus techniques en modèles mathématiques. Afin de modéliser de tels processus techniques, d’une part le plus exactement possible et d’autre part le plus économiquement, c’est-à-dire le plus rapidement possible, il faut respecter – en référence aux données du problème – les bases de la modélisation suivantes : – réduire le plus possible l’étendue du travail par découpage par ordre de priorité des tâches partielles nécessaires ; – procéder à un découpage jusqu’à ce qu’une recherche disjointe des tâches partielles ne fausse qu’accessoirement la solution globale ; – clarifier quels composants et propriétés de composants exercent une forte influence sur les résultats et donc doivent être modelés de façon suffisamment exacte.

-4

Analogies pour la constitution de modèles

Concernant la plupart des programmes commerciaux, la simulation de bâtiment repose sur le fait de transférer la géométrie et la qualité physique d’un bâtiment dans un modèle mathématique. Chaque paramètre représentatif des éléments de structure, d’équipement, d’occupation, de température, etc. est modélisé dans le bâtiment virtuel et analysé dans ses interactions avec son environnement. Tableau 1.11.5-2 – Analogies entre la thermodynamique et l’électrodynamique Thermodynamique Grandeur de système Température Différence de température Flux de chaleur Chaleur Résistance thermique Conductivité thermique Capacité thermique Longueur Temps

Électrodynamique

Symbole

Dimension

Grandeur de système

Symbole

Dimension

T ΔT dQ/dt Q R λ C l t

°C K W Ws K/W W/mK Ws/K M s

Potentiel électrique Tension Courant Charge Résistance Conductibilité Capacité Longueur Temps

f U = Δφ I Q R σ C l t

V V A As Ω l/mΩ F = As/V m s

Le comportement thermodynamique d’un bâtiment, c’est-à-dire la modification de ses flux énergétiques et de ses états, se présente comme un réseau électrique type. Le tableau 1.11.5-2 montre les analogies entre les grandeurs thermodynamiques de la physique du bâtiment et les grandeurs d’un circuit électrique. Ainsi sont par exemple modélisées : la valeur du coefficient U d’un mur et les transmissions de chaleur (convection, rayonnement) par une résistance, la capacité thermique de la structure du mur par des condensateurs et l’alimentation du chauffage et du refroidissement – par exemple pour modéliser une activité dans une construction – par une source de courant. La fig. 1.11.5-1 présente ce processus à l’aide du modèle Beuken pour la description du processus thermodynamique d’une structure de mur.

440

1.11.5 Simulation

1.11 Bases de Facility Management…

Ex. : modèle de bâtiment 2 zones

Ex. : modèle de mur Beuken

T Température q puissance calorifique (par ex. paroi chauffante) α résistance thermique k inertie thermique C capacité accumulateur de chaleur c convection (air) r rayonnement αc.A αr.A

T1

T2

C1 .

q1

T3 k2

k1 C2 .

q2

αc.B αr.B

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

Tr.B

C3 .

q3

Couche 1 Couche 2 Structure murale

-5

1

Tc.B

DONNÉES DE BASE

Tc.A Tr.A

Fig. 1.11.6-1 : Schéma électrique équivalent des murs d'un bâtiment (modèle Beukel).

Caractéristiques des outils de simulation

Les programmes de simulation ne se distinguent pas seulement par la complexité de leurs modèles mathématiques utilisés, mais aussi par la façon dont, par exemple, le bilan énergétique d’un bâtiment est calculé. On distingue : – la simulation statique et – la simulation dynamique. La simulation statique évalue par exemple le bilan énergétique ou la température intérieure moyenne d’un bâtiment pour un équilibre à un moment donné. Les directives de DIN ou VDI contiennent de telles méthodes de calcul. Toutefois, la conséquence de la considération statique est le fait que les installations de chauffage et de refroidissement des bâtiments sont en règle générale surdimensionnées et les problèmes de surchauffe en été ne sont pas pris en compte dans la phase de conception. Cependant, les programmes de calcul statique sont parfaitement bien conçus pour permettre une évaluation globale et rapide des coûts annuels d’énergie. Ils sont cependant complètement inappropriés pour mettre en valeur les potentiels d’économie des coûts de fonctionnement dans le type de fonctionnement intermittent des installations techniques. Une considération dynamique est donc indispensable. La simulation dynamique prend en compte tous les processus et états modifiables dans le temps, c’est-à-dire non stationnaires, d’une période, comme les phases de chauffage et de refroidissement, les conditions de climat intermédiaires, les différents profils d’utilisation ou le mode de fonctionnement des installations. Il faut généralement retenir qu’un large spectre de performance d’un programme de simulation de bâtiment va de pair avec des temps de conception très longs et un prix élevé du produit. En plus de la distinction par la méthode de calcul statique et dynamique, les principales caractéristiques de distinction des programmes sont le type de modélisation du bâtiment et donc la quantité de zones modulables. Une zone est par définition une partie de bâtiment pour laquelle sont tolérés des états homogènes (température ambiante, installation de chauffage et de refroidissement, etc.). Cette zone peut englober une pièce isolée, plusieurs pièces ou même le bâtiment entier. Dans le cas le plus simple, le programme fonctionne avec un modèle d’une zone, avec lequel seule l’enveloppe du bâtiment est prise en compte comme surface de transfert thermique et une température moyenne de bâtiment est calculée. De tels instruments sont bon marché, rapides à utiliser et suffisants pour des calculs comme la vérification des besoins de chauffage. Les programmes avec des modèles à plusieurs zones ne calculent pas seulement le flux thermique par l’enveloppe extérieure, mais incluent également dans le calcul les échanges de chaleur entre les zones, c’est-à-dire le couplage énergétique des pièces séparées ou des étages. Les programmes élaborés permettent le calcul des écoulements et de la qualité de l’air dans chaque zone. Une technique de modélisation décompose ici le volume d’un bâtiment en de multiples petits cubes dont l’interaction s’explique par la thermodynamique et la mécanique des fluides. Chaque cube a une extension finie dans l’espace – on parle d’« éléments finis » – et un état homogène (température, humidité de l’air, etc.), qu’une équation différentielle peut décrire. Les cubes adjacents peuvent présenter des états différents, de telle sorte qu’il est possible de calculer des changements directionnels, par exemple un écoulement d’air 3D. Ce type de modèle relève d’un traitement par ordinateur en raison du temps de calcul : plus les éléments finis sont de petite taille, plus

441

1.11.5 Simulation

1.11 Bases de Facility Management…

la modélisation est précise, mais alors plus le nombre d’états à calculer est élevé et donc plus grand est le temps de calcul. Tableau 1.11.5-3 – Capacités des programmes de simulation statique et dynamique Simulation statique

Simulation dynamique

–

+

Mise en valeur de potentiels d’utilisation dépendant du réglage

Valeurs de connexion de prestation

o

+

Dimensionnement, coûts de connexion

Besoin annuel d’énergie

+

+

Coûts de travail, amortissement

Coûts d’investissement et de fonctionnement

o

+

Choix du système, dimensionnement, contracting d’économie d’énergie

Températures ambiantes

–

+

Situations limite (par exemple l’été), productivité des collaborateurs

Qualités de la lumière et de l’air

–

+

Confort, santé, productivité des collaborateurs

Analyses et optimisation du système

o

+

Mise en valeur des potentiels d’utilisation dépendant du réglage

Optimisation du fonctionnement

–

+

Évaluation des paramètres de réglage

Temps d’entraînement, ergonomie, connaissances d’experts

+

–/o

Coûts (acquisition et soins)

+

-

Critère Influence du temps et de l’utilisation

+ bon

-6

o suffisant

Important pour

Achat du programme, engagement des experts Achat du programme, engagement des experts

– défavorable, non approprié

Capacité de charge et validation de la simulation

La mobilisation d’outils de simulation est avantageuse pour autant seulement que les calculs donnent des résultats capables de simuler la charge, c’est-à-dire proches de la réalité. Leur précision dépend d’un grand nombre d’influences, telles que le choix du modèle de calcul, l’enregistrement des données météorologiques, les données relatives aux composants et bien entendu l’utilisation correcte du programme par l’ingénieur. Les programmes actuels de simulation architecturale reposant sur un calcul dynamique offrent une congruence largement supérieure à 90 % entre les résultats de la simulation et les mesures réelles, ce qui assure une planification sécurisée. La figure 1.11.5-2 illustre à titre d’exemple la comparaison entre les résultats de simulation d’un modèle de capteur solaire et les valeurs de mesure du capteur réel. Pour le profil de température du fluide du capteur sur une journée, l’écart est ici inférieur à 3 %.

Température [°C]

Validation d’un capteur solaire, températures d’entrée et de sortie

Sortie, mesure

Sortie, simulation Entrée, mesure

Heure

Fig. 1.11.5-2 : Exemple : validation d’un modèle de capteur solaire.

442

1.11.5 Simulation

Pour la validation, il est fait appel à des procédures d’essais reconnues internationalement (notamment BESTEST), dans lesquelles les résultats de calcul de différents programmes sont figurés de manière relative, c’est-à-dire sans données de mesure, comme point de référence. Les grandeurs intégrées comme l’énergie thermique mensuelle ou annuelle sont calculées de manière plus ou moins précise et conviennent pratiquement quel que soit le programme. Mais c’est avant tout le calcul des états dynamiques au cours du temps, notamment la température ambiante ou la puissance de chauffage provisoire, qui affiche la qualité réelle de la modélisation employée. Selon l’étendue et la qualité de cette dernière, on obtient une dispersion des résultats des programmes de simulation fondés sur le calcul dynamique (fig. 1.11.5-3). Ce fait s’avère pertinent pour les pronostics lors de la phase de planification ainsi que pour l’optimisation de l’exploitation avec la gestion des prévisions météorologiques (voir le paragraphe 1.11.5-10).

Température ambiante [°C]

Validation température ambiante, jour de temps clair en hiver le 4 janvier (oscillation libre, sans chauffage + refroidissement, selon BESTEST) BLAST DOEZ 1D SUNCODE SERI-RES ESP S3PAS TRNSYS TASE LACASA

Construction légère

Bâtiment en dur

Heure du jour (h)

Fig. 1.11.5-3 : Comparaison relative entre les programmes de simulation architecturale selon la procédure BESTEST (ici : température ambiante oscillant librement sous l’effet du rayonnement solaire).

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-7

Mise en place de la simulation dans le déroulement de la planification

La dépense pour l’élaboration dépend directement du choix de la méthode de calcul (statique, dynamique) et du type de bâtiment. Plus un bâtiment est décrit de façon détaillée (modèles de plusieurs zones), plus le temps de travail pour effectuer ces calculs est long. Dans la pratique de planification, on cherchera moins à reproduire le bâtiment entier avec un grand nombre de zones dans un modèle unique complexe, car la dépense pour le calcul ne peut être économiquement soutenue et le temps de calcul augmente de façon exponentielle avec le nombre de zones. Par contre, il est recommandé de diviser le bâtiment en de petites zones types, et de créer pour chaque zone un modèle de calcul spécifique. Ainsi, les principes de modélisation doivent être conformes au paragraphe 1.11.5-3 page 440. La fig. 1.11.5-4 résume la procédure à suivre lors de la planification des installations liées au bâtiment avec l’insertion d’outils de simulation. Ce processus se déroule en 4 phases : 1. Recherche de données Tout d’abord sont réunis les plans de construction, les données sur les éléments de construction standard, les profils de charge types ou mesurés et les enregistrements concernant le climat. Un bon programme de simulation dispose d’enregistrements suffisants, disponibles par « clic de souris ». 2. Diagnostics de potentiel et calcul des charges (besoins) À partir des plans de construction on élabore un modèle de calcul du bâtiment, tout d’abord sans équipement technique, mais avec des charges internes déterminées par l’utilisation. Ainsi, la simulation permet de calculer les valeurs de raccordement et le besoin théorique d’énergie pour le refroidissement, le chauffage et la ventilation. S’il s’agit de bâtiments anciens, on peut conclure par la comparaison avec les résultats de l’année précédente concernant le potentiel d’économie des coûts de fonctionnement. 3. Description des installations À l’évaluation de la charge précédente succède la vraie planification des installations. L’ingénieur complète le modèle de bâtiment avec le modèle correspondant des composants d’installation et la régulation, conformément à son concept technique favori de bâtiment. 4. Optimisation Selon un processus itératif, les paramètres de réglage des composants de l’installation et la régulation par simulation sont optimisés. Avec les valeurs paramétriques trouvées, l’installation réelle peut ensuite être ajustée de façon ciblée.

443

1 DONNÉES DE BASE

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.5 Simulation

1.11 Bases de Facility Management…

PRESTATION DE L’INGÉNIEUR

Plans de construction : plans, montages, le cas échéant TGA Données de mesure : vitesses de charge, profils de confort Banque de données : profils de charge types

Banque de données : confort (VDI 7730)

Diagnostics de potentiel et calcul de charges

Simulation dynamique : physique du bâtiment

Modèle de bâtiment : avec charges internes sans TGA

Résultats : simulation dynamique (surface enveloppante)

Confort (VDI 7730) Charge de refroidissement (VDI 2078) Ventilation (DIN 1946)

Charge de chauffage (DIN 4701)

Banque de données : physique du bâtiment (DIN 4108), constructions

Éclairage (DIN 5035)

Banque de données : données sur le climat (TRY. Meteonorm)

Preuves

Design de l’installation

Optimisation

Simulation dynamique : HLK

Modèle de bâtiment : avec charges internes/ avec TGA

Résultats : simulation dynamique (selon les zones)

Optimisation : manuelle ou procédé automatique

Recherche de données

I/O : Paramétrage Enregistrement de l’état

Système réel : Bâtiment avec TGA

Fig. 1.11.6-4 : Outil de simulation dans le processus de planification.*) *) Source : SARL Ennox, Aix-la-Chapelle

L’utilisation de tous les résultats de simulation conduit à une évaluation des différentes mesures de construction et permet au planificateur de trouver un optimum entre l’économie des coûts de fonctionnement et la dépense pour l’installation et le paramétrage de l’installation. De l’analyse des valeurs horaires résulte une disposition et un paramétrage des installations optimaux, conçus exactement pour le comportement de l’utilisateur. Les valeurs horaires de la température ambiante, de la température de surface des murs ou de l’humidité de l’air, offrent au programmateur la possibilité d’évaluer les caractéristiques de l’ambiance intérieure et le confort thermique dans le local, et ainsi de prévenir dès la conception les problèmes éventuels comme les dégâts de condensation ou le « syndrome du bâtiment malsain ». Les programmes de simulation sont de plus en plus utilisés pour la conception de l’éclairage des bâtiments. Notamment pour les bâtiments de bureau ou les bâtiments administratifs, la valeur repose sur une prise en compte optimisée de la lumière du jour. La simulation permet de calculer la répartition de la lumière dans les locaux, d’optimiser les besoins physiologiques de l’usager et de minimiser le besoin d’énergie en éclairage artificiel.

-8

Utilisation de la simulation pour l’optimisation des installations anciennes

La modélisation dynamique est la condition préalable à l’analyse des processus dynamiques dans les bâtiments avec équipements techniques. Ici, l’expérience nous enseigne que les temps de fonctionnement, les volumes d’air et les débits massiques d’eau, réglés souvent une seule fois, notamment en cas de réception de l’installation, ne sont que rarement en corrélation avec le besoin effectif. Les conséquences sont les plaintes des usagers du bâtiment et les coûts de fonctionnement parfois dramatiquement élevés, qui ne peuvent pourtant être sensiblement diminués avec une faible dépense que par un réglage correct des paramètres d’installation, sans avoir à changer immédiatement les composants et donc à effectuer de gros investissements. Avant de pouvoir évaluer les sources de charge et les paramètres d’optimisation avec la simulation dynamique, il est nécessaire de : – mesurer les débits massiques et le rendement ; – établir un descriptif détaillé des installations techniques du bâtiment concernant le type de construction, les prestations de branchement, les débits volumiques nominaux d’air et les débits massiques nominaux ; – calculer les temps d’utilisation effectifs et les points de fonctionnement dynamique du TGA (Centre de formation aux techniques industrielles 1). 1. Homologue du COFRAC.

444

1.11.5 Simulation

Lorsque ces informations sont disponibles, le travail de modélisation du système réel commence à l’aide d’un programme de simulation dynamique. Idéalement, tous les composants réels se retrouvent sur l’écran comme éléments constitutifs séparés du modèle. Pourtant, à ce stade, les programmes disponibles se différencient considérablement quant à la transparence et au degré de description détaillée. Le but est, dans un premier temps, de créer un modèle de référence, lequel décrit le plus exactement possible l’état réel du bâtiment. Ainsi, les composants techniques figurant dans le descriptif détaillé sont reproduits dans un modèle de calcul plus ou moins complexe sur le PC et ceux simulés avec les états calculés sont synchronisés. À l’étape suivante, l’ingénieur doit optimiser les paramètres des composants séparément les uns des autres, ajustables dans le programme de simulation, de telle manière que le besoin et l’offre concernant les coûts minimaux de fonctionnement soient harmonisés. Ensuite, une ou plusieurs variantes avec les paramètres modifiés de modèle (par exemple les temps de fonctionnement modifiés) sont déduites du modèle de référence. L’effet de la mesure peut être évalué par la comparaison des nouveaux résultats avec leur modèle de référence. Cette optimisation peut s’effectuer manuellement dans la pratique ou mécaniquement à l’aide de procédés mathématiques d’optimisation. Le potentiel d’optimisation, souvent considérable dans la technique existante, peut être compris d’après la philosophie « optimiser d’abord, investir ensuite » à l’aide de la simulation dynamique, avant de penser à investir en matériel. Ce type de travail pratiquement voisin est aujourd’hui malheureusement anti-productif par rapport à la rémunération de l’ingénieur planificateur du bâtiment basée sur le matériel selon HOAI.

-9

Capacité d’analyse des résultats de simulation

L’utilisation d’outils de simulation est avantageuse si les calculs offrent des résultats fiables, c’est-à-dire proches de la réalité. La précision dépend d’un grand nombre de paramètres, comme entre autres les modèles de calcul choisis, l’enregistrement du temps, les données des produits de construction et naturellement l’utilisation correcte du programme par l’ingénieur concepteur. Il faut dire que généralement, avec la simulation dynamique, on est placé principalement dans la position de reproduire la réalité sur le PC et d’établir des pronostics fiables. Avec les méthodes de calcul selon DIN ou VDI, ceci n’est pas possible, ou seulement de façon très limitée. Avec les programmes dynamiques de simulation de bâtiment actuellement utilisés, il est possible d’obtenir un écart nettement inférieur à 10 % entre les résultats de simulation et la réalité.

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-10 Exploitation optimisée avec pilotage en fonction des prévisions météorologiques Une technique de réglage conventionnelle fournit de la « chaleur en réserve ou prête à l’utilisation ». Selon le principe de « réaction », de la chaleur, du froid ou de l’air frais sont prêts à être délivrés via des boucles de régulation fermées, en fonction de valeurs d’états provisoires mesurées (température extérieure ou intérieure, humidité de l’air, etc.). Les caractéristiques du régulateur et des périodes de fonctionnement sont définies de manière statique en se basant sur les pires conditions (« worst case », par exemple le jour le plus froid de l’année). La forte concurrence tarifaire dessert la définition précise et correcte des paramètres d’installation en fonctionnement pratique. Conséquence : l’optimisation doit être automatisée et poursuivie sans relâche pendant le fonctionnement. Grâce à la connaissance des valeurs de perturbations principales (temps, charge interne, comportement de l’utilisateur) et des comportements thermodynamiques d’un bâtiment y compris ses équipements techniques, il est possible a priori de calculer des signaux de commande optimaux de telle sorte que tout réglage sur site devient inutile. En lieu et place de « réglage » n’intervient plus que du « pilotage ». La technique de réglage peut en grande partie être remplacée (nouvelle construction) ou complétée (remise en état) par un modèle de simulation basé sur le calcul dynamique. Un pilotage des prévisions météorologiques permet un mode de fonctionnement économe en énergie et confortable par la fourniture de « chaleur suivant le besoin ». Selon le principe « d’action », seule est délivrée de manière active la quantité de chaleur, de froid ou d’air frais requise pour couvrir les besoins en condition ambiante, en fonction des valeurs de commande optimales prédéfinies. Un pilotage parallèle d’après la température de mesure locale, extérieure ou ambiante, n’a plus lieu d’être. Un tel concept est devenu possible seulement grâce à la haute qualité des prévisions météorologiques actuelles à 2 ou 3 jours et l’extrême précision de la simulation dynamique. Un système comme celui de la figure 1.11.5-5 permet d’obtenir quotidiennement pour les 2 ou 3 prochains jours sur la base des données météorologiques une matrice de commande optimale, à partir d’un modèle de simulation détaillé et des conditions limites prédéfinies par l’utilisateur, laquelle matrice est combinée aux équipements techniques du bâtiment. Les modèles de simulation du système de prévision du temps sont idéalement identiques à ceux utilisés par l’ingénieur dans son programme de simulation architecturale lors de la phase de planification, afin de réduire les pertes de charge et de précision entre la planification et la réalisation. À l’aide d’un procédé d’optimisation, des signaux de commande sont déterminés en boucle itérative pour chaque pas de temps (par exemple 15 min). La boucle est interrompue dès que l’écart entre la valeur d’état réelle (par ex. température ambiante prévue) et la valeur d’état de consigne prédéfinie (par ex. température ambiante souhaitée) diminue par référence à un seuil préfixé (par ex. 2/10 kelvin), et

445

1 DONNÉES DE BASE

1.11 Bases de Facility Management…

1.11.5 Simulation

1.11 Bases de Facility Management…

que, facultativement, ceci soit obtenu de surcroît avec une somme minimum des coûts de travail et de prestations. Un pas d’itération est défini pour chaque futur intervalle de temps (par exemple 2 ou 3 jours). Il en découle suivant le nombre de zones à optimiser via quelques milliers de simulations aussi bien une série temporelle de signaux de commande optimisés (températures aller et retour, fonctionnement pompe et ventilateur) qu’une série temporelle de signaux d’état optimisés des conditions souhaitées dans une pièce (température ambiante, qualité de l’air). Tableau 1.11.5-4 – Comparaison entre technique conventionnelle de réglage et de commande et pilotage en fonction des prévisions météorologiques Technique de commande et réglage classique

Commande en fonction des prévisions météo

Chaleur en préparation

Chaleur selon le besoin

Réaction du système d’après les valeurs de mesure

Action du système selon le précalcul

Définition statique des temps de fonctionnement de la technique de chauffage/ventilation/climatisation et coïncidence rare avec les temps d’utilisation effectifs

Nouveau calcul quotidien des temps de fonctionnement de la technique de chauffage/ventilation/climatisation et ainsi coïncidence optimale avec les temps d’utilisation

Conditions en espace intérieur inconfortables car surchauffé ou trop refroidi

Conditions confortables en permanence car conditionnement adapté aux besoins

Fonctionnement en continu des pompes et des ventilateurs afin de connaître les besoins en fonction des valeurs de mesure

Fonctionnement des pompes et des ventilateurs uniquement si la simulation en prévoit le besoin

Coûts de travail et de prestations plus élevés

Coûts de travail réduits de 35 % maximum et coûts de prestations réduits de plus de 40 %

Durée de vie de l’installation diminuée en raison du fonctionnement optimisé

Durée de vie de l’installation allongée en raison d’un fonctionnement prévisionnel à charge partielle

Frais d’installation et d’entretien plus élevés

Frais d’installation et d’entretien moins élevés (technique de régulation remplacée par modèle de simulation)

Diagnostic des équipements techniques des bâtiments par comparaison des valeurs de mesure avec programmation statique des valeurs limites

Diagnostic des équipements techniques des bâtiments par comparaison des valeurs de mesure avec simulation dynamique temporelle des valeurs de référence

Chauffage avec commande en fonction de la température extérieure

Chauffage avec commande en fonction des prévisions météorologiques

Régulation de la témpérature Puissance de chauffe Température Température extérieure

Écart sensible entre température ambiante et valeur de consigne

Semaine de fonctionnement

Régulation de la témpérature Puissance de chauffe Température Température extérieure

Coïncidence exacte entre température ambiante et valeur de consigne

Semaine de fonctionnement

Si le précalcul indique qu’aucun chauffage ou refroidissement n’est requis à des moments déterminés, le fonctionnement des auxiliaires tels que pompes ou ventilateurs peut être diminué voire stoppé. Un pilotage par prévision du temps réduit ainsi non seulement les coûts liés à l’énergie thermique, mais également les coûts liés à la consommation électrique des auxiliaires. Cet aspect s’avère particulièrement séduisant en ce qui concerne les installations de ventilation très énergivores lors du transport de chaleur et de froid. La puissance de calcul nécessaire à l’optimisation en continu du fonctionnement par prévision des conditions météorologiques rend pertinent la mise en liaison avec un centre de calcul. Les coûts spécifiques par zone commandée sont ainsi réduits au minimum, la maintenance sur site devient caduque et l’utilisation est désormais possible non plus à partir d’un logiciel propre au fabricant, mais d’un PC au choix avec connexion possible à Internet via un navigateur. Les dépenses sur site se limitent à l’installation

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1.11.5 Simulation

1.11 Bases de Facility Management…

d’un coupleur. Les signaux de commande obtenus au centre de calcul sont transmis de manière asynchrone pendant le fonctionnement par communication modem ou DSL à l’interface sur site. Une trame de 15 min envoie au système de gestion technique des bâtiments sur site via le coupleur les valeurs de consigne calculées du circuit unique de chauffage/ventilation/climatisation. À l’inverse sont consignées au protocole les valeurs de mesure des états définis auparavant pendant le fonctionnement du routeur et transmises lors du prochain appel au centre de calcul à des fins de visualisation et de diagnostic. Conditions de climatisation

Signaux d'états, par ex. – température ambiante – humidité de l'air – teneur en CO2 – niveau des odeurs

Diagnostic (à partir des données de mesure)

États réels + coûts Valeur de départ (simulation antérieure)

Données météorologiques (prévisions à 2 ou 3 jours)

Modèle de calcul LACASA

Boucle itérative

Procédé d'optimisation

Résultats (signaux de commande, états)

Profil de charge interne (appareils électr., personnes)

Caractéristiques

Signaux de commande

de disponibilité (par ex. période de coupure électrique)

Spécifications du calendrier (par ex. mode ventilation)

Source : MeteoViva GmbH, Aix-la-Chapelle

Signaux de commande, par ex. – température aller – actionnement de la pompe – vitesse ventilateur – mise en mémoire

IMPORT dans banque de données

EXPORT depuis banque de données

(par ex. chauffage à distance)

Coûts du travail et des prestations

DONNÉES DE BASE

Contrat de livraison

1

États théoriques

(par ex. température ambiante)

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Fig. 1.11.6-5 : Fonctionnement optimal avec pilotage en fonction des prévisions du temps.

Le pilotage par prévision du temps ne présente pas seulement des avantages en termes de coût d'utilisation, mais également en termes de coût d'investissement : le nombre de régulateurs classiques dans les armoires de commande peut être réduit dans la mesure où ils sont largement remplacés dans le processus d'optimisation par les modèles de simulation. Un pilotage fonction du temps est prévu pour les applications suivantes : – ensemble des processus énergétiques dépendant du temps (bâtiments, industrie) ; – systèmes de chauffage et refroidissement à distance avec frais de raccordement élevés (écrêtage des pics de charge grâce à un pilotage prévisionnel) ; – activation des composants des bâtiments modernes (amélioration du confort par compensation de l'inertie lors des changements de temps) ; – utilisation de l'installation dans le cadre d'engagements contractuels (limitation de la puissance thermique ou frigorifique libérée diminuant l'impact de l'utilisateur sur le coût énergétique). Concernant la dernière application, le pilotage par prévisions météorologiques offre l'avantage de limiter significativement le risque financier lié à l'exploitation permettant ainsi de planifier avec davantage de sécurité financière.

-11 Obstacles à l’utilisation de programmes de simulation Il existe plusieurs obstacles à l’utilisation généralisée des programmes de simulation pour l’optimisation du bâtiment : – Coûts Les programmes efficaces sont chers, car ils sont mis au point et distribués en petite quantité par des spécialistes pour des spécialistes. C’est pourquoi ils ne sont souvent employés que dans des grands bureaux d’études ou dans des bureaux spécialisés de consultation. En raison de leur complexité, ils doivent être testés très sérieusement avant de pouvoir être utilisés par des experts. Toute simulation détaillée s’avère donc superflue. – Honoraires L’optimisation d’un bâtiment et de son équipement technique à l’aide de la simulation dynamique peut échouer si un conflit apparaît entre les intérêts de l’investisseur, notamment du maître d’ouvrage, et ceux de l’ingénieur du bâtiment planificateur. L’investisseur aspire à de faibles coûts d’investissement et de fonctionnement, l’ingénieur planifiant favorise l’installation avec la technique la plus efficace possible, tandis que sa rémunération se mesure d’après HOAI en termes de chiffre d’affaires. – Acceptation par le maître d’ouvrage L’acceptation par les maîtres d’ouvrage, notamment des programmes dynamiques de simulation, est encore très faible, ce qui tient au caractère apparemment incertain des résultats de calcul pour les profanes. Par exemple, la question posée le plus fréquemment pendant les entretiens de consultation est : « les

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1.11 Bases de Facility Management…

1.11.5 Simulation

calculs sont-ils tous exacts ? ». Mais la pratique nous apprend que les erreurs qui sont faites par l’utilisation de tels programmes présentent beaucoup moins d’erreurs que celles qui apparaissent sans l’utilisation de simulation de bâtiment. – Acceptation par l’architecte Les architectes se voient souvent limités dans leur liberté d’organisation artistique par l’utilisation de la simulation dynamique, car la simulation prévoit par exemple des températures intérieures estivales extrêmes pour une architecture vitrée esthétique du point de vue de l’architecte. Les constructions réalisées, qui allient esthétique et fonctionnalité malgré ou en raison de l’utilisation de l’optimisation au moyen de la simulation dynamique, montrent que tel n’est pas le cas. Il est cependant nécessaire de modifier les anciens systèmes d’études et le type de rétribution des intéressés. Au lieu de travailler de façon séquentielle classique, toutes les disciplines spécialisées intéressées, c’est-à-dire les architectes, les ingénieurs-conseil, les techniciens du bâtiment et les investisseurs, doivent dès le départ tous collaborer en réseau, c’est-à-dire parallèlement et en même temps dans une équipe, pour la planification de la construction. – Ergonomie L’utilisation et le confort de travail des programmes de simulation sont souvent considérés, même pour les utilisateurs expérimentés, comme présentant de gros problèmes. Les causes sont les fortes dépenses de temps pour entrer les données du bâtiment, les interfaces pour l’échange de données (par exemple pour l’enregistrement des données de mesure) manquantes ou compliquées, ou l’impossibilité d’une visualisation des résultats compréhensible aussi pour les profanes. Toutefois, à ce sujet, il y a eu au cours des dix dernières années un développement rapide des interfaces de programmes compréhensibles et intuitives avec l’introduction des systèmes de fonctionnement avec souris et fenêtres.

448

1.12 • BASES DE PHYSIQUE DE LA CONSTRUCTION POUR L’ISOLATION THERMIQUE DES BÂTIMENTS1,2

1.12.1 Isolation thermique des bâtiments -1

Généralités

L’isolation thermique des bâtiments a les fonctions suivantes : – maintenir les déperditions thermiques d’un bâtiment les plus faibles possibles pendant les saisons froides, et limiter ainsi la consommation d’énergie et les émissions toxiques qui y sont liées ; – créer les bases pour le confort dans les bâtiments ; – protéger la construction contre des désordres éventuels. Les déperditions thermiques sont composées des déperditions thermiques par transmission et des déperditions thermiques par renouvellement d’air. L’utilisation d’énergie solaire par des mesures architecturales (utilisation passive d’énergie solaire) peut permettre la diminution des déperditions thermiques par transmission, mais aussi des déperditions thermiques par renouvellement d’air. Sous l’effet des variations saisonnières de l’intensité du rayonnement solaire, de la température de l’air extérieur et de l’air ambiant, les variations de température et de débit volumique se compensent dans les éléments de construction, si bien que l’inertie thermique des éléments de construction a également un impact.

-2

Déperditions thermiques de transmission

Déperditions thermiques par transmission d’un élément de construction extérieur-plan pour une différence de température de 1 K

H T = ∑ Fi ⋅ Ui ⋅ Ai + ∑ Fj ⋅Ψ j ⋅ l j + ∑ Fk ⋅ χ k

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

i

j

k

où F représente le coefficient de réduction de température de l’élément de construction ou du pont thermique U en W/(m2.K) le coefficient de transmission thermique surfacique de l’élément de construction A en m2 la surface de l’élément de construction l en m la longueur de la liaison du pont thermique linéique Ψ en W/m.K le coefficient linéique de transmission du pont thermique χ en W/K le coefficient ponctuel de transmission du pont thermique Les facteurs de réduction de température F, ou plutôt Fx, à appliquer d’après DIN 4108-63, sont reproduits dans le tableau 1.12.1-1. Le coefficient de transmission thermique U (jusqu’ici désigné par K) se calcule suivant :

U=

1 DONNÉES DE BASE

Compléments du Pr Gerd Hauser, ingénieur à Kassel

1 d Rsi + ∑ j + Rse j λj

1. Premier remaniement par le Pr Dr-Ing. Gerd Hauser, Kassel, pour la 70e édition. 2. En raison des adaptations internationales de normes, il y a eu des modifications concernant les symboles des formules utilisés en Allemagne. Dans la partie présente, sont ainsi désignés le coefficient de transmission thermique (jusqu’ici k) avec U, le coefficient de transfert de ka chaleur (jusqu’ici α) avec h, l’indice pour l’extérieur (jusqu’ici α) avec e, la température (jusqu’ici v) avec θ et le flux thermique (jusqu’ici Q) avec Φ. 3. DIN V 4108-6 : isolation thermique et économie d’énergie dans les bâtiments – partie 6 : calcul du besoin annuel en chauffage et du besoin annuel en énergie de chauffage. Juin 2003.

449

1.12.1 Isolation thermique des bâtiments

1.12 Bases de physique de la construction…

où Rsi en (m2.K/W) représente la résistance thermique superficielle intérieure Rse en (m2.K/W) la résistance thermique superficielle extérieure d en m l’épaisseur de l’élément j λ en W/(m.K) la conductivité thermique du matériau constitutif de l’isolant Tableau 1.12.1-1 – Valeurs forfaitaires pour les facteurs de réduction de température F a) 1

2

3

Flux de chaleur vers l’extérieur sur

Fx

Facteur de correction de la température Fxb)

1

Mur extérieur, fenêtre, plafond sur l’air extérieur

Fe

1,0

2

Toit (comme limite du système)

FD

1,0

3

Solivage de comble (comble non consolidé)

FD

0,8

4

Murs et plafonds du côté extérieur (busc)

Fu

0,8

5

Murs et plafonds des pièces non chauffées

Fu

0,5

c)

6

Murs et fenêtres des pièces trop peu chauffées

Fnb

0,35

7 8 9

Murs et fenêtres de véranda non chauffée en cas de vitrage de la véranda avec : vitrage simple double vitrage vitrage isolé thermiquement

Fu Fu Fu

0,8 0,7 0,5 B′d) [m] >5 Rf notamment Rwe)

5 bis > 10 Rf notamment Rwe)

> 10 Rf notamment Rwe)

≤1

>1

≤1

>1

≤1

>1

FG = Fbf FG = Fbw

0,30 0,40

0,45 0,60

0,25 0,40

0,40 0,60

0,20 0,40

0,35 0,60

FG = Fbf

0,45

0,60

0,40

0,50

0,25

0,35

Plancher bas du bâtiment 10 11

Plancher de cave chauffée sol de la cave chauffée mur de la cave chauffée

12

Solf) sur la terre sans isolation périphérique f)

13 14

Sol sur la terre avec isolation périphérique 5 m de largeur, horizontal 2 m de profondeur, vertical

15 16

g)

FG = Fbf FG = Fbf

0,3 0,25

0,25 0,20

0,20 0,15

Plafond et mur intérieur de la cave : cave non chauffée avec isolation du périmètre cave non chauffée sans isolation du périmètre

FG FG

0,55 0,70

0,50 0,65

0,45 0,55

17

Sol surélevé

FG

18

Dalle des pièces peu chauffées

FG

a)

0,9 0,20

0,55

0,15

0,50

0,10

0,35

DIN V 4108-6 : Isolation thermique et économie d’énergie dans les bâtiments – partie 6 : calcul du besoin annuel en chaleur de chauffage et en énergie de chauffage. Juin 2003. Les valeurs (en dehors des lignes 6 et 12-14) sont valides de façon analogue aussi pour les surfaces des pièces peu chauffées. c) Pièces avec des températures intérieures entre 12 °C et 19 °C. d) B′ = AG/(0,5 P) d’après l’équation (E.3 dans DIN V 4108-6). e) Rf : résistance de la dalle au passage de la chaleur (voir notamment lignes 10, 12, 18) ; Rw : résistance thermique du mur de la cave (voir ligne 11) ; le cas échéant lié à la surface de Rf et Rw (lignes 10,11). f) Pour l’eau souterraine fluide, les facteurs de correction de la température augmentent de 15 %. g) Pour une résistance de l’isolation de bord au passage de la chaleur > 2 m2.K/W ; dalle non isolée, voir aussi fig. 2 et 3 dans DIN EN ISO 13370:1998-12. b)

450

1.12 Bases de physique de la construction…

1.12.1 Isolation thermique des bâtiments

Les résistances thermiques sont définies par la normalisation européenne avec le symbole R et peuvent être consultées dans le tableau 1.12.1-2. La conductivité thermique λ des matériaux de construction dépend principalement de leur masse volumique brute, mais aussi de leur teneur en humidité et de leur température, comme le montrent les fig. 1.12.1-1 à 1.12.1-4. Les calculs pour la vérification de conformité d’isolation thermique doivent se baser sur les valeurs de conductivité thermique selon DIN V 4108-41.

Apport de chaleur

Masse volumique brute

Fig. 1.12.1-1 : Conductivité thermique λ des matériaux séchés à l’air (valeurs moyennes) en fonction de la masse volumique brute. *) Cammerer, J. C. : tableau de toutes les grandeurs importantes pour l’isolation thermique et la protection contre le froid. Mannheim 1973.

Masse volumique brute

Fig. 1.12.1-2 : Conductivité thermique λ des isolants fibreux en fonction de la masse volumique brute. *) Cammerer, J. C. : tableau de toutes les grandeurs importantes pour l’isolation thermique et la protection contre le froid. Mannheim 1973.

a Verre cellulaire b Mousse rigide de polystyrène

Béton de laitier expansé Conductivité thermique λ

Conductivité thermique

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DONNÉES DE BASE

Émission de chaleur

Conductivité thermique

Conductivité thermique

1

Tuile

Béton-cellulaire

Béton de perlite

Température

Teneur en humidité en % du volume

Fig. 1.12.1-3 : Conductivité thermique λ des mousses alvéolaires en fonction de la température du matériau. Verre cellulaire : ρ = 156 kg/m3 ; mousse rigide de polystyrène : ρ = 20 kg/m3.

Fig. 1.12.1-4 : Conductivité thermique λ des différents matériaux de construction en fonction de la teneur en humidité en % du volume.

*) Cammerer, J. C. : tableau de toutes les grandeurs importantes pour l’isolation thermique et la protection contre le froid. Mannheim 1973.

*) Cammerer, J. C. : tableau de toutes les grandeurs importantes pour l’isolation thermique et la protection contre le froid. Mannheim 1973.

1. DIN V 4108-4 : isolation thermique dans le bâtiment. Caractéristiques de technique d’isolation thermique et d’isolation contre l’humidité. Février 2002.

451

1.12.1 Isolation thermique des bâtiments

1.12 Bases de physique de la construction…

Tableau 1.12.1-2 – Résistances thermiques superficielles R*) Résistance thermique superficielle

Sens du flux thermique Vertical ascendant

horizontal

Vertical descendant

Rsi intérieur = l/hi [m2K/W]

0,10

0,13

0,17

Rse extérieur = l/he [m2K/W]

0,04

0,04

0,04

*) DIN EN ISO 6946 : Résistance thermique et coefficient de transmission thermique. Avril 2008.

La définition du coefficient de transmission du pont thermique Ψ (également appelé coefficient de transmission linéique), tout comme sa position par rapport à l’enveloppe intérieure ou extérieure, découlent de la fig. 1.12.1-5. L’équation développée ci-dessous donne la solution :

Ψ a = Ψ 0 +Ψ u − U ⋅ s La détermination détaillée de HT pour la partie de construction représentée fig. 1.12.1-6 est effectuée avec les liaisons des éléments de construction d’après la fig. 1.12.1-7 dans le tableau 1.12.1-3. Pour les valeurs Ψ et χ, qui y sont désignées respectivement par WBV et WBV p, voir1,2,3. Pour la valeur Ψ concernant les variations importantes de paramètres de tous les modèles d’après le supplément 2 de DIN 41084, voir5. À partir des déperditions thermiques par transmission pour des températures données, on détermine, selon la période considérée du bilan, soit les degrés-jours pour les déperditions thermiques annuelles par transmission, soit les écarts de températures et les durées mensuelles pour les déperditions thermiques mensuelles par transmission.

U (zone non perturbée)

U (zone non perturbée)

Fig. 1.12.1-5 : Définition des coefficients de déperditions thermiques par transmission de pont thermique Ψ.

1. Hauser, G. et Stiegel, H. : Atlas des ponts thermiques pour la construction de bâtisses. Maison d’édition sur le bâtiment Wiesbaden, 1990, 2e édition corrigée de 1993, 3e édition corrigée de 1996. 2. Hauser, G. : Balcons en saillie concernant l’assainissement technique d’isolation thermique. Physique appliquée au bâtiment 13 (1991), H. 9, pages 144-150. 3. Hauser, G. et Stiegel, H. : Atlas des ponts thermiques pour la construction du bois. Maison d’édition sur le bâtiment Wiesbaden, 1992. 4. DIN 4108 annexe 2 : isolation thermique et économie d’énergie dans les bâtiments – ponts thermiques, exemples de planification et d’exécution. Janvier 2004. 5. Hauser, G. ; Stiegel, H. et Haupt, W. : Catalogue des ponts thermiques sur CD-ROM. Bureau d’ingénieur Prof. Dr. Hauser GmbH, Baunatal. 1e version remaniée de 2002.

452

1.12.1 Isolation thermique des bâtiments

1.12 Bases de physique de la construction…

Chauffé

Chauffé

Fig. 1.12.1-6 : Coupe d’un bâtiment avec les détails des liaisons présentés dans la fig. 1.12.1-7 avec indication des valeurs Ψ et χ (moitié gauche de la fig.) et de la valeur f (moitié droite de la fig.). Mode de calcul ; voir tableau 1.12.1-3.*) *) Hauser, G. et Stiegel, H. : Atlas des ponts thermiques pour la construction en bois. Maison d’édition sur le bâtiment de Wiesbaden, 1992.

Tableau 1.12.1-3 – Calcul des déperditions thermiques spécifiques par transmission HT de la pièce présentée dans la fig. 1.12.1-6 ; liaisons des éléments de construction d’après la fig. 1.12.1-7*) Mode de calcul Déperditions surfaciques

W/K

%

10,26

89,9

1,16

10,2

∑ (U ⋅ A ) i

i

i

0, 30 ( W/m 2 .K) ⋅ 5,77 m 2 + 2, 6 ( W/m 2 .K) ⋅ 3, 28 W/m 2

∑ (Ψ ⋅ l ) i

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Ponts thermiques linéiques

Ponts thermiques ponctuels

i

i

+ 0, 070 ( W/m.K) ⋅ 3, 62 m + 0,162 W/(m.K K) ⋅ 3, 62 m + 2 ⋅ 0,026 W/(m.K) ⋅ 2,5 m + 0, 034 W/(m.K) ⋅ 2,42 m + 0, 027 W/(m.K) ⋅ 2,42 m + 2 ⋅ 0, 016 W/(m.K) ⋅ 1,355 m

∑ ( χ p,i ) i

+ 2 ⋅ (0, 009) W/K + 2 ⋅ (0, 021) W/K +2 ⋅ (− 0, 018) W/K + 2 ⋅ (− 0, 013) W/K

Somme

− 0,002

− 0,02

11,42

100,0

*) Hauser, G. et Stiegel, H. : Atlas des ponts thermiques pour la construction en bois. Maison d’édition sur le bâtiment de Wiesbaden, 1992.

Tableau 1.12.1-4 – Valeurs du renouvellement d’air en fonction du type et de la position de la fenêtre*) Position de la fenêtre Fenêtre fermée, portes fermées Fenêtre basculante, jalousie fermée Fenêtre basculante, pas de jalousie Fenêtre à moitié ouverte Fenêtre complètement ouverte Fenêtre et portes-fenêtres complètement ouvertes (opposées)

Renouvellement d’air n (h–1) 0 à 0,5 0,3 à 1,5 0,8 à 4,0 5 à 10 9 à 15 environ 40

*) Gertis, K. et Hauser, G. : économie d’énergie par aération ponctuelle. HLH 30 (1979) ; H. 3, page 89-93.

453

DONNÉES DE BASE

Chauffé

Chauffé

1

1.12.1 Isolation thermique des bâtiments

1.12 Bases de physique de la construction…

Linteau

Embrasure

Raccordement du mur intérieur

Liaison sol/plafond

Allège

Raccordement sur fondation

Fig. 1.12.1-7 : Présentation des détails des liaisons à la base de la coupe du bâtiment de la fig. 1.12.1-6.*) *) Hauser, G. et Stiegel, H. : Atlas des ponts thermiques pour la construction en bois. Maison d’édition sur le bâtiment de Wiesbaden, 1992.

-3

Déperditions thermiques par renouvellement d’air

Les déperditions thermiques spécifiques par le renouvellement d’air d’une pièce pour un écart de température de 1 K s’expriment par : i

Hv = V ⋅ c ⋅ ρair où i

V en m3/h représente le débit volumique d’air c⋅ ρair en Wh/(m3.K) représente la chaleur volumique de l’air (ou capacité thermique de l’air) i

Au lieu du débit volumique V , le renouvellement d’air se rapproche la plupart du temps de l’appellation n : i

n = V/V

454

1.12.1 Isolation thermique des bâtiments

où V en m3 représente le volume d’air renouvelé. n varie selon le comportement de l’usager, les conditions météorologiques et climatiques, et l’étanchéité du bâtiment. Le renouvellement global d’air se divise fréquemment : – en une part de ventilation nV, – et une part d’infiltration ni. Le tableau 1.12.1-4 donne les ordres de grandeur pour différentes positions de la fenêtre. Le débit volumique d’air pour une fenêtre s’évalue1, dans le cas d’une ventilation sur une seule façade, avec : i 1 V = 3 600 ⋅ ⋅ Al ⋅ Φ ⋅ C1 ⋅ u 2 + C2 ⋅ H ⋅ Δθ + C3 2

où Al en m2 représente la surface d’ouverture libre de la fenêtre Φ sans unité la fraction du débit C1, C2, C3 sans unité, m/(s2.K), m2/s2 les coefficients u en m/s la vitesse du vent H en m la hauteur de l’ouverture libre de la fenêtre Δθ en K la différence de température intérieure/extérieure. Pour les fenêtres à croisée orientable et inclinable, les valeurs suivantes peuvent être utilisées comme coefficient : C1 = 0,0056 ; C2 = 0,0037 m/s2K ; C3 = 0,012 m2/s2. La fraction du débit dépend de l’ouverture de la fenêtre et admet les valeurs du tableau 1.12.1-5. Si la valeur n50 est connue à partir d’une mesure de la perméabilité, un renouvellement d’air moyen par infiltration peut être obtenu2 pour la période de chauffage à partir de l’équation suivante : i

Vx =

V ⋅ n50 ⋅ e i ⎞ ⎛ i f ⎜ Vsup − Vex ⎟ 1+ ⋅ e ⎜ V ⋅ n50 ⎟ ⎠ ⎝

2

où n50 en h–1 représente le renouvellement d’air avec 50 Pa de différence de pression e, f sans unité les coefficients d’exposition au vent Vsup, Vex en m3/h les débits volumiques d’air amené et d’air repris du système de ventilation. Pour l’évaluation du besoin annuel de chauffage d’après DIN V 4108-6 3, notamment4, on applique n = 0,7, en particulier pour une étanchéité justifiée avec 0,6 h -1. La détermination des déperditions thermiques par renouvellement d’air s’opérant sur l’année, notamment pendant la période de chauffage, s’effectue de façon analogue à l’évaluation des déperditions thermiques par transmission.

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Tableau 1.12.1-5 – Proportions du débit Φ en fonction de l’ouverture de la fenêtre*) Fenêtre basculante

Déflecteur d’air

Ouverture (cm)

Φ [−]

Ouverture

Φ [–]

2 4 6 8 10 12 14

0,0715 0,0943 0,1204 0,1426 0,1752 0,2036 0,2171

5 cm 10 cm 15 cm 45° 90°

0,1948 0,2890 0,3850 0,8208 1

*) Maas, A. : Quantification expérimentale du renouvellement d’air en cas d’aération par la fenêtre. Dissertation, université et école polyvalente de Kassel, 1995.

1. Maas, A. : quantification expérimentale du renouvellement d’air en cas d’aération par la fenêtre. Dissertation, université et école polyvalente de Kassel, 1995. 2. DIN EN 832 : Calcul du besoin en énergie de chauffage – bâtiments d’habitation. Juin 2003. 3. DIN V 4108-6 : isolation thermique et économie d’énergie dans les bâtiments – partie 6 : calcul du besoin annuel en chauffage et du besoin annuel en énergie de chauffage. Juin 2003. 4. Ordonnance sur l’isolation thermique d’économie d’énergie et sur la technique d’économie d’énergie des installations concernant les bâtiments (Ordonnance sur l’économie d’énergie – EnEV). Projet d’analyste, novembre 2001.

455

1 DONNÉES DE BASE

1.12 Bases de physique de la construction…

1.12.1 Isolation thermique des bâtiments

1.12 Bases de physique de la construction…

-4

Apports solaires passifs

-4.1 Facteur solaire Suite au rayonnement solaire sur les éléments de construction extérieurs, les déperditions thermiques peuvent être réduites ou des gains de chaleur obtenus. Concernant les vitrages, le facteur solaire g1 est habituellement utilisé, comme défini fig. 1.12.1-8. La densité de flux thermique q par le vitrage donne ensuite : q = U g ⋅ (θ i − θ e ) − g ⋅ I ⎛ α + αi ⎞ g = τ +U ⋅⎜ a + α i ⋅ R⎟ h ⎝ ⎠ e où g représente le facteur solaire θi, θe en °C la température de l’air intérieur et extérieur I en W/m2 l’intensité du rayonnement Ug en W/(m2.K) le coefficient de transmission thermique du vitrage τ le facteur de transmission αa, αi le coefficient d’absorption de la vitre intérieure et extérieure he en W/(m2.K) le coefficient d’échange superficiel extérieur R en (m2.K)/W la résistance thermique du vitrage

Fig. 1.12.1-8 : Rayonnement solaire pour les vitrages et définition du facteur solaire.

Fig. 1.12.1-9 : Rayonnement solaire pour les éléments de construction opaques.

La valeur g est d’environ 0,75 pour doubles vitrages isolants et d’environ 0,6 pour les vitrages à isolation renforcée. Concernant les éléments de construction opaques comme les murs extérieurs et toits habituels, une valeur g peut être définie selon la même méthode (fig. 1.12.1-9) :

g = U ⋅ α S / he où αs représente le facteur d’absorption du rayonnement solaire he en W/(m2.K) le coefficient d’échange superficiel externe La très faible proportion d’utilisation du rayonnement solaire des éléments de construction opaques par rapport aux transparents est patente. La quantification des apports solaires passifs sur les fenêtres et les éléments de construction extérieurs opaques peut s’effectuer soit séparément des pertes, soit simultanément avec les pertes. 1. DIN EN 410 : Détermination des grandeurs nominales de lumière et de physique de rayonnement des vitrages. Décembre 1998.

456

1.12 Bases de physique de la construction…

1.12.1 Isolation thermique des bâtiments

-4.2 Établissement du bilan séparé Le flux thermique Φs, qui arrive dans le bâtiment par les fenêtres et les éléments de construction extérieurs opaques, est déterminé d’après DIN V 4108-6. Pour les éléments de construction extérieurs opaques, l’émission de rayonnements à grandes longueurs d’ondes est également prise en compte. Transparent : Φ s = ∑ I i ⋅ Fs , i ⋅ FC , i ⋅ FF , i ⋅ gi ⋅ Ai

(

Opaque : Φ s = ∑ Ai ⋅ Ui ⋅ Re ⋅ α s , i ⋅ I i − Ff , i ⋅ hr , i ⋅ Δθ er

)

1 DONNÉES DE BASE

où I en W/m2 représente l’intensité de rayonnement Fs, Fc le facteur de réduction lié à l’ombre ou la protection solaire FF le facteur de réduction dû à la baie g le facteur solaire global A en m2 la surface de l’élément de construction U en W/(m2.K) le coefficient de transmission thermique Re en m2K/W la résistance thermique superficielle externe αs le coefficient d’absorption de l’élément de construction opaque hr en W/(m2.K) le coefficient d’échange par rayonnement extérieur Δθer en K la différence de température de l’air extérieur/ciel

-4.3 Coefficient U équivalent La valeur U est définie comme une valeur dont la moyenne sur une période de chauffage conduit aux mêmes pertes qu’un bilan détaillé1,2. Fenêtre U w , eq = U w − g ⋅ Sw où Uw en W/(m2.K) représente le coefficient de transmission thermique de la fenêtre (window) g coefficient solaire global Sw en W/(m2.K) le facteur de réduction du rayonnement Sw dépend principalement de l’orientation, mais aussi de la proportion de gains de chaleur par rapport aux déperditions thermiques. Pour les conditions environnantes météorologiques de l’Allemagne 3, la formule est approximative. Pour le niveau de protection thermique d’après l’ordonnance sur la protection thermique de 954, les valeurs suivantes sont utilisées : – nord Sw = 0,95 W/(m2K) – est/ouest Sw = 1,65 W/(m2K) – sud Sw = 2,4 W/(m2K) Murs extérieurs et toits

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U AW , eq = U AW ⋅ S AW où UAW en W/(m2.K) représente le coefficient de transmission thermique du mur SAW le facteur de réduction du rayonnement Pour les murs habituels avec un coefficient d’absorption de 0,7, les valeurs suivantes doivent être utilisées selon l’orientation : – nord SAW = 0,96 – est/ouest SAW = 0,95 – sud SAW = 0,92 -4.4 Systèmes passifs d’énergie solaire Les compléments ou combinaisons des éléments décrits conduisent à des systèmes multiples 5.

1. Gertis, K., Hauser, G., Künzel, H., Nikolic, V., Rouvel, L. et Werner, H. : Estimation énergétique des fenêtres pendant la période de chauffage. DAB 12 (1980), H. 2, pages 201–202. 2. Hauser, G. : utilisation passive d’énergie solaire pour la quantification par la valeur keq. HLH 34 (1983), H. 3, pages 111112, H. 4, pages 144-153, H. 5, pages 200-204, H. 6, pages 259-265. 3. Hauser, G. : Formule approximative pour l’évaluation simple des coefficients d’obtention de rayonnement. Physique appliquée au bâtiment 10 (1988), H. 2, pages 43-5. 4. Ordonnance pour une isolation thermique d’économie d’énergie dans les bâtiments (ordonnance sur l’isolation thermique – WärmeschutzV) du 16 août 1994, journal officiel allemand partie 1, Bonn, 24 août 1994, pages 2121-2123. 5. Bansal, N. K. ; Hauser, G. et Minke, G. : Passiv Building Design. A Handbook of Natural Climatic Control. Elsevier Science B. V., Amsterdam, London, New York, Tokyo 1994.

457

1.12.1 Isolation thermique des bâtiments

1.12 Bases de physique de la construction… -4.4.1 Isolation thermique translucide TWD

Grâce à l’utilisation d’une couche d’isolation placée à l’extérieur, largement transparente au rayonnement solaire, le point où le rayonnement est transformé en chaleur est déplacé dans des zones isolées du bâtiment et devient plus utile. Le mode d’action est présenté sur la fig. 1.12.1-10. La quantification du gain d’énergie solaire, notamment la diminution des déperditions thermiques de transmission, se fait d’après : a) DIN V 4108-6

⎛ ⎞ 1 Φ s = ∑ Ai ⋅ Ui ⋅ ⎜ Fs , i ⋅ FF , i ⋅ α s , i ⋅ gTi , i ⋅ ⋅ I s , i − Re , TWD , i ⋅ FF , i ⋅ hr , i ⋅ Δθ er ⎟ U ⎝ ⎠ e, i où Ue en W/(m2.K) représente la valeur U de toutes les couches extérieures aux surfaces absorbantes gTi le coefficient global d’efficacité de passage d’énergie TWD Re, TWD en (m2K)/W la résistance thermique côté extérieur (y compris TWD) b) Méthode Ueq1

U AW ,eq = U AW ⋅ STWD où UAW en W/(m2K) représente le coefficient de transmission thermique du mur y compris TWD STWD le facteur de réduction du rayonnement 2 : – nord STWD = 0,20 – ouest/est STWD = 0,10 – sud STWD = – 0,10

Fig. 1.12.1-10 : Schéma de principe du mode d’action d’une isolation thermique translucide.

-4.4.2 Jardins d’hiver/annexes vitrées (serres)

Les pertes et les gains de chaleur sont influencés par la disposition d’une serre vitrée non chauffée sur le bâtiment chauffé. L’énergie pénétrant directement dans le bâtiment chauffé diminue en fonction du coefficient de transmission du rayonnement τe du vitrage du jardin d’hiver et de la proportion de surface de construction FF. Dans le jardin d’hiver apparaît un climat intermédiaire avec des températures plus élevées que dans l’air extérieur (effet des zones tampons), avec lequel diminuent les déperditions thermiques par transmission, mais aussi les déperditions thermiques par renouvellement d’air lorsque ce jardin d’hiver ou volume tampon est ventilé. La surface recevant l’énergie solaire est augmentée. Par exemple, l’effet du jardin d’hiver pour le bâtiment présenté sur la fig. 1.12.1-11 découle de la fig. 1.12.1-12.

Fig. 1.12.1-11 : Présentation schématique de l’habitation individuelle. Sur les façades latérales et arrières (détachées du jardin d’hiver) se trouvent les fenêtres avec une proportion de surface de fenêtres liée à la surface de la façade de la maison sans jardin d’hiver à chaque fois de 5 %. *) *) Hauser, G. : aspects physiques liés à la construction pour les jardins d’hiver Glaswelt 39 (1986), H. 5, pages 10-21.

1. Hauser, G. : Utilisation passive de l’énergie solaire par les fenêtres, les murs extérieurs et les mesures temporaires d’isolation thermique – une méthode simple pour la quantification par les valeurs keq. HLH 34 (1983), H. 3, S. 111–112, H. 4, S. 144– 153, H. 5, S. 200–204, H. 6, S. 259–265. 2. Hauser, G. : Utilisation passive de l’énergie solaire par les fenêtres, les murs extérieurs et les mesures temporaires d’isolation thermique – une méthode simple pour la quantification par les valeurs keq. HLH 34 (1983), H. 3, S. 111–112, H. 4, S. 144– 153, H. 5, S. 200–204, H. 6, S. 259–265.

458

1.12.1 Isolation thermique des bâtiments

1.12 Bases de physique de la construction…

Calcul de moyenne sur la période d’utilisation

Sans jardin d’hiver (serre)

Vitrage simple

Vitrage isolant

Forte ventilation

1 DONNÉES DE BASE

Avec jardin d’hiver (serre)

Facteur (coefficient)

Besoin en chauffage

Sans ralenti de nuit

Avec ralenti de nuit, faible ventilation

Vitrage de protection thermique Relation Orientation

Fig. 1.12.1-12 : Besoin annuel en chauffage de l’habitation individuelle (présentée schématiquement fig. 1.12.1-11) avec ou sans jardin d’hiver en fonction de l’orientation du bâtiment. L’orientation du bâtiment est caractérisée par l’exposition du jardin d’hiver, notamment de la grande fenêtre. *) *) Hauser, G. : aspects physiques liés à la construction pour les jardins d’hiver Glaswelt 39 (1986), H. 5, pages 10-21.

Fig. 1.12.1-13 : « Facteur (coefficient) de fermeture » D, qui découle de Uw, eq = Uw – g . Sw – D . Uw, en fonction de la proportion kF + tW/kF et de l’utilisation de la pièce (coefficient de transmission thermique U désigné auparavant avec k, index F + tW : fenêtre plus protection thermique temporaire). Données de base : voir *) *) Hauser, G. : utilisation passive d’énergie solaire par les fenêtres, les murs extérieurs et les mesures temporaires de protection thermique – une méthode simple de quantification avec la valeur keq. HLH 34 (1983) ; H. 3, pages 111-112, H. 4 pages 144-153,

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-4.4.3 Protection thermique temporaire

Les déperditions thermiques des fenêtres pendant la période sans rayonnement solaire la nuit peuvent être diminuées par des mesures temporaires de protection thermique, comme les volets et volets roulants, mais aussi les rideaux et les stores. L’effet d’une mesure de ce type peut également être quantifié à l’aide de la valeur U équivalent d’après la fig. 1.12.1-13. Il faut ainsi s’assurer que l’importance des mesures temporaires de protection thermique diminue avec l’amélioration de la valeur Uw.

-5

Inertie thermique

En raison des variations de température s’opérant même pendant la période de chauffage dans les bâtiments, leur besoin en chauffage est également influencé par l’inertie thermique et la caractéristique des matériaux utilisés, c’est-à-dire par la capacité thermique de stockage de la chaleur. Il faut donc respecter deux types de construction1 : Le rayonnement solaire qui frappe un bâtiment et pénètre dans les pièces par la fenêtre peut en général être mieux exploité par les constructions lourdes que par les constructions légères, car, concernant les constructions lourdes, il n’y a absolument pas de surchauffe des pièces. Ainsi, les pertes supplémentaires en énergie en raison de températures élevées de l’air intérieur, qui conduisent à une augmentation des déperditions par renouvellement d’air et par transmission, sont plus faibles pour les constructions lourdes que pour les constructions légères. Pourtant, concernant le chauffage, une construction de faible inertie thermique se révèle être propice, car les températures de l’air intérieur pendant les périodes où les pièces ne sont pas utilisées peuvent beaucoup diminuer, d’où réduction des déperditions thermiques (abaissement de nuit, abaissement de week-end). 1. Hauser, G. : Comparatif de la consommation annuelle d’énergie et de chaleur des maisons individuelles dans les constructions légères et lourdes. Journal de construction allemand 33 (1984), H. 2, pages 120-124.

459

1.12.2 Protection thermique d’été

1.12 Bases de physique de la construction…

Pour le besoin en chauffage des bâtiments, quant à l’influence du type de construction, il existe deux phénomènes opposés l’un à l’autre. C’est pourquoi il ne peut y avoir de règle établie expliquant quel type de construction est avantageux concernant le besoin de chaleur de chauffage, mais il y a de très bonnes tendances1 : a) En cas de périodes de chauffage courtes, douces, caractérisées par des températures relativement élevées et donc de faibles degrés-jours, mais aussi par des intensités de rayonnement solaire relativement fortes, une construction lourde est avantageuse ; en cas de périodes de chauffage longues et rigoureuses, il faudra une construction légère. Les conditions météorologiques de l’Allemagne correspondent à peu près à une situation intermédiaire. b) Une forte inertie thermique s’avère positive dans les conditions climatiques de l’Allemagne, lorsque : – un chauffage permanent est nécessaire pour des raisons liées à l’utilisation ; – le système de chauffage ne réagit que très peu ; – il existe de fortes charges thermiques intérieures et extérieures, comme les sources internes de chaleur ou le rayonnement solaire. c) Une faible inertie thermique constitue un avantage lorsque : – de longues interruptions de chauffage, par exemple la nuit ou le week-end, sont possibles ; – l’utilisation est rare (chambre d’amis, salle de détente) ; – apparaissent des pertes particulières de chaleur importantes. Avec les données météorologiques de l’Allemagne, l’influence de l’inertie thermique est pratiquement négligeable en cas d’utilisation type habitation 2.

1.12.2 Protection thermique d’été -1

Grandeurs de jugement

La protection thermique d’été a pour but, même dans un environnement très ensoleillé, d’assurer les conditions ambiantes les plus agréables possible. Avec les moyens architecturaux, il faut faire en sorte que les températures de l’air extérieur ne soient pas dépassées dans leur valeur maximale à l’intérieur du bâtiment. C’est pourquoi on utilise la température de régulation de l’air intérieur pour évaluer le comportement thermique d’été. Une évaluation détaillée peut pourtant s’effectuer grâce à la température opérative, qui en plus de la température de l’air tient également compte de la température des surfaces en tant que valeur intégrale. On ajoute en plus dans 3 le degré-heure de température supérieure à la normale Gh26 :

Gh26 =

∑ (θ

8 760 h i =1

empf

− 26 °C

)

pos

⋅1 h

où θempf en °C représente la température opérative. Le degré-heure de température supérieure à la normale ne reproduit pas seulement l’enregistrement instantané d’un jour particulièrement chaud, ou riche en rayonnement, mais décrit les conditions sur une année.

-2

Paramètres d’influence

Le comportement thermique d’été d’un bâtiment est marqué pour l’essentiel par : – les charges extérieures comme la dimension de la fenêtre, le facteur solaire du vitrage, le coefficient éventuel de réduction des dispositifs de protection solaire, mais aussi le coefficient d’absorption des éléments extérieurs de construction et le cas échéant le coefficient de transmission des systèmes translucides d’isolation thermique, ainsi que l’orientation de la façade ; – les charges intérieures, convectives et radiatives ; 1. Hauser, G. : Influence du coefficient de transmission de la chaleur et de la capacité d’accumulation thermique des éléments de construction sur la consommation d’énergie de chauffage des bâtiments. Étude littéraire. Physique appliquée au bâtiment 6 (1984), H. 5, pages 180–186, H. 6, pages 207–213. 2. Hauser, G. et Otto, F. : Influence de la capacité d’accumulation thermique sur le besoin en chaleur de chauffage et le comportement thermique estival. db 134 (2000), H. 4, pages 113–118. 3. Hauser, G. et Otto, F. : Effets d’une forte isolation thermique sur le confort en été. Physique appliquée au bâtiment 19 (1997), H. 6, pages 169-176 ; 21e congrès international Velta’99, pages 39-53.

460

1.12.2 Protection thermique d’été

1.12 Bases de physique de la construction…

– les possibilités de ventilation du bâtiment, notamment à des périodes où les températures d’air extérieur sont basses, c’est-à-dire pendant la nuit et, dans ce contexte, par l’inertie thermique de la construction. Ces deux grandeurs sont étroitement liées. Ainsi, une forte capacité d’accumulation thermique de la construction est efficace, notamment en cas de ventilation nocturne intensive ; – la protection thermique architecturale. Une bonne protection thermique architecturale avec de faibles coefficients de transmissions thermiques conduit, avec un comportement raisonnable de l’usager et un environnement habituel, à une amélioration du confort en été. 1

1

Grandeurs de planification

En plus de la grandeur Gh26, la plus appropriée pour des projets détaillés, qui peut être obtenue exclusivement avec des calculs dynamiques de simulation, il existe également la valeur de l’enregistrement solaire (f . gtotal) pour les calculs.2,3 Cette valeur doit être la plus petite possible. Le tableau 1.12.2-2 présente les valeurs pour le facteur de réduction FC, dont le produit avec le facteur solaire du vitrage donne la valeur totale. La réécriture de la norme établira à l’avenir la valeur la plus élevée du facteur solaire somme suit :

∑ (A

w, j

S=

⋅ gtotal , j )

j

AG

≤ ∑ Sx

où Aw représente la surface de fenêtre de la pièce gtotal le coefficient global de transmission d’énergie du vitrage, y compris la protection solaire (gtotal = g . FC) AG la surface nette du sol de la pièce SX le coefficient de correction d’ensoleillement d’après le tableau 1.12.2-1 Tableau 1.12.2-1 – Facteurs d’ombrage pour calculer la valeur la plus élevée d’entrée solaire permise *)

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1

2

3

Ligne

Position du bâtiment, notamment type de construction, inclinaison de la fenêtre et orientation

1

Région climatiquea) :

4 Coefficient de correction Sx

1.1

Bâtiments dans la région climatique A

0,04

1.2

Bâtiments dans la région climatique B

0,03

1.3

Bâtiments dans la région climatique C

0,015

b)

2

Type de construction : 2.1

Construction légère : sans preuve de Cwirk/AG

0,06 fgewc)

2.2

Construction moyenne : 50 Wh/(K.m2) ≤ Cwirk/AG ≤ 130 Wh/(K.m2)

0,10 fgewc)

2.3

Construction lourde : Cwirk/AG ≤ 130 Wh/(K.m2)

0,115 fgewc)

Forte ventilation de nuitd) pendant les deux moitiés de la nuit n ≥ 1,5 h-1

3 3.1

En cas de construction moyenneb) et légère b)

0,02

3.2

En cas de construction lourdeb)

0,03

1. Hauser, G. et Otto, F. : Effets d’une forte isolation thermique sur le confort en été. Physique appliquée au bâtiment 19 (1997), H. 6, pages 169-176 ; 21e congrès international Velta’99, pages 39-53. 2. Hauser, G. et Gertis, K. : l’isolation thermique estivale des bâtiments (proposition de normalisation). KI 8 (1980), H. 2, pages 71-82. 3. DIN 4108-2 : isolation thermique et économie d’énergie dans les bâtiments – exigences moindres en isolation thermique. Avril 2003.

461

DONNÉES DE BASE

-3

1.12.2 Protection thermique d’été

1.12 Bases de physique de la construction…

1

2

3

4

Ligne

Position du bâtiment, notamment type de construction, inclinaison de la fenêtre et orientation

4

Vitrage de protection solairee) avec g ≤ 0,4

5

Inclinaison de la fenêtre 0° ≤ inclinaison ≤ 60° (par rapport à l’horizontale)

− 0,12 finclf)

6

Orientation : fenêtre orientée vers le nord, nord-est, nord-ouest tant que l’inclinaison par rapport à l’horizontale est > 60° comme les fenêtres qui sont continuellement maintenues à l’ombre par le bâtiment.

− 0,10 fnordg)

Coefficient de correction Sx 0,03

*) DIN 4108-2 : Protection thermique et économie d’énergie dans les bâtiments – exigences moindres en protection thermique, avril 2003. a) Valeurs les plus élevées des températures mensuelles de l’air extérieur d’après le tableau 6 de DIN 4108-2. b) En cas de doute, la capacité efficace d’accumulation thermique peut être déterminée d’après DIN V 4108-6, afin de classer le type de construction ; il faut donc procéder au classement suivant : – constructions légères lorsque Cwirk/AG < 50 Wh/(K.m2) où Cwirk représente la capacité d’accumulation thermique ; AG la surface nette du sol correspondante selon 8.4 de DIN 4108-2 ; – constructions moyennes lorsque 50 Wh/(K.m2) ≤ Cwirk/AG ≤ 130 Wh/(K.m2) ; – constructions lourdes lorsque Cwirk/AG ≤ 130 Wh/(K.m2). c) fgew = (AW + 0,3 AAW + 0,01 AD)/AG où fgew représente la surface extérieure évaluée relative à la surface nette du sol ; les facteurs d’évaluation prennent en compte la relation entre le passage de chaleur estival des éléments de construction extérieures habituels ; AW la surface de fenêtre (y compris la lucarne) d’après 8.4 de DIN 4108-2 ; AAW la surface du mur extérieur (masse extérieure) ; AD la surface de plafond ou de toit transférant la chaleur vers le haut ou vers le bas contre l’air extérieur, la terre et les caves et greniers non chauffés (masse extérieure) ; AG la surface nette du sol (masse légère) d’après 8.4 de DIN 4108-2. d) Pour les habitations individuelles et de deux appartements, on peut en règle générale prendre comme point de départ une forte ventilation de nuit. e) On peut prendre comme mesure équivalente l’équipement de protection solaire, qui réduit de façon permanente le rayonnement diffus, et qui atteint gtotal < 0,4. f) fincl = AW, incl/AG où AW, incl représente la surface de fenêtre appropriée ; AG la surface nette du sol. g) fnord = AW, nord/AW, globalz où AW, nord représente la surface de fenêtre orientée vers le nord, nord-est, nord-ouest tant que l’inclinaison par rapport à l’horizontale est > 60° comme les fenêtres qui sont continuellement maintenues à l’ombre par le bâtiment ; AW, global la surface globale de fenêtre.

Tableau 1.12.2-2 – Valeurs standard pour les facteurs de réduction Fc des équipements fixes de protection solaire*) Équipement de protection solairea)

Ligne 1

Sans équipement de protection solaire

2

Dans ou entre les vitresb) Surface blanches ou réfléchissante Avec faible transparence

2.2

Couleurs claires ou faible transparencec)

3

0,75 0,80

c)

Couleurs sombres ou forte transparence

0,90

Dehors 3.1

462

1,0

2.1

2.3

Fc

Lamelles mobiles, aérées

0,25 c)

3.2

Jalousies et matières avec faible transparence , aérées

0,25

3.3

Jalousies en général

0,40

3.4

Volets roulants, volets

0,30

1.12.3 Condensation sur les surfaces intérieures des pièces de construction extérieures Équipement de protection solairea)

Ligne

Fc

3.5

Auvents, loggias, lamelles autonomesd)

0,50

3.6

Marquisesd), ventilées en haut et sur les côtés

0,40

3.7

d)

Marquises , en général

0,50

*) DIN 4108-2 : Protection thermique et économie d’énergie dans les bâtiments – exigences moindres en protection thermique, avril 2003. a) L’équipement de protection solaire doit être fixé en permanence. Les rideaux décoratifs habituels ne sont pas considérés comme équipement de protection solaire. b) Pour les équipements de protection solaire se trouvant à l’intérieur et entre les vitres, une évaluation exacte est recommandée, car des valeurs très avantageuses peuvent apparaître. c) Une transparence de l’équipement de protection solaire inférieure à 15 % est considérée comme faible. d) Ainsi, il faut s’assurer qu’il n’y a pas d’ensoleillement direct de la fenêtre. Ceci est le cas lorsque – en cas d’orientation sud, l’angle de couverture β ≥ 50° ; – en cas d’orientation est-ouest, l’angle de couverture β ≥ 85° ou γ ≥ 115°. Des zones d’angle de ± 22,5° appartiennent aux orientations respectives. En cas d’orientation intermédiaire, l’angle de couverture est β ≥ 80°.

1

Coupe verticale sur la façade

DONNÉES DE BASE

1.12 Bases de physique de la construction…

Sud

Coupe horizontale sur la façade

Ouest

Est

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1.12.3 Condensation sur les surfaces intérieures des pièces de construction extérieures La vapeur d’eau se trouve dans l’atmosphère comme composant de l’air et est produite à l’intérieur des bâtiments par les personnes et les animaux, mais aussi par la cuisine, le lavage, le bain, etc. Vu que l’air contient moins de vapeur d’eau en cas de température décroissante, lorsque son humidité relative augmente au contact des surfaces froides des éléments de construction et atteint 100 %, de la rosée apparaît. Étant donné qu’en raison de la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur pendant la période froide, les températures des surfaces intérieures des éléments de construction extérieurs sont de plus en plus basses par rapport aux températures de l’air, il existe pour ces éléments de construction le risque du point de rosée, ou alors, ce qui apparaît le plus fréquemment et le plus rapidement, la formation de moisissures. La température à laquelle la vapeur d’eau se condense s’appelle la température de rosée (ou point de rosée) et est représentée fig. 1.12.3-1 en fonction de la température de l’air ambiant et de l’humidité relative de l’air. Ce phénomène est expliqué grâce à la fig. 1.12.3-2, où, pour l’angle d’un élément de construction, sont indiquées la température de surface en °C et l’humidité maximale autorisée correspondante de l’air ambiant, en dessous de laquelle il n’y a pas de formation de rosée. Il est donc nécessaire de fixer les conditions minimales, notamment la température de l’air extérieur et intérieur. C’est pourquoi il est plus pratique de définir les températures des surfaces intérieures des éléments de construction extérieurs à l’aide du facteur de température f 1 (désigné dans la zone germanophone par λ)2,3,4. Le facteur de température f s’obtient à partir de l’équation suivante :

f =

θ si − θ e θi − θe

1. DIN EN ISO 10211-1 : Ponts thermiques dans le bâtiment. Courants thermiques et températures des surfaces – partie 1 : procédés généraux de calcul. Novembre 1995, révisée en 2007. 2. Hauser, G., Schulze, H. et Wolfseher, U. : Ponts thermiques dans le bâtiment. Physique appliquée au bâtiment 5 (1983), H. 1, pages 17–21 ; H. 2, pages 42–51 ; Construction avec du bois 86 (1984), H. 2, pages 81–92 ; Journal suisse de menuiserie 98 (1987), H. 39, pages 936–946. 3. Hauser, G. et Stiegel, H. : Atlas des ponts thermiques pour la construction de bâtisses. Maison d’édition sur le bâtiment Wiesbaden, 1990, 2e édition corrigée de 1993, 3e édition corrigée de 1996. 4. Hauser, G. et Stiegel, H. : Atlas des ponts thermiques pour la construction de bâtisses. Maison d’édition sur le bâtiment Wiesbaden, 1992.

463

1.12.3 Condensation sur les surfaces intérieures des

1.12 Bases de physique de la construction…

pièces de construction extérieures

où θsi en °C représente la température de surface à l’intérieur θe en °C la température de l’air à l’extérieur θi en °C la température de l’air à l’intérieur Un calcul éventuel de la température des surfaces intérieures en °C peut s’effectuer à partir de l’équation suivante :

θsi = f·(θi – θe) + θe Une valeur f de 0,7 correspond donc, avec une température de l’air ambiant de 20 °C et une température de l’air extérieur de – 5 °C, à une température de surface de 12,5 °C. Afin d’éviter la formation de condensation sur des surfaces intérieures, l’humidité relative de l’air à l’intérieur d’un bâtiment doit respecter les conditions suivantes :

⎛ 109, 8 + f ⋅ (θ i − θ e ) + θ e ⎞ ϕ ≤⎜ ⎟ 109, 8 + θ i ⎝ ⎠

8 ,02

⋅ 100 %

Température de rosée

où ϕ en % représente l’humidité relative de l’air ambiant.

Température de l’air

Fig. 1.12.3-1 : Température de rosée en fonction de la température de l’air ambiant et de l’humidité relative de l’air.

Température de l’air extérieur – 15 °C

Température superficielle Humidité relative maximale autorisée de l’air

Température de l’air ambiant 20 °C

Angle de parois extérieures

Fig. 1.12.3-2 : Angle d’un élément de construction extérieur avec indication des températures respectives des surfaces en °C et de l’humidité maximale autorisée de l’air ambiant pour éviter la formation de rosée.

Étant donné que la formation de moisissure précède celle de rosée en raison de la porosité de la plupart des matériaux de construction – en réalité, pour ces matériaux de construction, il n’y a pratiquement jamais d’apparition de rosée à proprement parler, car le transfert capillaire est très efficace et de grandes

464

1.12.3 Condensation sur les surfaces intérieures des

1.12 Bases de physique de la construction…

pièces de construction extérieures

quantités d’eau sont éliminées –, il faut, d’après l’état actuel des connaissances 1,2,3, respecter les conditions suivantes, pour l’éviter : 8 ,02

⋅ 100 %

Les facteurs de température f peuvent être déduits des différents outils de consultation 4,5,6,7, notamment d’un nouvel instrument de planification, lequel contient les modèles de DIN 4108 annexe 2 et les facteurs de température, mais présente aussi les valeurs limites pour la formation de moisissure et de rosée8 (fig. 1.12.3-3). Catalogue de ponts thermiques Fichier Édition Contenu Aide Plancher bas d’une cave non chauffée, plancher haut de la cave isolé par l’extérieur Bâtisse monolithique Détail

déperditions thermiques

Facteur

Aperçu

Valeurs °C

Facteur de température

température de la surface

Facteur f

Avec une humidité relative de l’air ambiant Supérieure à… %, danger de moisissure Supérieure à… %, danger de rosée

Fig. 1.12.3-3 : Exemple de présentation des facteurs de température et des valeurs limites pour la formation de moisissure et de rosée. *)

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*) Hauser, G. ; Stiegel, H. et Haupt, W. : Catalogue des ponts thermiques sur CD-ROM. Bureau d’ingénieur Pr Dr Hauser GmbH, Baunatal. 1re version remaniée de 2002.

1. Balazs, K. et Zöld, A. : Monitoring dans les habitations à Kecskemet de 1987 à 1989. (Hongrois). TU et ETI Budapest (1989). 2. Balazs, K. et Zöld, A. : Changement d’air moindre dans le test pratique. Enquête sur les conditions pour la formation de moisissures dans les pièces à l’aide de la condensation capillaire. HLH 41 (1990), H. 7, pages 620-622. 3. Erhorn, H. : Dispositions aux moisissures des matériaux de construction. Institut Fraunhofer pour la physique appliquée au bâtiment. Nouveaux résultats de recherche 17 (1990), notifications 196. 4. Hauser, G. et Stiegel, H. : Atlas des ponts thermiques pour la construction de bâtisses. Maison d’édition sur le bâtiment Wiesbaden, 1990, 2e édition corrigée de 1993, 3e édition corrigée de 1996. 5. Hauser, G. et Stiegel, H. : Atlas des ponts thermiques pour la construction du bois. Maison d’édition sur le bâtiment Wiesbaden, 1992. 6. Hauser, G. et Stiegel, H. : Présentation quantitative de l’action des ponts thermiques. Maison d’édition IRB, recherche du la construction pour la pratique, tome 31 habitations à faible énergie avec utilisation du polystyrène matériau d’isolation. (1997). 7. Hauser, G., Schulze, H. et Stiegel, H. : Optimisation thermique des détails de raccords pour les habitations à faible énergie et élaboration de solutions standard. Maison d’édition IRB Stuttgart, décembre 1996. 8. Hauser, G. ; Stiegel, H. et Haupt, W. : Catalogue des ponts thermiques sur CD-ROM. Bureau d’ingénieur Pr Dr Hauser GmbH, Baunatal. 1re version remaniée de 2002.

465

1 DONNÉES DE BASE

⎛ 109, 8 + f ⋅ (θ Li − θ La ) + θ La ⎞ ϕ ≤ 0, 8 ⋅ ⎜ ⎟ 109, 8 + θ Li ⎝ ⎠

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2

Chauffage

2.1 • GÉNÉRALITÉS

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On considère généralement que le rôle d’une installation de chauffage est de chauffer en hiver les pièces d’habitation de l’être humain 1. Sa tâche consiste plus précisément à réguler le dégagement de chaleur du corps humain pendant la saison la plus froide, en réchauffant son environnement, de manière à établir un équilibre entre production et déperdition de chaleur, et assurer à l’être humain un confort thermophysiologique. Mis à part l’habillement et l’activité physique, les facteurs qui influencent cette sensation de confort sont en particulier la température de l’air, la température moyenne des parois, l’humidité de l’air, ses mouvements et sa qualité. Le chauffage n’influence directement que deux de ces cinq facteurs, à savoir la température de l’air et la température moyenne des parois (y compris les surfaces de chauffe), que l’on regroupe sous le concept de température résultante. Les autres facteurs peuvent être influencés uniquement par le biais d’une installation de conditionnement d’air, qu’on peut considérer comme le moyen technique le plus adapté pour obtenir une ambiance saine et agréable. Environ 40 % de la consommation d’énergie en Allemagne est consacrée au de chauffe domestique, avec un rendement parfois faible. La prise de conscience que nos sources d’énergie sont limitées et que leur utilisation contribue à la pollution de l’environnement a d’ailleurs conduit à accorder une grande importance aux économies d’énergie, et ce plus précisément dans le domaine du chauffage. Son niveau de développement se traduit ainsi par de nombreuses mesures et techniques en partie à long terme, tant dans le secteur de la construction que dans le secteur technique, en vue d’une réduction de la consommation d’énergie. Par ailleurs, des progrès considérables en matière de combustion propre ont été réalisés, parfois grâce à des décrets. Les critères requis concernant le chauffage se caractérisent de la manière suivante : 1. La température résultante dans la pièce chauffée (moyenne entre la température de l’air et la température moyenne des parois) doit être aussi homogène que possible, tant verticalement qu’horizontalement et dans le temps, et doit de plus se situer à peu près entre 20 et 22 ºC. Il en résulte alors un équilibre permanent entre la production de chaleur corporelle provenant de la combustion des aliments et de l’activité musculaire (métabolisme) et la chaleur émise dans l’environnement par le corps humain. 2. Le chauffage doit être réglable : la température résultante doit pouvoir être modifiée, dans certaines limites, selon le souhait de chacun. Le réglage doit être aussi réactif que possible, c’est-à-dire rapide ; la pièce doit en particulier pouvoir être vite chauffée. 3. L’air ambiant (environnement intérieur) ne doit pas être altéré par le chauffage, et ce dernier ne doit pas notamment être à l’origine de poussières, de gaz et de vapeurs toxiques ; il ne doit pas non plus créer un bruit gênant ou des courants d’air. Les corps de chauffe doivent être faciles à nettoyer et esthétiques. 4. Le chauffage de l’air neuf (déperditions par renouvellement d’air), nécessaire au confort (qualité de l’air) et assuré simultanément par le chauffage, doit se produire sans aucun courant ou mouvement d’air désagréables. 5. Le chauffage doit être économique tant du point de vue de son investissement que de celui de son fonctionnement. Il doit en particulier permettre d’économiser de l’énergie et être rentable. 6. Le chauffage doit être propre. Il existe pour cela certaines mesures, parfois réglementaires, en matière de foyers et de combustibles. Elles concernent également la conception des cheminées. On ne peut pas bien sûr trouver une installation de chauffage qui répondrait de la même manière à tous les critères cités. Tous les modes de chauffage actuels, des traditionnels feux de cheminée aux chauffages à basses températures modernes, présentent leurs avantages et leurs inconvénients. Cependant, la technique a globalement atteint un niveau élevé. Pour choisir le type de chauffage adéquat dans chaque cas particulier, il convient de considérer certains facteurs, comme le type de bâtiment, la durée d’utilisation, le nombre d’occupants et leurs habitudes vestimentaires, le type de 1. Voir aussi Hermann-Rietschel – Archiv zur Geschichte der Heizung- und Klimatechnik Universität Kaiserslautern, Prof. Usemann.

469

2 CHAUFFAGE

2.1.1 Exigences concernant les installations de chauffage

2.1.2 Codes couleurs et symboles graphiques utilisés

2.1 • Généralités

dans la technique de chauffage combustible, les nuisances pour l’environnement, les frais d’installation et de fonctionnement, les directives régionales, etc. On classe essentiellement les installations de chauffage selon les critères suivants : – l’emplacement du générateur de chaleur : chauffage divisé, chauffage central, chauffage collectif ; – la source d’énergie : charbon, gaz, fioul, électricité, énergie naturelle (chauffage solaire et par pompe à chaleur) ; – le fluide caloporteur : eau chaude, eau surchauffée, vapeur et air ; – le mode d’émission de la chaleur : chauffage par convection, par rayonnement, à air chaud et chauffage combiné.

2.1.2 Codes couleurs et symboles graphiques utilisés dans la technique de chauffage Pour les codes couleurs et les symboles graphiques, voir tableaux 2.1.2-1 à 2.1.2-4. D’autres symboles pourront être consultés dans les normes DIN 4752:1967-01 (chauffages à eau chaude), DIN 2481:1979-06 (symboles des installations thermiques), DIN1946-1:1988-10 (principes de la technique de ventilation). Les symboles graphiques et les lettres d’identification pour la technique de mesure, commande et réglage (MCR) sont utilisés conformément à la norme DIN 192271. Le point de mesure est indiqué par une fine ligne de jonction avec le circuit de régulation MCR (voir figure 2.1.2-1). Dans ce dernier : – les lettres représentent la grandeur mesurée (ou une autre grandeur d’entrée) et son traitement ; – les chiffres désignent le numéro du circuit de régulation. Le chemin des signaux est représenté de manière claire par des lignes courtes et fines en pointillés (ou par des lignes pleines lorsqu’aucune confusion n’est possible) entre le circuit de régulation MCR et l’appareil de réglage. La direction des signaux peut être indiquée par une flèche. Dans le circuit de régulation MCR (de préférence avec un diamètre de 10 mm, et de forme ovale si la contrainte d’espace le requiert), on caractérise les points de sortie et de fonctionnement. S’il s’agit : – du point de mesure ou de réglage, le circuit de régulation MCR n’est pas divisé en deux ; – de la commande centrale, il est divisé en deux par un trait horizontal ; – du tableau de mesures local (sous-commande), il est divisé en deux par un trait double. La grandeur mesurée et son traitement sont caractérisés par quatre lettres d’identification au maximum. Les principales lettres utilisées sont les suivantes : D pour la densité, E pour les grandeurs électriques, F pour le débit, G pour la distance, H pour l’intervention manuelle, K pour le temps, L pour le niveau, M pour l’humidité, P pour la pression, Q pour le niveau de qualité, R pour les grandeurs de rayonnement, S pour les vitesses, T pour les températures, U pour les grandeurs complexes, V pour la viscosité, W pour les masses. Le cas échéant, on utilise des lettres complémentaires comme lettres de temps : D pour la différence, F pour le quotient et Q pour la somme. Les autres lettres complémentaires caractérisent le traitement des grandeurs mesurées : O pour des signes visuels, des réponses oui/non, I pour une indication, R pour un enregistrement, C pour une régulation automatique, un réglage, S pour un enclenchement, une régulation non continue, Z pour une intervention d’urgence, A pour un avertissement des valeurs numériques limites, une alerte. Les numéros de MCR peuvent être choisis librement.

PDI 101

FQI 102

FR 103

PDI 101 Mesure de la pression différentielle, affichage local FQI 102 Mesure du débit, affichage des valeurs mesurées FR 103 Mesure du débit, enregistrement, sous-commande

Fig. 2.1.2-1 : Exemple d’application d’un plan de régulation MCR.

1. DIN 19227-1:1993-10 : Symboles graphiques et lettres d’identification pour la mesure, la commande et le réglage dans la technique des procédés, symboles pour une représentation fonctionnelle.

470

2.1 • Généralités

2.1.2 Codes couleurs et symboles graphiques utilisés dans la technique de chauffage

Tableau 2.1.2-1 – Codes couleurs pour les conduites de chauffage

Type de conduite

Code couleur des conduites Caractérisation des conduites de chauffage dans les schémas prêtes à l’utilisation Jaune

Conduite de vapeur à basse pression Orange

2 CHAUFFAGE

Conduite d’eau de pluie Vert clair

Chauffage à eau chaude, conduite montante

Chauffage à eau chaude, conduite descendante

Rouge vermillon

Bleu cobalt

Chauffage à eau surchauffée, conduite montante Rouge Chauffage à eau surchauffée, conduite descendante Bleu

Conduite montante de sécurité Rouge

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Conduite descendante de sécurité Bleu Eau chaude sanitaire, conduite d’alimentation

Eau chaude sanitaire, conduite de circulation (bouclage)

Rouge carmin

Violet

Conduite d’eau froide Bleu clair

Aucune

Conduite d’air Marron

471

2.1 • Généralités

2.1.2 Codes couleurs et symboles graphiques utilisés dans la technique de chauffage

Tableau 2.1.2-2 – Symboles graphiques de la tuyauterie selon la norme DIN 2429:1988-01

Dénomination Conduites Tuyau, général Tuyau chauffé ou refroidi Tuyau isolé Tuyau isolé et chauffé ou refroidi Tuyau flexible Conduite croisée avec ou sans raccord

Symbole

Dénomination Soupape de non-retour obturable Clapet de régulation Organe d’obturation à manette à aimant motorisé à membrane à flotteur

Raccordement de conduites Clapet coupe-feu Raccords Raccord par bride

Robinetterie de mise à l’atmosphère

Raccord par manchon Raccord vissé avec ou sans écrou-raccord

Compensateurs de dilatation Compensateur en U Compensateur en lyre

Soudure, brasure

Compensateur allongé

Organes d’obturation Robinet-vanne

Soufflet de dilatation

Robinet (droit) Robinet d’équerre Clapet d’arrêt Soupape d’arrêt

Manchon coulissant Accessoires Séparateur Conduite d’évacuation de l’eau de condensation Filtre à tamis1

Soupape d’équerre Soupape de sûreté à contrepoids à ressort Réducteur de pression Organe de non-retour, général Clapet de non-retour

1. Selon la norme DIN 1946-1.

472

Silencieux Mitron Entonnoir d’écoulement Fixations des tuyaux Point fixe Palier à glissement

Symbole

2.1 • Généralités

2.1.2 Codes couleurs et symboles graphiques utilisés dans la technique de chauffage

Tableau 2.1.2-3 – Symboles de la technique de chauffage1

Symbole

Conduite de vapeur Tuyauterie de purge Conduite de chauffage

montante descendante

Conduite d’air

Chaudière

Dénomination

Symbole

Pompe : pour schémas des connexions

2

Séparateur d’eau

CHAUFFAGE

Dénomination

Purgeur d’eau condensée Organe de non-retour Clapet de régulation Soupape d’arrêt Organe d’arrêt avec vidange

Corps de chauffe Robinet à corps de chauffe Radiateur Radiateur panneau

Robinet-vanne Soupape de réglage Réducteur de pression

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Convecteur

Soupape de sûreté à contrepoids

Ruban de chauffage ou traceur Tube à ailettes et à lamelles

Soupape de sûreté à ressort

Serpentin

Tuyau à vidange automatique

Batterie de tubes Coupe-tirage Échangeur de chaleur Soupape d’aération Échangeur de chaleur à accumulation Générateur d’air chaud mural : a air ambiant b air extérieur Réservoir : ouvert

Aérateur et purge d’air

Régulateur de combustion Mesure de la pression

Réservoir : fermé Réservoir sous pression

Mesure de la température

1. D’après Rietschel-Raiss : 15e éd. 1968/70

473

2.1 • Généralités

2.1.2 Codes couleurs et symboles graphiques utilisés dans la technique de chauffage

Tableau 2.1.2-4 – Symboles de la technique de chauffage1 Dénomination

Symbole

Dénomination

Pompe

Obturateur

Ventilateur Compresseur

Capteur, général

Ventilateur

Capteur de température

Brûleur

Capteur d’humidité relative

Point d’utilisation de chaleur

Capteur de pression

Échangeur de chaleur

Capteur de niveau

Chaudière à brûleur à air soufflé

Régulateur, par exemple de température

Chaudière à combustibles solides

Appareil de mesure affichant par exemple la température

Dispositif de réglage

Appareil de mesure enregistreur

Commande à membrane

Symbole

Compteur électrique

Commande motorisée

Horloge

Commande magnétique

Convertisseur, par exemple température/électricité

1. D’après la directive 2068 (11.74) de la VDI (association des ingénieurs allemands). Voir également la norme DIN 1946 partie 1 (10/88).

474

ch

2.2 • SYSTÈMES DE CHAUFFAGE

2.2.1 Chauffages divisés -1

Cheminées

Le feu de cheminée ouverte (figure 2.2.1-1) est né des plus anciennes sources de chaleur, le feu de foyer ouvert. Il est utilisé dans des pays dotés d’un climat doux en hiver, comme l’Angleterre. La transmission de chaleur s’effectue principalement par rayonnement ; le rendement est très faible, de l’ordre de 20 à 30 %. Les frais d’investissement sont réduits, mais ce système présente de nombreuses contraintes. Il est parfois utilisé à des fins de décoration, ouvert d’un, de deux, de trois ou de tous les côtés (figure 2.2.1-2). On construit actuellement des cheminées améliorées, avec des carneaux, dont l’émission de chaleur se produit principalement par convection. Ces cheminées sont construites à l’aide d’inserts préfabriqués, qui comportent le foyer, le collecteur des produits de combustion, les carneaux et les buses de sortie des fumées. Les inserts peuvent aussi être munis de fermetures telles que des portes vitrées, qui permettent de maintenir fermée l’ouverture de la cheminée lors de son utilisation et d’en améliorer ainsi sensiblement le rendement. Buses de sortie des fumées

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Gaz chauds Amenée d’air secondaire

Collecteur des gaz brûlés Chicane Gaz chauds

Foyer

Air comburant

Porte vitrée Grille verticale

Amenée d’air primaire

Grille horizontale Cendrier

Cendrier

Figure 2.2.1-1.

Fig. 2.2.1-2 : Schémas de foyers fermés selon la norme DIN 18895, indication A*). *) Commentaire de Beuth sur la norme DIN 18895-1 à 3:1990-08 à 1999-01.

475

2 CHAUFFAGE

Dans le cas des chauffages divisés, les sources de chaleur (générateurs de chaleur) se situent directement dans les pièces à chauffer. Pour les chauffages centraux, on ne trouve pour l’ensemble des pièces d’une maison qu’un seul générateur de chaleur, qui consiste en une ou plusieurs chaudières, les différentes pièces pouvant être équipées de surfaces de chauffe de toutes sortes. On peut prévoir également comme chauffage de plain-pied un générateur de chaleur pour chaque logement. Enfin, les chauffages collectifs utilisent seulement une centrale de chauffage pour un groupe plus ou moins important de maisons, un ensemble de bâtiments ou même un quartier. Avec un système de cogénération, la chaleur contenue dans la vapeur dégagée lors de la production d’électricité est acheminée vers une installation de chauffage collectif. En outre, il existe des systèmes de chauffage particuliers, notamment pour utiliser des énergies renouvelables : le chauffage par pompe à chaleur, par l’énergie solaire et d’autres énergies alternatives, des concepts de chauffage de proximité faisant appel à une petite centrale de cogénération et à une chaudière à charge de pointe, s’appuyant le cas échéant sur l’énergie solaire.

2.2 Systèmes de chauffage

2.2.1 Chauffages divisés

Les cheminées à feu ouvert doivent être conformes à la norme DIN 18895-1 1. Celles qui possèdent des foyers fermés, devant être homologuées et enregistrées conformément à la norme DIN 18895-2, sont qualifiées de type A (voir figures 2.2.1-1 et 2.2.1-2). Elles doivent être installées et utilisées selon les directives du fabricant. Ces cheminées munies de portes à fermeture automatique correspondent selon la norme DIN 18895-3 au type A1. Les cheminées à feu ouvert sans homologation ni enregistrement sont qualifiées de type B. Elles doivent être installées conformément aux directives de la norme DIN 18895-1, et ne doivent pas obligatoirement être équipées de carneaux. Des cheminées à feu ouvert préexistantes peuvent être équipées d’inserts (voir figure 2.2.1-3), et sont ainsi comparables à des foyers fermés. Les inserts doivent être homologués et enregistrés selon la norme DIN 18895-3. Ils sont qualifiés de type C, et de type C1 lorsqu’ils sont équipés de portes à fermeture automatique. Le rendement des foyers fermés et des inserts dotés de portes à fermeture automatique doit être au moins égal à 70 %.

Fig. 2.2.1-3 : Inserts de cheminée. *) Commentaire de Beuth sur la norme DIN 18895-1 à 3:1990-08 à 1999-01.

Alors que les cheminées à feu ouvert doivent être installées sur place et ainsi solidement intégrées, les poêles d’âtre sont des produits finis et sont par conséquent transportables. Les poêles d’âtre sont homologués et enregistrés selon la norme DIN 18891 2. Ceux du type 1 sont équipés de portes à fermeture automatique, qui ne peuvent être ouvertes que pour leur entretien, les poêles de type 2 pouvant fonctionner avec la porte du foyer fermée ou ouverte. Il existe par ailleurs pour les cheminées à feu ouvert des systèmes de tubes ou des parois doubles pour les raccorder à l’installation de chauffage à eau chaude de la maison : ce sont des cheminées de chauffage. Dès que l’eau dans la cheminée a atteint une certaine température, la pompe de circulation associée est mise en marche et la pompe de chauffage est arrêtée. La chaleur est utilisée par le chauffage central et peut par conséquent aussi servir à d’autres pièces. La puissance peut atteindre 20 kW. La puissance thermique nominale des foyers fermés, des inserts et des poêles porte fermée est indiquée dans la notice d’utilisateur ainsi que sur la plaquette signalétique. La puissance thermique en fonctionnement ouvert varie environ de 3 500 à 4 500 W par m 2 d’ouverture de cheminée. C’est principalement le bois qui est utilisé comme combustible. D’après le premier décret allemand « BImSchV » (décret sur la protection contre la pollution), concernant les petites et moyennes installations de chauffage, les cheminées à feu ouvert ne doivent fonctionner que de temps en temps et seulement avec des morceaux de bois non traité (ni contreplaqué, ni aggloméré, etc.). Ce n’est pas le cas pour les foyers fermés, les inserts et les poêles équipés de portes à fermeture automatique (type 1). Pour le mode de fonctionnement ouvert, une grande quantité d’air comburant est nécessaire, qui ne participe cependant qu’en partie à la combustion (entre 120 et 500 m3/h). La vitesse aérodynamique dans l’ouverture du foyer est de l’ordre de 0,2 m/s. L’air arrive aussi parfois directement de l’extérieur ou sur le devant du foyer. La norme DIN 18895-1 exige une garantie de l’amenée d’air de combustion (par m 2 d’ouverture de foyer au minimum 360 m3/h avec un seul foyer dans la pièce, sinon 540 m 3/h). Cet aspect doit être particulièrement pris en compte dans le type de construction moderne avec des fenêtres et des portes à faible perméabilité. Pour 1. DIN 18895-1:1990-08 : Foyers pour combustibles solides en vue d’une utilisation avec des cheminées à feu ouvert (cheminées à feu ouvert) ; exigences, installation et fonctionnement. DIN 18895-2:1990-08 : Foyers pour combustibles solides en vue d’une utilisation avec des cheminées à feu ouvert (cheminées à feu ouvert) ; homologation et enregistrement. DIN 18895-3:1994-09 E : Foyers pour combustibles solides en vue d’une utilisation avec des cheminées à feu ouvert (cheminées à feu ouvert) ; inserts à installer directement ou ultérieurement dans les cheminées à feu ouvert ainsi que dans les foyers fermés et les inserts équipés de portes à fermeture automatique ; exigences, homologation et enregistrement. 2. DIN 18891:1984-08 : Poêles d’âtre pour combustibles solides.

476

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage

cela, on peut éventuellement prévoir des conduites d’air frais. Pour les foyers fermés, les inserts et les poêles équipés de portes à fermeture automatique (type 1), le mélange d’air comburant habituel suffit (capacité de 4 m3 par kW de puissance thermique nominale). Voir l’exemple de la figure 2.2.1-4. La teneur en CO2 des produits de combustion se situe entre 1 et 2 %. On calcule la section du conduit de fumée d’après la température moyenne des produits de combustion (entre 50 et 60 ºC), la hauteur efficace du conduit de fumée et le débit-masse des produits de combustion. Sauf pour les foyers fermés, les inserts et les poêles équipés de portes à fermeture automatique (type 1), un conduit de fumée individuel est requis. Pour consulter un exemple de dimensionnement d’un conduit de fumée, voir figure 2.2.1-4. Sinon on effectue le calcul selon la norme DIN EN 13384.

2 CHAUFFAGE

Ouverture du foyer

(H en m)

(H en m)

(H en m)

Section ronde en cm2

Section carrée en cm2 avec coins arrondis

Section rectangulaire en cm2

Fig. 2.2.1-4 : Section du conduit de fumée, type III de conduit de fumée, dépression Δp = 4 Pa.

-2

Poêles en faïence (poêles à accumulation)1

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1

-2.1 Généralités Les poêles en faïence (figure 2.2.1-5) se caractérisent par le fait que la combustion de combustibles produit rapidement de la chaleur dans la chambre de combustion, une ou deux fois par jour (en un quart d’heure à une heure), cette chaleur pouvant être véhiculée par les gaz de fumée et stockée dans la lourde masse du poêle, puis lentement diffusée tout autour au long de la journée. Les poêles en faïence sont de ce fait également des poêles à accumulation thermique. Ils étaient autrefois très largement utilisés dans les habitations allemandes. De par leur grande surface de chauffe, ils dégagent une chaleur douce et agréable, particulièrement aux alentours du poêle. La capacité de régulation est cependant très faible, l’émission de chaleur étant irrégulière (figure 2.2.1-7) et les différences de températures dans la pièce importantes. Il s’agit d’une installation encombrante, dont le taux d’utilisation se situe entre 65 et 75 %. On préfère parfois ce type de chauffage pour des raisons d’esthétique, et, depuis le renchérissement de l’énergie ainsi que pour des raisons d’économie d’énergie, comme chauffage en demi-saison ou d’appoint. En installant des conducteurs chauffants électriques à haute résistance thermique dans les conduits de chauffage du corps cylindrique en faïence, on obtient une installation de chauffage bivalente. Un régulateur de température électronique, réglable jusqu’à 80 ºC, permet de conserver des températures de surface constantes. -2.2 Classification On distingue – selon la masse : les poêles légers, moyennement lourds et lourds ; – selon le nombre de pièces à chauffer : les poêles pour chauffage divisé, pour une pièce (figure 2.2.1-5) et les poêles pour chauffage central, pour plusieurs pièces (figure 2.2.1-6) ; dans le dernier cas, le poêle se trouve dans l’une des pièces à chauffer, alors que les autres pièces à chauffer également sont chacune reliées à la calandre du poêle par un conduit d’air chaud et un conduit d’air froid. 1. Schenk, E. : IKZ 17/80. 8 p. et SBZ 8/81. 7 p. et IKZ 7/85. pages 58/60. Madaus, Ch. : TAB 8/82. pages 633/4. Richtlinien für den Kachelofenbau. Éd. de ZVHSK 1984. Normes de qualité pour les poêles en faïence, comité allemand de normalisation RAL, 7780 Bühl.

477

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage

e

f

g

h Coupe a-b

Carneaux de circulation de l’air chaud a

Coupe c-d

Coupe e-f d

b

c Coupe g-h

Fig. 2.2.1-5 : Poêle en faïence avec carneaux de circulation de l’air chaud.

-2.3 Construction Au premier abord, on distingue les poêles en faïence modernes des anciens par le fait qu’ils possèdent de tous les côtés des surfaces de chauffe émaillées, qu’ils reposent sur des socles ou des pieds d’au moins 15 cm de haut, et qu’ils sont bas et larges, sans entablement. Ils sont posés librement devant une paroi, à un écart de 12 à 15 cm. Exemple figure 2.2.1-5. La jaquette du poêle en faïence se compose de carreaux d’argile ou de chamotte dont les dimensions sont 22 × 22 cm. Ces dimensions permettent de définir celles du poêle en faïence (par exemple 2 1/2 × 3 × 5 carreaux). Les carneaux (descendants, ascendants, inférieurs, supérieurs) sont agencés en vue d’un meilleur réchauffage, de telle sorte que la partie inférieure du poêle soit réchauffée davantage que la partie supérieure par les carneaux descendants. La figure 2.2.1-7 indique les températures moyennes de surface des carreaux. 140

Conduit d’air chaud

Fig. 2.2.1-6 : Chauffage trois pièces avec poêle en faïence.

Température de surface en °C

Carreaux du foyer 120 100

Surface totale des carreaux Température moyenne

80 60 Couche extérieure des carreaux

40 20 0 0

2

4 Heures

6

8

10

Fig. 2.2.1-7 : Températures de surface d’un poêle en faïence de poids moyen.

-2.4 Puissance thermique1 Le dimensionnement des poêles en faïence dépend des besoins calorifiques de la pièce et du rendement de la surface de chauffe. Ces besoins doivent être déterminés selon la norme DIN 4701 ou déduits approximativement à partir de tableaux donnés. L’émission de chaleur moyenne, selon l’épaisseur de paroi est de : 1

1. Pfestorf, K. H. : SBZ 2/86. page 87.

478

2.2.1 Chauffages divisés

– environ 0,7 kW/m2 pour un poêle de type lourd ; – environ 1,0 kW/m2 pour un poêle de type moyennement lourd ; – environ 1,2 kW/m2 pour un poêle de type léger. L’émission thermique a lieu moitié par convection et moitié par rayonnement. Elle varie d’une heure à l’autre en fonction de la température superficielle. Plutôt que de réaliser des calculs techniques précis, on utilise en général des valeurs empiriques. Les combustibles que l’on utilise généralement sont à flamme longue comme les briquettes de lignite et le bois ; pour le chauffage au charbon, il est nécessaire de réaliser un aménagement spécial du foyer. Un tirage normal crée une dépression de 10 Pa. Au lieu des combustibles solides, on peut utiliser également pour le chauffage des brûleurs à fioul intégrés. Il s’agit de brûleurs à gazéification avec ou sans ventilateur. L’alimentation en fioul s’effectue soit par le biais d’un réservoir au niveau du poêle, soit par une cuve en sous-sol, avec pompe. On utilise aussi des brûleurs à gaz intégrés. Dans les deux cas, des corps de chauffe pour fioul ou gaz sont nécessaires. Voir paragraphe 2.2.1-5 page 483 : Poêles à air chaud. Les murs sont parfois recouverts partiellement de céramique, formant ainsi des panneaux chauffants en céramique, derrière lesquels on dispose des tuyaux de chauffage à eau chaude 1. Cela permet de bénéficier du confort d’un poêle en faïence, sans nécessiter une cheminée et un foyer. Pour un aller d’eau chaude à 65 ºC, on obtient des températures de surface de 45 ºC avec une émission de chaleur de 230 W/m2, dont environ 60 % par rayonnement.

-2.5 Cheminée2 Le rôle de la cheminée consiste à amener l’air comburant dans le foyer, malgré les résistances à l’écoulement, et à évacuer les gaz de combustion. Le tirage de la cheminée est d’autant plus important que celle-ci est haute et la température des produits de combustion élevée. Afin d’éviter le refroidissement des produits de combustion, il convient de placer si possible le conduit sur une paroi intérieure. Les cheminées peuvent être réalisées à simple paroi à l’aide de pierres taillées, également en éléments préfabriqués en béton, ou bien à double ou triple paroi avec une couche isolante. Les résistances à l’écoulement doivent être réduites autant que possible à l’aide de surfaces intérieures aussi lisses que possible, et pour la même raison, il faut éviter également au maximum les changements de direction (par dévoiement de la cheminée). La section de la cheminée doit être constante, et celle-ci doit si possible dépasser le faîtage de la maison. L’étanchéité est capitale.

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4

6

8 =

6

8

20

m

30 g/s

H

•

Débit massique m

2

m •

•

10 0 100

4

m = 1,2 • Puissance calorifique Q 2 foyers

3 foyers

200 300 cm2 Section minimale de la cheminée

400

Fig. 2.2.1-8 : Section d’une cheminée à laquelle sont raccordés plusieurs foyers.

Les exigences concernant les cheminées, comme la conception et la construction, figurent dans la norme DIN 18160-1:2001-12. Pour le dimensionnement, voir paragraphe 2.3.3 page 729. La section minimale pour les pierres taillées doit être si possible de 13,5 cm × 13,5 cm ou plutôt de 13 cm Ø, et la hauteur minimale de 4 m. Il est déconseillé de raccorder à une seule cheminée plus de 3 foyers à combustibles solides ou liquides. Pour les cheminées auxquelles sont raccordés plusieurs foyers, la norme DIN EN 13384-2:2003-12 offre une méthode de calcul pour déterminer la section de la cheminée en fonction de la hauteur efficace de i la cheminée H et du débit-masse des produits de combustion m. La figure 2.2.1-8 s’appuie sur l’ancienne norme DIN 4705-3. Le débit-masse des produits de combustion se calcule à partir de la puisi sance thermique Q : i

i

m = 1,2 Q en g/s. Exemple Pour 3 foyers d’appartements superposés de 5 kW de puissance chacun, le débit-masse est de i m = 1,2 · 15 = 18 g/s. La cheminée requiert, pour une hauteur H = 6 m, une section de 245 cm2. 1. Nick, M. : TAB 7/89. pages 549/551. 2. DIN 18160-1:2001-12, Systèmes d’évacuation des produits de combustion.

479

2 CHAUFFAGE

2.2 Systèmes de chauffage

2.2 Systèmes de chauffage

2.2.1 Chauffages divisés

-2.6 Petits poêles en faïence (petits poêles en céramique) Ces poêles sont des modèles intermédiaires entre les poêles à accumulation et les poêles à feu continu métalliques. Ils sont le plus souvent transportables et adaptés au feu continu. On utilise très souvent des enveloppes à circulation d’air ou des carneaux de ventilation. Les températures de surface sont élevées.

-3

Poêles métalliques

-3.1 Généralités1 Les poêles métalliques sont caractérisés par le fait que l’on peut laisser brûler plus ou moins lentement le combustible dans le poêle selon la puissance thermique requise en réglant le volume d’air comburant. Ils sont de ce fait adaptés à une utilisation aussi bien ponctuelle que continue. Contrairement aux poêles à accumulation, ils ne possèdent pas de grande masse de stockage, mais des parois proportionnellement minces ; par conséquent, pour une même puissance thermique, ils sont plus légers, plus petits et le plus souvent transportables. Cependant, leur température de surface est plus élevée, ce qui entraîne ainsi un dégagement de chaleur par rayonnement plus important. Un autre inconvénient est par ailleurs celui d’un chauffage irrégulier de la pièce. Malgré la concurrence du fioul et du gaz, les poêles métalliques à combustibles solides sont encore très présents sur le marché. Mis à part les autres améliorations, cela s’explique principalement par l’automatisme, qui a facilité l’entretien et permis en même temps d’éviter l’emballement et l’extinction du feu. On les utilise souvent uniquement à des fins décoratives (poêles en fonte) comme chauffages d’appoint. 1

-3.2 Classification On distingue les poêles à combustion ascendante (poêles irlandais, poêles à combustion totale) et ceux à combustion descendante (poêles américains, poêles à combustion inversée), ainsi que les poêles universels à feu continu. Les poêles à combustion totale sont dotés d’une grande chambre de combustible ronde ou carrée, tapissée à l’intérieur d’environ 4 cm d’argile réfractaire, qui joue également le rôle de chambre de combustion. L’ensemble du combustible emmagasiné devient incandescent lors de l’amenée d’air comburant par le dessous, et brûle progressivement. Ces poêles disposent de trois ouvertures : celles du cendrier, du foyer et de la trappe de chargement. La grille est conçue sous forme de grille vibrante, de manière à faciliter le décendrage. Le réglage de la combustion s’effectue en réduisant le volume d’air comburant à l’aide d’une rosace et/ou d’un régulateur de tirage dans la porte du cendrier. Les produits de combustion, dans le cas des petits poêles, sont aspirés vers le haut par le conduit de fumée ; dans les poêles performants, en vue d’une meilleure utilisation de la chaleur des produits de combustion, on prévoit un tirage par carneaux supérieurs, ascendants ou descendants. Pour faire monter la température, on ferme les carneaux descendants par un clapet réversible (clapet d’amorçage). La plupart des poêles métalliques sont conçus avec des carneaux supérieurs, car des carneaux descendants requièrent un tirage plus important, et la cheminée n’est pas souvent prévue à cet effet (voir figure 2.2.1-9). Dans ce type de poêle, on peut brûler presque tous les combustibles, en particulier l’anthracite, le coke et le charbon non aggloméré ; il s’agit en effet d’un poêle adapté à toutes sortes de charbons. On utilise principalement des briquettes dans les poêles à carneaux descendants. Les meilleurs rendements atteignent 75 à 80 %, les rendements utiles 65 à 70 %, la température des produits de combustion à pleine charge se situant entre 250 et 300 ºC environ, et l’excès d’air λ ≈ 2,02. Voir figure 2.2.1-11. Dans les poêles à combustion inversée (figure 2.2.1-10), la trémie de chargement et la chambre de combustion sont séparées. Seule la partie inférieure du combustible située sur la grille brûle. Au fur et à mesure de la combustion, le combustible descend progressivement dans la trémie de chargement vers la grille. Pour le reste, ce type de poêle est similaire aux poêles à combustion ascendante. Il est possible de réguler de manière très précise la combustion du fait de la hauteur uniforme de la chambre de combustion. L’anthracite est le combustible qui convient le mieux. Les meilleurs rendements atteignent 80 à 85 %, et les rendements utiles 70 à 75 %. Cependant, ces poêles sont nettement plus chers que les poêles à combustion totale. Il est important de choisir adéquatement le type de combustible en vue d’une bonne combustion. Si la granulation est trop petite, cela provoque un manque d’air, et si elle est trop importante, un excédent d’air et éventuellement une extinction du foyer. Le poêle universel à feu continu est le plus récent : il s’agit en quelques sortes d’un mélange entre les deux types de poêles précédents. L’air comburant est amené non seulement par en dessous, mais également en partie supérieure et latéralement sur le charbon en train de brûler. Cela améliore notablement la combustion des gaz de distillation à basse température. 1. Pochcial, J. P. : BWK 12/77. pages 474/8. 2. Schüle, W. et U. Fauth : HLH 1962. pages 133/146.

480

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage Tampon

Couvercle Réserve de combustible

Tubulures

Carneaux ascendants

Clapet de réglage

Zone de combustion principale Cendrier

Trémie de chargement

Foyer Dispositif de réglage du débit d’air

Grille-corbeille

Porte du foyer

2 CHAUFFAGE

Cendrier Socle

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Excès d’air λ

6 4

Rendement

100 % 80

Rendement b a

°C

60

600 Excès d’air

40

2

20

0

0

Fig. 2.2.1-10 : Poêle métallique à combustion descendante (poêle américain).

a b

400 200

Température des fumées 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Puissance calorifique spécifique en kW/m 2

Température des fumées

Fig. 2.2.1-9 : Poêle métallique à feu continu avec carneau supérieur, grille vibrante et cendrier.

Fig. 2.2.1-11 : Rendements des poêles métalliques à feu continu, températures des produits de combustion et excès d’air. a = Poêle à carneaux ascendants b = Poêle à carneaux descendants

-3.3 Construction La conception et la construction des poêles métalliques à feu continu sont régies par les normes DIN 18890:1971-09 et DIN 18890:1974-12, qui traitent des directives sur la construction, des exigences, de la puissance et des essais pour ce type de poêle. Leur température de surface moyenne se situe entre 200 et 250 ºC, leur masse par mètre carré de surface de chauffe entre 40 et 80 kg, et par kilowatt de puissance thermique entre 13 et 26 kg. Les derniers modèles utilisent des carnaux de circulation (enveloppe à convection) situés tout autour du poêle. Ce procédé permet de réduire la proportion de l’émission de chaleur par rayonnement de 50 % à 10 % environ. Autres caractéristiques : le décendrage de la grille s’effectue de l’extérieur, sans ouvrir la porte du poêle (décendrage sans poussière dans un sac en papier) ; le poêle dispose d’un grand cendrier et d’une trappe de contrôle sur le devant, ce uniquement pour le coke et le charbon maigre. Les fabricants modifient fréquemment l’aspect extérieur du poêle en fonction des goûts des clients, l’intérieur du poêle étant toujours le même. Pour allumer le combustible, il existe d’une part des allume-feu, fabriqués à partir de fioul, de charbon de bois ou d’alcool à brûler, et d’autre part des dispositifs d’allumage, pour ne pas être obligé de vider le poêle lorsque le feu s’éteint. Les émissions de matières solides et de gaz varient fortement en fonction du type de poêle, du combustible et du fonctionnement1. L’émission moyenne de matières solides (suie, goudron) se situe entre 0,02 et 0,2 g/kWh, et pour les combustibles dégageant beaucoup de fumée, elle peut atteindre 0,7 g/kWh. -3.4 Régulation2 Les poêles sont généralement équipés d’une régulation automatique, ce qui permet les avantages suivants : – puissance thermique et température de pièce constantes ; – sécurité accrue de la combustion à faible charge ; 2

1. Baum, F., et al. : Ges.-Ing. 4/72. pages 102/8 et 10/69. pages 295/306. 2. Siegmund, H. : Ges.-Ing. 1966. pages 195/200.

481

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage

– pas d’emballement ; – meilleure rentabilité ; – tirage régulier. Types de régulateurs Les régulateurs de température des produits de combustion avec capteur de température (spirale bimétallique), placés dans le conduit d’évacuation des produits de combustion, pilotent l’ouverture d’arrivée d’air de sorte que la température des produits de combustion et ainsi la puissance thermique restent à peu près constantes (régulateurs de puissance). Lorsque les besoins thermiques varient, il faut effectuer le réglage à nouveau. Les régulateurs de température de surface agissent sur le volet d’air neuf, de telle sorte que la température de surface et ainsi la puissance restent à peu près constantes (régulateurs de puissance). Les régulateurs de température ambiante, sous forme de bilames ou de soufflets à liquide, sont placés au voisinage de l’arrivée d’air inférieure et pilotent le volet d’amenée d’air comburant, de sorte que la température ambiante reste à peu près constante. Pour le schéma de principe, voir figures 2.2.1-12 et 2.2.1-13. Thermostat à maximum et minimum Vis sans fin Pendule

Bouton de réglage

Volet d’air Arrivée d’air Thermostat d’ambiance

Fig. 2.2.1-12 : Régulation automatique de la température ambiante avec thermostat dans l’arrivée d’air ambiant ; limiteur de puissance max. et min.

Fig. 2.2.1-13 : Poêle en fonte à charbon, coke et briquettes avec régulateur de puissance (Frank’sche Eisenwerke).

-3.5 Puissance thermique Le choix d’un poêle métallique dépend de sa puissance thermique et de la déperdition thermique de la pièce. Pour la puissance thermique spécifique, c’est-à-dire la puissance thermique par mètre carré de surface de chauffe des poêles, on trouve une valeur de 4 650 W/m 2, selon la norme DIN 18890:1971-09. Différents modèles possèdent des puissances nominales allant de 3,7 à 9,3 kW. En outre, les autres caractéristiques doivent satisfaire aux exigences suivantes : Rendement Température des produits de combustion Température de surface au sol et sur le mur à 0,2 m sous le poêle Combustion pour la puissance nominale ou le débit de ralenti de sécurité contre les accidents de CO

> 70 % > 400 ºC < 60 K au-dessus de la température ambiante. 4 ou 16 heures

La norme DIN 18893:1987-08 présente un procédé simplifié de dimensionnement du poêle 1. Selon l’isolation thermique et la situation des parois de la pièce, on définit la configuration du chauffage comme étant : favorable = une paroi extérieure ; le sol et une paroi intérieure jouxtent des pièces non chauffées ; deux parois intérieures et le plafond sont contigus à des pièces adjacentes chauffées ; moyennement favorable = une paroi extérieure ; trois parois intérieures et le plafond jouxtent des pièces non chauffées, le sol est contigu à des pièces adjacentes chauffées ; défavorable = deux parois extérieures ; deux parois intérieures, le sol et le plafond jouxtent des pièces non chauffées. 1. DIN 18893:1987-08 : Capacité de chauffage des foyers individuels ; méthode approximative pour déterminer les dimensions des foyers.

482

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage

Puissance nominale du poêle en kW Capacité de chauffage, m3

2

3

4

6

8

2

3

4

6

8

Avant décret sur l’isolation thermique Après décret sur l’isolation thermique

Configuration favorable, m

31

56

88

165

–

60

107

160

–

–

Configuration moyennement favorable, m3

20

35

53

95

145

36

63

95

169

–

Configuration défavorable, m3

12

22

34

65

98

24

43

66

118

175

Exemple : pièce de 160 m3, configuration favorable, conforme au décret allemand sur l’isolation thermique (WSVO). Puissance du poêle de 4 kW. La hauteur minimale de la cheminée est de 4 m, la section minimale pour la maçonnerie est de 13,5 × 13,5 cm. Pour les cheminées collectives, voir paragraphe 2.2.1-2.5 page 479.

-4

Poêles de grande capacité

Ces poêles, qui ont évolué à partir des poêles métalliques de chauffage de pièces, sont destinés au chauffage de pièces de plus grands volumes, telles que des ateliers et des entrepôts. Ils sont fabriqués en acier ou en fonte. Le combustible est apporté au niveau inférieur par la trappe du foyer. L’air monte vers le haut au travers d’échangeurs de chaleur appropriés à tubes ou à plaques, pendant que les produits de combustion sont généralement évacués latéralement. L’inconvénient de ce type de poêle est le réchauffement important de l’air, de sorte que c’est avant tout la partie haute des pièces qui est chauffée. C’est pourquoi il est conseillé de ne les utiliser que pour les pièces secondaires et à plafond bas.

-5

Poêles à air chaud1

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1

Dans le cas des poêles en faïence à air chaud, un habillage en céramique abrite un corps de chauffe généralement en fonte et destinée à la combustion (voir figures 2.2.1-14 et 2.2.1-15). La capacité d’accumulation de chaleur est faible. L’air ambiant pénètre par le dessous de l’habillage, se réchauffe sur le corps de chauffe et éventuellement aussi sur les surfaces de chauffe secondaires et remonte ensuite dans la pièce au travers d’une grille. Les surfaces de chauffe secondaires, qui peuvent assurer environ 20 % de l’émission de chaleur, sont composées de fonte, de tôle d’acier ou de céramique, formant des carneaux supérieurs, ascendants ou descendants. On utilise aussi des corps de chauffe au-dessus des inserts. La puissance thermique peut être régulée à l’extérieur par variation du débit d’air comburant sur le corps de chauffe et par modification de l’ouverture de la grille. L’air circule grâce au phénomène de différence de densité. Avec cette disposition, il est également possible de raccorder plusieurs pièces au poêle en faïence, y compris des pièces situées à l’étage du dessus (voir figure 2.2.1-14 et 2.2.1-16). On appelle ce genre d’installations des chauffages à poêles en faïence pour plusieurs pièces 2. L’air chaud est ainsi acheminé vers les pièces situées au-dessus par le biais de conduits d’air. Le recyclage de l’air ambiant s’effectue par la cage d’escalier. Il est recommandé de pouvoir régler le chauffage à partir du vestibule de la maison. Il est cependant très difficile de maintenir une température uniforme dans toutes les pièces. On peut observer une transmission des bruits, une accumulation de poussière et des sensations de courants d’air. La norme DIN 18892-1:1985-04 traite de la terminologie, des exigences et des essais. Puissance thermique spécifique du corps de chauffe = 4 kW/m 2. Puissance des poêles à air chaud = de 5 à 15 kW environ. Température de l’air au niveau des grilles = de 60 à 70 ºC max. Vitesse aérodynamique en fonctionnement par circulation naturelle = de 0,5 à 1,0 m/s. Le corps de chauffe peut aussi être installé en sous-sol ; l’habillage est alors en maçonnerie et les conduits d’air chaud peuvent être placés au plafond ou incorporés au plancher. On calcule la section des conduits d’air chaud à partir de l’équation suivante : 1. Voir aussi paragraphe 2.2.2-3 page 479 : Chauffage aéraulique. 2. Madaus, C. : TAB 8/82. page 634. Richtlinien für den Kachelofenbau. Édité par ZVSHK 1984.

483

2 CHAUFFAGE

3

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage Vers les pièces supérieures Carneaux

Trémie pour air chaud Air chaud Carreaux de faïence Unité de chauffe

Fig. 2.2.1-14 : Poêles en faïence à air chaud pour le chauffage de plusieurs pièces.

Étage

Poêle

Air recyclé Rez-de-chaussée

Fig. 2.2.1-16 : Chauffage pour plusieurs pièces à air chaud pulsé par poêle en faïence pour un bâtiment de deux étages.

Fig. 2.2.1-15 : Vue d’un poêle en fonte à feu continu pour les chauffages à air chaud pulsé par poêle en faïence (Buderus).

Force ascensionnelle = pertes de charges singulières Z + pertes de charges linéaires R · L pour chacun des conduits séparément. La force ascensionnelle H est très faible, par exemple pour une différence de température de Δt = 50 K : H = g (ρ20 – ρ70) = 9,81 (1,205 – 1,029) = 1,76 Pa/m. On améliore l’efficacité en renforçant artificiellement la circulation d’air à l’aide d’un ventilateur, placé sous l’insert. On peut ainsi obtenir des vitesses aérodynamiques supérieures et un meilleur rendement par unité de surface des corps de chauffe. Les pièces plus éloignées du poêle peuvent également être chauffées. On place si possible la sortie d’air chaud sous les fenêtres, afin d’éviter des écarts de température importants et l’apparition de courants d’air. Tous les poêles peuvent être équipés de régulateurs de température ambiante ou de puissance. Voir paragraphe 2.2.1-3.4 page 481. Au lieu des combustibles solides, les poêles en faïence actuels sont souvent équipés de corps de chauffe pour brûleurs à vaporisation de fioul, ce qui en facilite ainsi l’utilisation. L’allumage électrique s’effectue par le biais d’étincelles à haute tension. La régulation du brûleur est électrique et s’effectue au moyen d’un thermostat d’ambiance ; le brûleur possède deux ou trois allures de fonctionnement, c’est-à-dire qu’il peut fonctionner en mode modulant entre 40 et 100 % de la puissance nominale (arrêt, faible, important). Pour obtenir un aperçu d’un corps de chauffe fonctionnant au fioul, voir figure 2.2.1-17. La norme DIN 4731:1989-07 sur les corps de chauffe à fioul avec brûleurs à vaporisation indique les exigences de ce genre de brûleurs. On fabrique également des inserts chauffants à gaz 1 pour les poêles en faïence. Les systèmes de sécurité d’allumage empêchent que du gaz non brûlé ne s’échappe. Grâce à des thermostats d’ambiance électriques, qui contrôlent une électrovanne dans la conduite de gaz, la consommation est ainsi entièrement automatique et économique. Les niveaux de puissance sont 5,5 ; 9,2 ; 11 et 14 kW. La norme qui s’impose pour la construction est la DIN 3364-2:1988-01. Les inserts chauffants sont parfois équipés également d’une trémie chauffante auxiliaire ou d’une batterie à eau, à laquelle sont fixés les corps de chauffe à eau chaude (figure 2.2.1-18). Pour éviter une surchauffe dans le cas d’un emploi de combustibles solides, un thermostat de sécurité est requis afin d’évacuer l’excédent de chaleur (norme DIN 4751-2). 1. Document de la DVGW (association allemande de gaz et d’eau) G 675:1979-12 : Gasbefeuerte Kachelofen-Luftheizung.

484

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage

Liaison entre la partie supérieure du corps de chauffe et le carneau

Raccord du conduit de fumée

Partie supérieure du corps de chauffe Clapet de surpression avec hublot Plaque signalétique de l’unité de chauffe Plaque signalétique du brûleur Arrivée de l’air comburant Organe de commande Régulateur de fioul

Support pour carneau Raccordement au secteur Raccord pour thermostat d’ambiance

Fermeture pour boîtier de brûleur intégré Fiche de raccordement

2 Fig. 2.2.1-17 : Insert chauffant à fioul avec carneau ajustable (Schrag).

Batterie à eau chaude S Th Aller EF EC Retour Production de chaleur

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-6

Fig. 2.2.1-18 : Insert chauffant pour cheminée à feu ouvert avec batterie à eau chaude. EF = Eau froide EC = Excédent de chaleur S = Sonde Th = Thermostat de sécurité

Appareils de chauffage à gaz

-6.1 Généralités Les appareils de chauffage à gaz sont utilisés pour chauffer pièces de logement, bureaux, magasins, écoles, terrasses, grandes salles, etc. Ils sont particulièrement adaptés à la rénovation de bâtiments vétustes, au chauffage temporaire de pièces et au chauffage de halls. Les normes et documents suivants doivent être pris en compte : Normes DIN 3364-1:1982-04 et DIN 3364-2:1988-01 : Poêles de chauffage à combustibles gazeux (appareils de chauffage indépendants) Norme DIN 3362:1990-08 : Brûleurs sans ventilateur, 4 parties Normes DIN 3258:1988-07 et DIN EN 125:1996-08 : Veilleuses de sécurité Document de la DVGW (association allemande de gaz et d’eau) G 600:1986-11 : Réglementation technique pour les installations à gaz (TRGI 1986) Document de la DVGW G 674:1980-03 : Chauffage au gaz par poêle indépendant Document de la DVGW G 679:1976-09 : Panneaux radiants à gaz Document de la DVGW G 638:-1991-03 : Installations de chauffage avec panneaux radiants lumineux. Planning – Installation – Fonctionnement Document de la DVGW G 638/II:1995-04 : Installations de chauffage avec panneaux radiants obscurs. Planning – Installation – Fonctionnement Décret type sur le chauffage de janvier 1980. D’après le type de gaz, on distingue les appareils pour un type de gaz (une famille de gaz), les appareils pour plusieurs gaz, c’est-à-dire pour deux types de gaz et les appareils « tous gaz », par exemple pour le gaz de ville, le gaz naturel, le propane ou le butane. Pour passer du gaz de ville au gaz naturel, voir le document de la DVGW G 680:1971-08. Le type et la pression du gaz doivent être indiqués sur les appareils. Pression gazeuse (pression d’écoulement) de l’appareil pour le gaz de ville et le gaz distribué à longue distance : 7,5 mbar minimum – pour le gaz naturel : 18 mbar minimum – pour le gaz combustible liquéfié : 50 mbar minimum

485

CHAUFFAGE

Carneau

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage

-6.2 Classification On distingue les panneaux radiants qui émettent de la chaleur en grande partie par rayonnement, et les appareils de chauffage à convection dont l’émission de chaleur s’effectue essentiellement par circulation d’air. -6.2.1 Panneaux radiants indépendants

Les panneaux radiants indépendants possèdent dans la partie inférieure de leur habillage des corps incandescents chauffés par des flammes bleues (par exemple de l’oxyde de magnésium), alors que dans la partie supérieure sont intégrés des systèmes de conduits permettant de récupérer une partie de la chaleur des produits de combustion. Les appareils de chauffage de ce type sont largement répandus dans les pays au climat doux, tels que l’Angleterre, pour chauffer entre autres les appartements, les écoles ou les hôtels. En revanche, ils sont moins bien adaptés au climat allemand pour un chauffage de longue durée. -6.2.2 Panneaux radiants infrarouges à gaz1 1

Contribution de Uwe Flohren, Dipl.-Ing., Cologne

On utilise les chauffages par rayonnement infrarouge à gaz pour chauffer totalement ou partiellement les surfaces et bureaux de grandes salles telles que des halls industriels et commerciaux, des hangars, des églises, des gymnases ou d’autres espaces libres comme par exemple des tribunes. Parmi ces appareils de chauffage, qui émettent l’essentiel de leur chaleur utile par rayonnement thermique, on distingue deux types : les panneaux radiants lumineux et les panneaux radiants obscurs. Les rayons thermiques sont des ondes électromagnétiques semblables à la lumière visible. Ils se conforment aux mêmes lois physiques, traversent l’air presque sans perte et ne réchauffent la matière qu’en la heurtant. En raison des caractéristiques physiques et physiologiques (voir paragraphe 2.2.1-6.6 page 492), la consommation d’énergie des panneaux radiants est plus faible que celle des systèmes de chauffage conventionnels. Les panneaux radiants conviennent tout particulièrement aux cas de chauffage partiel mentionnés ci-dessus. Voir aussi paragraphe 2.2.1-6.6 page 492. a) Panneaux radiants lumineux selon la norme DIN EN 419

Les panneaux radiants lumineux servent à chauffer des locaux de grande taille. Ils se composent d’une chambre de mélange, d’un tube de Venturi pour laisser entrer librement l’air comburant nécessaire avec une tuyère à gaz, d’un réflecteur ainsi que de la surface de rayonnement, composée généralement de plaquettes de céramique. Le gaz passe dans la tuyère pour arriver au milieu du tube de Venturi où est ensuite aspiré l’air comburant nécessaire, selon le principe d’injection. Le mélange gaz-air qui se forme est réparti uniformément dans la chambre de mélange. Grâce à la position particulière de la chambre de mélange, le mélange gaz-air peut être préchauffé jusqu’à augmentation du rendement (voir figure 2.2.1-19). Les plaquettes, quant à elles, sont composées de céramique à forte porosité. Le mélange gaz-air traverse une multitude de trous d’environ 1 mm de diamètre pour atteindre l’extérieur où il est enflammé. De très nombreuses petites flammes apparaissent alors ; elles brûlent du fait de la pression de la tuyère réglée dans les trous de la céramique, et non sur la surface extérieure. La chaleur est absorbée par la céramique, à la surface de laquelle la température atteint donc environ 900 ºC : la céramique est par conséquent portée à incandescence (rouge).

Fig. 2.2.1-19 : Schéma de principe d’un panneau radiant combiné à infrarouges à gaz avec chambre de mélange, isolation totale, préchauffage du mélange (photo Schwank GmbH, Cologne).

Ces appareils sont ainsi appelés panneaux radiants lumineux. L’effet des carreaux de céramique s’est révélé être particulièrement avantageux : ces carreaux permettent par les structures de leur surface d’augmenter celle-ci jusqu’à environ 70 %, ce qui entraîne un accroissement considérable du rendement de rayonnement. Le panneau radiant est allumé à l’aide d’un allumeur haute tension et est contrôlé par ionisation. Un appareil de commande (dispositif de combustion automatique) veille en permanence à ce que le fonctionnement soit parfait, pour que du gaz non brûlé ne puisse jamais s’échapper. La combustion dans les panneaux radiants 1. Ensemble de dispositions de la DVGW (association allemande de gaz et d’eau) G 638/I et 638/II. Kämpf, A. : Diss., Untersuchungen von Gasinfrarotstrahlern BGW – Heizung im Gewerbe.

486

2.2.1 Chauffages divisés

lumineux est propre. Par le dégagement direct de chaleur des flammes sur la céramique (faible température de flamme), les concentrations de NOx dans les produits de combustion sont inférieures à 10 ppm. C’est du rendement de rayonnement, c’est-à-dire de la proportion de chaleur émanant du rayonnement, que dépendent l’efficacité et les économies d’énergie d’un système de chauffage par rayonnement. Les panneaux radiants combinés modernes atteignent de hauts rendements de rayonnement avec un réflecteur entièrement fermé. Les produits de combustion s’échappent le long des faces internes du réflecteur et échauffent celles-ci jusqu’à environ 300 ºC. En plus du rayonnement direct par les plaquettes de céramique, un rayonnement supplémentaire est ainsi émis dans la zone chauffée. L’accumulation de produits de combustion chauds à l’intérieur du réflecteur fermé émet en plus des plaquettes en céramique un rayonnement de gaz supplémentaire. Ces panneaux radiants combinés possèdent un rendement de rayonnement au moins égal à 60 % en effectuant la mesure d’après la norme ENV 1259. On augmente encore considérablement le rendement de rayonnement en isolant entièrement l’ensemble du panneau radiant et en utilisant en complément une grille de rayonnement devant les plaquettes en céramique. Dans le cas du panneau radiant combiné illustré à la figure 2.2.1-20, le rendement de rayonnement s’élève à plus de 80 %. On peut utiliser les panneaux radiants lumineux avec du gaz naturel et des gaz liquéfiés. L’évacuation des produits de combustion s’effectue sans raccordement direct pour les produits de combustion, c’est-à-dire sans cheminée. Les panneaux radiants lumineux ne sont pas soumis au premier décret BImSchV (décret allemand fédéral de contrôle de la pollution) et ainsi à l’obligation de contrôle par un ramoneur.

Fig. 2.2.1-20 : Panneau radiant combiné avec isolation totale (photo Schwank GmbH, Cologne).

Le document de la DVGW G 638/I et la norme DIN EN 13410 réglementent une évacuation sûre des produits de combustion. Selon le projet et les possibilités, celle-ci peut s’effectuer à l’aide de ventilateurs d’évacuation d’air disposés au-dessus du panneau radiant, ou également par une aération libre de la salle. La norme DIN EN 13410, mentionnée dans le document G 638/I, fournit une liste détaillée des possibilités et des directives de conception. Avec une conception et une réalisation appropriées, aucun gaz brûlé ne peut se retrouver dans la zone chauffée et il ne peut pas y avoir formation de condensats. Il faut garantir 10 m3/h d’air repris par kW de puissance installée. Ce volume d’air repris correspond selon le document G 638/I à une composante du renouvellement d’air naturel de l’édifice. Panneau radiant

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Panneau radiant

Fig. 2.2.1-21 : Hall de fabrication équipé de panneaux radiants à rayonnement vertical, chauffés au gaz.

Fig. 2.2.1-22 : Panneau radiant à gaz pour tribunes.

Il faut également tenir compte du débit volumique d’air requis, selon le document ASR 5 (directives allemandes concernant les lieux de travail). En plus du rendement de rayonnement, le rendement de l’installation indique le pourcentage de l’énergie utilisée qui est disponible dans la salle, compte tenu de toutes les influences (évacuation des produits de combustion, etc.). Pour les panneaux radiants lumineux, le rendement de l’installation s’élève à 95 %, entre autres en raison du système d’évacuation indirect optimisé. Les panneaux radiants lumineux sont disponibles dans une plage de puissance allant de 3 à 42 kW environ. Selon la géométrie du bâtiment et les besoins thermiques, on choisit des panneaux radiants à rayonnement vertical ou bien oblique (voir figures 2.2.1-21 et 2.2.1-22). Il faut respecter une hauteur minimale pour suspendre l’appareil, en fonction de la charge thermique nominale du panneau radiant (voir document G 638/I). Du fait des intensités de rayonnement effectives des panneaux radiants lumineux, on peut envisager presque toutes les hauteurs de suspension. Le document G 638/I de la régle-

487

2 CHAUFFAGE

2.2 Systèmes de chauffage

2.2 Systèmes de chauffage

2.2.1 Chauffages divisés

mentation de la DVGW mentionne toutes les autres directives nécessaires en matière d’installation et de fonctionnement comme, entre autres, les distances minimales. b) Panneaux radiants obscurs selon la norme DIN EN 416

Les panneaux radiants obscurs fonctionnent selon les mêmes lois physiques et présentent les mêmes avantages énergétiques que celles et ceux décrits dans la section a). La température des tubes radiants se situe, selon le type de fabricant et le modèle, entre 150 et 750 ºC. On peut ainsi chauffer des grandes salles basses de plafond à l’aide de panneaux radiants obscurs (la hauteur de suspension minimale est de 3 mètres, selon le document G 638/II de la réglementation de la DVGW). Le véritable processus de combustion a lieu dans un tube fermé, qui ne devient pas rouge incandescent. Ces appareils sont ainsi appelés panneaux radiants obscurs. Les panneaux radiants obscurs sont composés d’un tube radiant soit en forme de U, soit droit : à l’une des extrémités est fixé un brûleur à dépression (brûleur atmosphérique ou brûleur à air soufflé), et à l’autre, un ventilateur d’extraction (ventilateur de tirage par aspiration). On trouve plus souvent, dans les modèles plus récents, des panneaux radiants obscurs qui fonctionnent comme des « systèmes sous pression » avec un ventilateur sur le brûleur. Une flamme faible est longuement aspirée dans le tube radiant par la dépression créée par le ventilateur, ou bien elle est attirée par les systèmes sous pression. Les produits de combustion chauds circulent dans le tube radiant fermé. Afin d’obtenir une meilleure transmission thermique du flux central chaud à la surface du tube, certains fabricants utilisent ce que l’on appelle des turbulateurs (hélicoïdes en acier inoxydable), qui sont intégrés aux tubes radiants. Ils produisent un écoulement turbulent sur les parois internes des tubes, et accroissent par conséquent la transmission thermique. Un dispositif automatique de combustion muni d’un allumeur haute tension et d’une électrode d’ionisation veille au bon déroulement de la combustion. Au-dessus des tubes radiants se trouvent des réflecteurs, qui réfléchissent les rayons infrarouges dans la zone à chauffer. Ces réflecteurs doivent être impérativement fermés sur le devant. Les tubes sont ainsi entourés d’une accumulation de chaleur et le rendement est augmenté. Les appareils à haut rendement disposent de réflecteurs isolés, qui augmentent le rendement de rayonnement des appareils. Le rendement de rayonnement d’après la norme ENV 1259 varie selon le type d’appareil entre 40 et 75 %. On trouve sur le marché des panneaux radiants obscurs dans une plage de puissance allant de 6 à 1 000 kW. Les normes DIN EN 416 ou DIN EN 777-1-4 ainsi que la norme DIN EN 13410 réglementent tous les différents systèmes de panneaux radiants obscurs, y compris leurs évacuations de produits de combustion. On distingue plusieurs catégories d’appareils : 1) Appareils standard : appareils dotés de tubes linéaires ou en forme de U, de réflecteurs au-dessus des tubes, d’un brûleur et d’un ventilateur. 2) Appareils multibrûleurs : dans ce type d’appareils, plusieurs brûleurs sont situés les uns derrière les autres sur un même tube, à l’extrémité duquel se trouve un ventilateur d’extraction des produits de combustion. 3) Panneaux radiants à recirculation (diamètre du tuyau supérieur à 150 mm) : avec des tubes radiants d’un diamètre allant jusqu’à 450 mm environ et d’une longueur allant jusqu’à plus de 100 mètres, il s’agit des plus grands panneaux radiants obscurs. Les modèles monotubes et bitubes ne comportent qu’un seul brûleur. Les gaz chauds circulent au-dessus d’une chambre de recirculation dans le tube radiant. 4) Appareils à haut rendement : ces appareils se caractérisent essentiellement par leur réflecteurs isolés et ainsi par l’augmentation du rendement de rayonnement qui en découle. Les panneaux radiants obscurs sont soumis au premier décret BImSchV. L’évacuation des produits de combustion peut être effectuée par une cheminée individuelle avec ou sans alimentation en air comburant, par des conduits d’extraction des produits de combustion avec une cheminée commune pour deux panneaux radiants obscurs, par des installations collectant les produits de combustion pour un grand nombre de panneaux radiants obscurs avec ventilateur collecteur de produits de combustion, ou bien selon la norme DIN-EN 13410 (voir la rubrique sur les panneaux radiants lumineux) avec extraction indirecte des produits de combustion. Le document G 638/II de la réglementation de la DVGW et le document 904 de la ZIV (fédération allemande professionnelle) réglementent le contrôle technique des installations de chauffage. Grâce à la possibilité de l’alimentation en air comburant par la cheminée mixte air-produits de combustion, les panneaux radiants obscurs peuvent permettre un fonctionnement indépendant. Le rendement d’une installation de chauffage fonctionnant avec des panneaux radiants obscurs est au minimum celui des exigences du premier décret BImSchV, à savoir entre 89 et 91 %. Le document G 638/II de la réglementation de la DVGW mentionne toutes les autres directives nécessaires en matière d’installation et de fonctionnement comme, entre autres, les distances minimales. -6.2.3 Appareils de chauffage indépendants au gaz raccordés à une cheminée

Ils étaient auparavant construits selon la norme DIN 3364-1:1982-04 en partie comme des poêles multiéléments, comme les radiateurs, mais maintenant sous forme de ce que l’on appelle généralement des appareils à convection. La puissance peut atteindre 12 kW environ. Près de 70 % de l’émission totale de chaleur est de la chaleur de convection (figure 2.2.1-23). Les brûleurs sont placés dans la partie inférieure, alors que les gaz chauds montent à travers un réseau de corps creux. Les formes extérieures sont aujourd’hui très agréables et existent dans différents coloris, avec grilles chromées, cadres etc. : il y en a pour tous les goûts.

488

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage

La plupart des appareils sont équipés de brûleurs « tous gaz », qui peuvent s’adapter facilement à tout type de gaz en remplaçant des gicleurs et en réglant la bonne pression de gaz. Certains modèles sont également dotés d’un hublot (ou d’une veilleuse). Les produits de combustion doivent être évacués dans une cheminée. Pour les cheminées à revêtement mixte, un clapet d’arrêt automatique se trouve dans le conduit d’évacuation des produits de combustion au-dessus du dispositif de sécurité d’écoulement. Le réglage s’effectue jusqu’à 25 % de la charge nominale ; en dessous, le fonctionnement est de type tout ou rien. Dans le cas de fenêtres étanches, il faut prévoir une amenée d’air comburant (voir le décret type de janvier 1980 sur le chauffage). Air neuf

2 CHAUFFAGE

Cheminée

Produits de combustion Produits de combustion Air neuf Air neuf

Fig. 2.2.1-23 : Appareil de chauffage indépendant au gaz raccordé à une cheminée.

Fig. 2.2.1-24 : Appareil de chauffage indépendant au gaz non raccordé à une cheminée (poêle à gaz relié à la paroi extérieure, « circuit de combustion étanche »).

-6.2.4 Appareils de chauffage indépendants au gaz reliés à ventouse1

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

1

Les appareils de chauffage indépendants au gaz non raccordés à une cheminée (dits à ventouse) constituent un modèle particulier, qui, contrairement aux modèles décrits précédemment, ne nécessitent pas de conduit d’évacuation pour les produits de combustion. En revanche, dans ce type d’appareil, les produits de combustion s’échappent directement à l’extérieur par une ouverture dans la paroi extérieure (figure 2.2.1-24). Ce système n’est adapté qu’aux chauffages domestiques par radiateurs. Les directives TRGI 1986 et/ou le code du bâtiment et de la construction de chaque Land (« Landesbauordnung ») autorisent 7 kW maximum sans ventilateur, et avec ventilateur, 11 kW pour les appareils de chauffage indépendants et 25 kW pour les ballons de production d’eau chaude sanitaire. L’air comburant est aussi aspiré du dehors. Il n’existe pas de liaison directe entre la chambre de combustion et l’air ambiant. Pour la traversée murale, on utilise soit un tube télescopique, soit un modèle en caisson. Un dispositif de protection contre le vent doit être présent dehors. Les appareils peuvent être installés n’importe où sur une paroi extérieure, y compris sous les fenêtres. L’utilisation de ces appareils s’est fortement développée ces dernières années, en particulier pour moderniser les constructions anciennes. On trouve de nombreux modèles esthétiques. La plupart sont des brûleurs « tous gaz ». L’amenée d’air comburant ne pose aucun problème. On peut cependant observer une éventuelle nuisance des produits de combustion avec les fenêtres ouvertes. Les appareils sont parfois allumés manuellement et réglés automatiquement, mais il existe également des modèles entièrement automatiques. -6.2.5 Appareils de chauffage indépendants au gaz raccordés à une cheminée mixte air-produits de combustion

Ces appareils disposent, comme les radiateurs reliés à la paroi extérieure, d’une chambre de combustion fermée par rapport à la pièce ; ils sont cependant raccordés à une cheminée mixte air-produits de combustion. La cheminée sert à la fois à l’évacuation des produits de combustion et à l’amenée de l’air comburant (voir paragraphe 2.2.1-6.9 page 495). -6.2.6 Appareils de chauffage à gaz liquéfié

Ces appareils, sans conduit d’évacuation des produits de combustion, ont seulement un domaine d’utilisation limité car les produits de combustion arrivent dans la pièce. Voir document G 643 (2. 67).

-6.3 Dispositifs de sécurité2 Grâce à la sécurité d’allumage, obligatoire pour tous les appareils à gaz, aucun gaz non brûlé ne peut se répandre et provoquer des nuisances. Citons trois modèles : 2

1. Beckmann, W., et al. : Schornsteinfegerhandwerk 7/84. pages 13/19. 2. Hertel, F. : SBZ 1973. pages 136/48.

489

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage

Bilame de sécurité. Un bilame est chauffé par une veilleuse à allumage permanent ou à allumage manuel ; ce bilame maintient ainsi en position ouverte la vanne à gaz. Lorsque la veilleuse s’éteint, la vanne se ferme (voir figure 2.2.1-25). Ce procédé économique était auparavant le plus utilisé. Bilame

Vers le brûleur

Du robinet de gaz

Fig. 2.2.1-25 : Schéma du bilame de sécurité d’allumage.

Sécurité thermoélectrique. Lorsqu’on enfonce le bouton-pression, la vanne à gaz s’ouvre et le gaz se répand dans le circuit d’allumage. Une fois le gaz allumé, la flamme de gaz échauffe un thermocouple et le courant continu produit maintient la vanne à gaz ouverte à l’aide d’un électroaimant. Lorsque la flamme s’éteint, la production de courant s’arrête et la vanne à gaz se ferme. La tension électrique est comprise entre 30 et 35 mV environ autour de 600 ºC. Il s’agit actuellement du système le plus largement utilisé (voir figure 2.2.1-26). Il est souvent associé à un robinet d’arrêt (interrupteur de sécurité avec robinet de gaz). Sécurité à ionisation. La flamme est à l’origine d’un courant continu entre l’électrode et la masse. Lorsque la flamme s’éteint, le courant est coupé et l’arrivée de gaz se ferme. Tous les poêles raccordés à une cheminée possèdent par ailleurs un dispositif de sécurité d’écoulement (coupe-tirage antirefouleur) pour garantir l’évacuation des produits de combustion. Veilleuse d’allumage Brûleur Circuit d’allumage

Électroaimant

Conduite de gaz principale

Allumage manuel

Marche

Arrêt

Fig. 2.2.1-26 : Schéma de la sécurité d’allumage thermoélectrique.

-6.4 Dispositifs d’allumage Les anciens appareils à chambre de combustion ouverte s’allumaient avec des allumettes. Les poêles actuels sont dotés de dispositifs d’allumage particuliers. Allumage par pierre à feu. Le fait de tourner un bouton produit des étincelles d’allumage à l’aide d’un silex. Allumage magnétique. Le fait de tirer un bouton met en marche l’allumeur magnétique. Sur le plan technique, ce système est dépassé par l’allumage piézo-électrique. Les allumeurs piézoélectriques fonctionnent selon le principe suivant : certains cristaux (le quartz, entre autres), lorsqu’ils sont déformés par un choc mécanique, se chargent d’électricité. Les tensions atteignent 20 kV. Aucun raccordement au secteur n’est nécessaire. Allumage par filament spiralé. Une spirale chauffée à l’incandescence allume le gaz (uniquement le gaz de ville). Électrode d’allumage. Des étincelles d’allumage électriques (produites à haute tension à l’aide d’un transformateur d’allumage) enflamment le gaz qui se répand. Ce système permet l’allumage à partir de certains endroits en particulier, comme dans les écoles, à partir de la loge du gardien, mais aussi dans les hôtels, les salles de réunion, les clubs, etc. Le contrôle de l’allumage s’effectue à l’aide d’un voyant témoin. Lorsqu’il est associé à un régulateur de température, ce système est très rentable. On peut aussi utiliser une horloge à programmes. Si l’on supprime la veilleuse d’allumage, on observe une diminution de la consommation de gaz (figure 2.2.1-27).

490

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage

Veilleuse d’allumage 3

Corps de chauffe

10 Interrupteur de sécurité

5 Armoire de commande

4

1

CHAUFFAGE

2 Conduite de gaz

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

Fig. 2.2.1-27 : Allumage électrique à distance pour les poêles à gaz équipés d’un régulateur de température et d’une horloge à programmes (Junkers). 1 = Régulateur de température, 10 = Thermocouple, 3 = Horloge à programmes sur armoire de commande, 4 = Électrovanne dans une conduite de gaz, 5 = Voyant témoin

-6.5 Régulation Régulation manuelle. L’allumage s’effectue manuellement ou à l’aide d’un allumeur magnétique. Une fois la veilleuse allumée, on ouvre plus ou moins le robinet de gaz, selon la température ambiante souhaitée. Ce système n’est pas très économique. Le robinet d’admission est en général associé au dispositif de sécurité de l’allumage. Lorsque le débit de gaz est faible, il existe un risque de bistrage de la cheminée par formation de condensation des produits de combustion. Régulation semi-automatique. L’utilisateur allume la veilleuse à la main ou à l’aide d’un allumeur piézo-électrique. Un régulateur de température ambiante pilote l’arrivée de gaz au brûleur en réglant sur « ouvert/fermé » ou sur « beaucoup/peu », ou bien de manière modulante jusqu’à environ 25 % de la puissance nominale. On utilise un régulateur électrique à deux positions avec électrovanne ou un régulateur à dilatation avec remplissage de gaz ou de liquide (exemple à la figure 2.2.1-27). Dans la robinetterie sont intégrés : une sécurité d’allumage thermoélectrique, un régulateur de pression, un thermostat à dilatation de type à régulation continue et des boutons poussoirs pour ouvrir et fermer la vanne. L’allumage s’effectue à l’aide d’un allumeur haute tension piézo-électrique sans énergie auxiliaire. La puissance peut atteindre 12 kW. Régulation entièrement automatique. Toutes les opérations de commande ont lieu de manière entièrement automatique. Lorsque le thermostat demande de la chaleur, la vanne d’admission de gaz d’allumage s’ouvre et la veilleuse est allumée par des étincelles à haute tension ou une spirale incandescente. Le courant thermoélectrique produit dans la veilleuse d’allumage ouvre l’électrovanne dans la conduite de gaz. L’avantage est que la consommation de gaz diminue quand la veilleuse s’éteint (figure 2.2.1-28).

Thermostat Poêle à gaz Interrupteur de sécurité

Brûleur d’allumage Câble d’allumage Gaz

Fig. 2.2.1-28 : Poêle à gaz à fonctionnement entièrement automatique.

491

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage -6.6 Calcul1 a) Appareils de chauffage indépendants au gaz 1

Pour le chauffage de pièces indépendantes à l’aide d’appareils de chauffage indépendants au gaz, jusqu’à un volume de 200 m3, on peut se reporter au tableau 2.2.1-1, établi par la DVGW (association allemande de gaz et d’eau) et qui indique la capacité de chauffage des dispositifs de chauffage au gaz (document G 674 – 8. 80). Ce calcul s’applique aux logements dans des édifices isolés thermiquement selon le décret allemand sur l’isolation thermique du 11/8/77. Pour les bâtiments sans isolation thermique, la capacité de chauffage est nettement plus faible ; elle est en revanche plus importante pour les bâtiments très bien isolés. On distingue 3 modes de fonctionnement : – Le chauffage continu avec abaissement nocturne de la température de 5 K maximum. – Le chauffage intermittent avec 6 à 12 heures de fonctionnement quotidien (entre autres dans les écoles). On tient compte des conditions particulières en matière d’exposition et de structure des pièces à l’aide d’un système de points, comme pour les poêles métalliques, en se rapportant à une pièce de 20 m2 de surface au sol. Ce procédé est cependant très imprécis et donne des valeurs généralement trop hautes, de sorte qu’il est préférable d’effectuer un calcul de déperditions. – Le chauffage occasionnel = chauffage exceptionnel. Il convient dans ce cas de suivre le calcul selon le procédé exact. Pour le chauffage continu et le chauffage intermittent des pièces, on emploie le procédé normal de calcul, d’après la norme DIN 4701 (voir paragraphe 2.4 page 907). Pour le chauffage occasionnel, par exemple pour les halls d’exposition, les cuisines ou les salles de réunion, le calcul des besoins thermiques des pièces chauffées de manière exceptionnelle doit être basé de la même façon sur la norme DIN 4701, tout en tenant compte de l’effusivité des surfaces entourant la pièce. Le temps de préchauffage z et la température initiale t1 sont ainsi fondamentaux ; ces valeurs doivent être estimées au cas par cas d’après les conditions locales. Tableau 2.2.1-1 – Détermination du choix de la puissance nominale des appareils de chauffage au gaz indépendants Mode de fonctionnement

Exposition de la pièce

Puissance nominale en kW 2

3

5

6

7

Volume de la pièce en m3

Chauffage continu

Chauffage intermittent

4

Favorable

30

63

110

170

–

–

Peu favorable

20

40

70

98

130

–

Favorable

24

51

90

140

210

–

Peu favorable

15

31

55

78

110

140

Les besoins thermiques (sans considérer le renouvellement d’air) sont les suivants d’après les désignations mentionnées au paragraphe 2.5.6-3.3 page 1003 (chauffage d’église) : i

i

i

Q = QW +QF (besoins thermiques pour chauffer des éléments d’accumulation + déperditions thermiques des fenêtres) Exemple Gymnase de 30 m × 14 m × 7 m = 2 940 m3 de volume de pièce ; ti = 15 ºC ; ta = – 15 ºC, température initiale de la cloison t0 = 0 ºC. Surface de fenêtre AF = 90 m2 ; kF = 3,5 W/m2.K : Surface murale intérieure AW = 2 (30 · 14 + 30 · 7 + 14 · 7) – 90 = 1 366 m 2. Soient le temps de chauffage z = 2 heures et l’effusivité de λ cρ = 1500 D’après la figure 2.5.6-8 : résistance de chauffage Rz = 0,15 m2.K/W. i Besoins calorifiques Q = (Aw/Rz) · (ti – t0) + AF · kF (ti – ta) = (1 366/0,15) · (15 – 0) + 90 · 3,5 (15 + 15) = 136 600 + 9 450 = 146 050 W ± 146 kW. 1. Simon, G. : Gas 4/79. pages 130/5.

492

2.2 Systèmes de chauffage

2.2.1 Chauffages divisés

b) Radiateurs infrarouges à gaz

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Intensité du rayonnement IR (W/m2)

Température de l’air tA (°C)

Fig. 2.2.1-29 : Température ambiante résultante tR en fonction de la température de l’air tA et de l’intensité de rayonnement IR pour un rayonnement constant et venant de tous les côtés.

Il en résulte donc une charge thermique nominale diminuée par rapport aux besoins thermiques calculés avec la norme DIN EN 12831. Mis à part le chauffage total d’une pièce, à l’aide des méthodes de calcul mentionnées ci-dessus, on peut chauffer des surfaces partielles et des bureaux grâce à la chaleur rayonnante. Les fabricants disposent de valeurs empiriques pour les projets d’installations, dont dépendent les dépenses d’énergie. Lors de la phase de conception, il faut tenir compte des caractéristiques architecturales de l’édifice concerné et des contraintes de l’utilisateur. En observant tous les autres règlements des documents référencés mentionnés ci-dessus, on peut alors modifier le nombre de panneaux radiants, c’est-à-dire l’espacement entre les panneaux radiants, en considérant la hauteur de suspension, mais aussi les puissances calorifiques des panneaux radiants et leurs angles de réglage au montage. Pour la disposition des appareils, il est important d’établir une étude de projet exacte, afin d’éviter les écarts de température dus à un rayonnement variable dans la zone de séjour. En outre, des intensités de rayonnement beaucoup trop élevées ou des asymétries de rayonnement ne sont pas autorisées. Les documents G 638/I et II de la réglementation de la DVGW fournissent des valeurs limites qui ne peuvent être atteintes que difficilement en pratique. Les programmes informatiques modernes des fabricants, qui comportent des courbes de répartition de l’intensité de rayonnement, garantissent un champ de températures uniformes.

-6.7 Consommation de gaz Le pouvoir calorifique inférieur PCI des gaz varie selon les zones d’alimentation en gaz. Pour le gaz de ville et le gaz transporté par gazoduc, il oscille généralement entre 4,5 et 5,5 kWh/m n3 (à 0 ºC et sous une pression de 1 013 mbar), et pour le gaz naturel, entre 8 et 11 kWh/m 3n. Le pouvoir calorifique infé-

493

2 CHAUFFAGE

Pour les chauffages à rayonnement avec des panneaux radiants lumineux ou obscurs, le calcul selon la norme DIN EN 12831 ne suffit pas pour déterminer la charge thermique nominale à installer ; il faut également tenir compte des particularités du transfert thermique par rayonnement (voir aussi paragraphe 2.2.1-6.2.2 page 486). Les documents de la DVGW G 638/I pour les panneaux radiants lumineux et G 638/II pour les panneaux radiants obscurs indiquent les méthodes de calcul précises. La température ambiante résultante tR, pour les chauffages par rayonnement, correspond à l’addition de la température de l’air tA et de la température de rayonnement tS. La température tS peut être calculée à partir de l’intensité de rayonnement IR avec différents facteurs K selon la disposition du panneau radiant. Il en résulte par conséquent la formule suivante : tR = tA + tS ou tR = tA + K · IR. Ainsi, pour atteindre une température ambiante de 17 ºC par exemple, la température de l’air est inférieure de la valeur de la température de rayonnement. On sait qu’une température de l’air inférieure d’1 ºC réduit la consommation d’énergie d’environ 6 %. Pour une température de rayonnement moyenne estimée de 3 ºC en mode de fonctionnement général, pour les halls récents, la réduction des dépenses d’énergie est importante. On voit ainsi le rôle capital du rendement de rayonnement, et donc du rayonnement émis par un panneau radiant à infrarouges qui atteint réellement la zone à chauffer, pour les besoins calorifiques et les dépenses d’énergie qui en résultent. Plus le rayonnement est important, plus la température de l’air et ainsi les déperditions par transmission et par ventilation sont basses. Pour ce qui est du calcul : on détermine tout d’abord les besoins calorifiques totaux d’après la norme DIN EN 12831. On corrige ensuite ces besoins calorifiques à l’aide de facteurs qui tiennent compte, entre autres, de la géométrie de la pièce, de l’installation, du confort requis, du rendement de l’installation et de la qualité du panneau radiant (rendement de rayonnement).

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage

rieur utile PCIu se rapporte à la température observée sous la pression barométrique locale moyenne et est calculé pour le gaz sec à partir de la valeur normale selon la formule suivante :

PCI u = PCI

273 B + p ⋅ 273 + t 1013

t = température moyenne, généralement 15 ºC B = pression atmosphérique en mbar (pression barométrique) p = pression effective du gaz en mbar Si le gaz contient de la vapeur d’eau, il faut alors tenir compte de sa pression partielle. Le débit volumique de gaz d’un appareil à gaz (puissance raccordée) est : i

i

V= i

Q = en m 3 /s PCI u ⋅ η

Q = puissance thermique en kW PCIu = pouvoir calorifique inférieur en kJ/m 3 η = rendement de l’appareil (environ de 0,80 à 0,86) On calcule la consommation de gaz annuelle à partir du nombre d’heures de fonctionnement à pleine charge.

Conduite montante

Réseau de distribution

-6.8 Raccordement au gaz Pour la mise en place d’installations fonctionnant au gaz à basse pression (excepté le gaz liquéfié) jusqu’à une pression de 100 mbar (10 000 Pa), le document intitulé « Die Technischen Regeln für GasInstallationen » (DVGW-TRGI 1986)1 s’applique depuis le 1/1/87. Des connaissances en la matière sont indispensables pour l’installation de chauffages à gaz. La figure 2.2.1-30 représente le schéma des tuyauteries.

Conduite particulière

Appareil de chauffage indépendant 1,4

Compteur Cuisinière 3,2 Régulateur de pression

Fig. 2.2.1-30 : Schéma de raccordement d’une installation à gaz à un réseau de distribution.

Conduite d’alimentation Chauffe-eau 6,5

Tableau 2.2.1-2 – Débits gaz de raccordement de quelques appareils de chauffage 1. Famille de gaz, m3/h

2. Famille de gaz, groupe H, m3/h

PCIu = 4,2 kWh/m3

PCIu = 10,6 kWh/m3

17,5 kW 22,7 kW 27,9 kW

3,0 5,0 6,5 8,0 2,3

1,2 2,0 2,6 3,2 0,9

4,6 kW

1,3

0,5

7,0 kW

2,0

0,8

9,3 kW

2,8

1,1

9,3 kW 11,0 kW

2,7 3,1

1,1 1,2

Appareil à gaz Cuisinière à gaz à 4 feux Chauffe-eau instantané à gaz Chauffe-eau instantané à gaz Chauffe-eau instantané à gaz Chauffe-eau d’appoint à gaz 100 l Appareil de chauffage indépendant au gaz Appareil de chauffage indépendant au gaz Appareil de chauffage indépendant au gaz Chaudière à gaz Chaudière à gaz

Pour d’autres valeurs, voir aussi DVGW 600 :1986-11.

1. TRGI, « Technische Regeln für die Gasinstallation » (dispositions techniques relatives aux installations à gaz), correspond au document référencé G600 (11/86) de la DVGW. Aussi G 631 (6/77).

494

2.2.1 Chauffages divisés

Conduites. Ce qui est déterminant pour le calcul, c’est le coefficient de charge, c’est-à-dire le débit volumique de gaz maximal dans une conduite en m3/h, qui se calcule en tenant compte du coefficient de foisonnement à partir des divers appareils raccordés sur la conduite. Le tableau 2.2.1-2 indique les puissances raccordées de quelques appareils à gaz. On déduit le coefficient de charge d’une section de conduite à partir de diagrammes qui figurent dans les dispositions TRGI 1986, dont la figure 2.2.1-31 est un exemple. Exemple : Soit un immeuble de 10 logements possédant des appareils de chauffage indépendants de chacun 4,65 kW de puissance thermique pour du gaz de ville. Coefficient de charge d’après la figure 2.2.1-31 : 14 m 3/h. On effectue le dimensionnement des sections de conduite individuelles en s’appuyant sur les diagrammes de pertes de charge des TRGI, où sont indiquées les pertes de charge maximales autorisées à chaque fois : Raccordement d’immeuble 0,2 mbar = 20 Pa Conduite de distribution 0,3 mbar = 30 Pa Compteur 1,0 mbar = 100 Pa Conduite particulière 0,8 mbar = 80 Pa Conduite de dérivation vers les appareils 0,5 mbar = 50 Pa Total 2,8 mbar = 280 Pa Les conduites montantes sont conçues de telle sorte que la perte de charge due aux frottements dans les tuyaux soit compensée par le gain de pression résultant de la force ascensionnelle du gaz léger. La pression d’alimentation doit être suffisamment élevée pour qu’après déduction des pertes de charge, la pression de raccordement (pression d’écoulement) au niveau de l’appareil atteigne au moins 7,5 mbar pour le gaz de ville, ou bien 18,0 mbar pour le gaz naturel ; sinon, il faut augmenter les diamètres des tuyauteries.

Nombre de logements

Gaz naturel

Gaz de ville

Valeur de charge en m3/h

Fig. 2.2.1-31 : Coefficient de charge (débit volumique) de deux installations d’appareils à gaz pour le gaz de ville ou le gaz naturel. a) Appareil de chauffage de 4,65 kW b) 1 cuisinière, 1 chauffe-eau 22,7 kW Appareil de chauffage de 4,65 kW

-6.9 Évacuation des produits de combustion1 © Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

1

Contribution de D. Stehmeier, Dr-Ing., Langenhagen

Les produits de combustion provenant de foyers à gaz, à l’exception des appareils non raccordés à une cheminée mentionnés ci-dessus, doivent être évacués par le biais d’installations telles que des cheminées, des conduits d’évacuation des produits de combustion et des pièces de raccord (tuyaux d’évacuation), de sorte qu’aucun danger ou aucune gêne excessive ne puisse survenir 2. Les conduits d’évacuation montent jusqu’au sommet de la cheminée, avec un orifice de contrôle, si possible petit, anticorrosion, généralement en tôle d’acier ou en aluminium, et sont isolés dans des espaces froids. Pour éviter un tirage trop important, une accumulation de produits de combustion ou même un refoulement de ceux-ci, les foyers à gaz atmosphériques sont équipés, entre la cheminée et la chambre de combustion, d’un dispositif de sécurité d’écoulement (un coupe-tirage antirefouleur associé éventuellement à une sécurité de température de gaz en cas d’accumulation de produits de combustion ou de refoulement, qui coupe le brûleur pendant quelques minutes) ; il s’agit d’un composant du foyer fourni par le fabricant de l’appareil (voir figure 2.2.1-32). Les foyers à gaz munis d’une sécurité d’écoulement et possédant une puissance thermique nominale supérieure à 7 kW doivent être équipés dans les appartements et pour les usages similaires d’un dispositif de surveillance des produits de combustion, qui éteint le brûleur en cas de retenue ou de courant de retour (figure 2.2.1-33). Dans les conduits d’évacuation des produits de combustion des foyers atmosphériques à gaz, on peut fixer des clapets d’obturation, qui sont ouverts lorsque le brûleur fonctionne et fermés lorsqu’il est arrêté. 1. Mise à jour de D. Stehmeier, Dr. Ing., Langenhagen, pour la 68e édition. 2. Musterbauordnung für die Länder der Bundesrepublik Deutschland, édition de novembre 2002, § 42 paragraphe 3.

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2 CHAUFFAGE

2.2 Systèmes de chauffage

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage

Fig. 2.2.1-32 : Fonctionnement du coupe-tirage antirefouleur pour les foyers à gaz.*)

Courant ascendant

Refoulement

Courant de retour

*) ZIV (fédération allemande professionnelle) : document nº 102 (1990)

Fig. 2.2.1-33 : Dispositif électrique de surveillance de l’évacuation des produits de combustion.*) PB = Pression de refoulement nécessaire pour l’air frais, PW = Pression de refoulement nécessaire pour le générateur de chaleur (uniquement pour la sécurité d’écoulement), PFV = Pression de refoulement nécessaire pour la pièce de raccord, PZ = Dépression à l’arrivée des produits de combustion dans la cheminée *) ZIV (fédération allemande professionnelle) : document nº 102 (1990)

Les clapets d’obturation doivent être adaptés aux foyers en présence (consulter les instructions de montage). Les clapets d’obturation à commande thermique selon la norme DIN 3388-4:1984-12 ne peuvent être installés que pour les foyers atmosphériques à gaz et uniquement derrière le coupe-tirage antirefouleur. Les clapets d’obturation à commande mécanique selon la norme DIN 3388-2:1979-09 doivent être réglés de manière à ce que le brûleur ne puisse fonctionner qu’avec le clapet entièrement ouvert et que celui-ci ne se referme qu’après l’arrêt du brûleur. Les installations d’évacuation des produits de combustion doivent être réalisées selon la norme DIN 18160-1:2001-12. La maçonnerie est déconseillée car en présence de températures de produits de combustion basses, on observe une légère condensation (ou un encrassement). Les pièces façonnées en chamotte, en béton ou dans des matériaux similaires sont mieux adaptées. Dans les cheminées en briques, on peut aussi tuber des tubes métalliques rigides ou souples. Pour le dimensionnement des installations d’évacuation des produits de combustion, se reporter au paragraphe 2.3.3 page 729. L’évacuation des produits de combustion des foyers atmosphériques à gaz mais aussi des appareils de chauffage indépendants au gaz dans des pièces intérieures sans fenêtre (salles de bains) peut s’effectuer par des gaines d’aération, selon la norme DIN 18017-1:1987-02 : Gaines d’aération individuelles sans ventilateur et la norme DIN 18017-3:1990-08 : Évacuation mécanique des rejets. Pour l’évacuation mécanique des produits de combustion, il faut tenir compte du document G 626:1971-11 de la DVGW. Les installations d’évacuation des produits de combustion ne doivent être raccordées qu’à des foyers de même nature. Les foyers à gaz dotés de brûleurs à air soufflé ne doivent donc pas non plus être raccordés à une installation commune d’évacuation des produits de combustion avec des foyers atmosphériques à gaz. Le raccordement mixte, c’est-à-dire le raccordement de foyers pour combustibles solides ou liquides à une installation commune d’évacuation des produits de combustion avec des foyers à gaz, n’est généralement autorisé que pour les foyers sans ventilateur. Les pièces de raccord des foyers pour combustibles solides ou liquides doivent disposer, directement derrière la buse de sortie des fumées, d’un tuyau vertical d’évacuation des fumées d’au moins 1 m. Le dimensionnement des cheminées à raccords multiples et mixtes peut s’effectuer à partir de la norme DIN EN 13384-2:2003-12. Lors de l’installation de foyers, il faut veiller à ce que l’alimentation en air comburant soit suffisante. Pour les foyers atmosphériques dotés d’une puissance thermique nominale allant jusqu’à 35 kW,

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2.2.1 Chauffages divisés

l’alimentation est en général suffisante quand le local d’installation possède un volume au moins égal à 4 m3 pour chaque kilowatt de puissance thermique nominale totale de tous les foyers fonctionnant simultanément dans la pièce et quand celle-ci dispose d’une porte ou d’une fenêtre s’ouvrant sur l’extérieur. Dans certaines conditions, on peut tenir compte des pièces voisines qui sont reliées au local d’installation par une prise d’air d’au moins 150 cm 2 de section libre ou par des portes. Pour obtenir plus de détails et connaître les exigences pour les puissances thermiques nominales supérieures à 35 kW, voir les dispositions TRGI 1986/96 de la DVGW. Les foyers à gaz munis de dispositifs de sécurité d’écoulement ne peuvent être installés que dans des pièces d’un volume au moins égal à 1 m 3 pour chaque kilowatt de puissance thermique nominale totale ; on peut cependant prendre en compte les pièces voisines qui sont reliées à la pièce d’installation par 2 ouvertures (en haut et en bas) ayant chacune 150 cm 2 de section libre. L’installation dans les pièces de petite taille est autorisée lorsque ces deux prises d’air vers l’extérieur possèdent chacune une section de 75 cm2. Pour les foyers atmosphériques à gaz, aucune exigence n’est requise quant à la taille de la pièce d’installation. Il est possible de réaliser des foyers à ventouse (voir paragraphe 2.2.1-6.2.4 page 489) ou des systèmes mixtes air-produits de combustion (voir paragraphe 2.2.1-6.2.5 page 489).

-6.10 Choix Les panneaux radiants indépendants sont particulièrement adaptés aux cheminées, et les appareils de chauffage muraux aux petites pièces et lorsqu’on souhaite obtenir un rayonnement localisé (salles de bains). Les appareils de chauffage indépendants au gaz conviennent en particulier aux logements, hôtels, écoles, magasins et autres salles de séjour. Dans les constructions anciennes, les appareils non raccordés à une cheminée sont particulièrement appropriés. Les panneaux radiants infrarouges à gaz (panneaux rayonnants lumineux) conviennent aux usines, halls de foires et d’expositions, terrasses ouvertes et autres salles de grande taille. Il existe pour certaines salles des directives officielles spécifiques : dans les cinémas et les garages par exemple, seuls les poêles de chauffage multiéléments avec une chambre de combustion fermée sont autorisés.

-7

Chauffage électrique1

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-7.1 Généralités On peut classifier les appareils de chauffage électrique de la manière suivante : Le chauffage direct, où l’énergie électrique est transformée directement en chaleur utile, par exemple à partir d’une prise de courant. En Allemagne, en raison des prix élevés de l’électricité, ce type de chauffage est généralement seulement utilisé comme chauffage d’appoint ou de demi-saison, dans certains pays nordiques et également en France très souvent aussi comme chauffage total de pièce. Le chauffage à accumulation, par lequel une masse accumulatrice emmagasine de la chaleur via un courant de chauffage bon marché, cette chaleur étant ensuite distribuée petit à petit au cours de la journée. Le courant de chauffage est fourni à prix réduit par l’entreprise de distribution d’électricité, car il est octroyé sans coûts supplémentaires pour une charge de réseau d’habitude faible. Ce type de chauffage est adapté à des maisons ou des appartements tout entiers et se limite à cette utilisation. L’entreprise de distribution d’électricité ne permet ce système que jusqu’à ce que les délestages soient comblés, essentiellement la nuit. Chauffage par pompe à chaleur. La consommation d’énergie finale se situe seulement entre 35 et 45 % environ pour un même dégagement de chaleur par rapport au chauffage électrique par effet Joule, ce qui contribue donc à économiser de l’énergie. On a pu constater par ailleurs que le courant électrique résiste mieux à la crise que le fioul et le gaz naturel, car l’électricité en République fédérale d’Allemagne est produite majoritairement à partir de l’énergie nucléaire et des sources d’énergie locales, le lignite et la houille (données 2006). Des frais d’investissement nettement supérieurs s’avèrent toutefois nécessaires (voir paragraphe 2.2.2-4.9 page 489). Le chauffage électrique présente certains avantages : – peu d’opérations de conduite, fonctionnement propre, absence de pollution sur le lieu de consommation, pas de stockage de combustible, mesure facile de la consommation de chaleur grâce à un compteur, facturation directe à l’usager par l’entreprise de distribution d’électricité dans le cas de maisons louées ; – alimentation en énergie simultanée pour l’éclairage, les appareils électriques et le chauffage et absence de canalisation de gaz ou de conduite de chauffage. Installation électrique : si l’entreprise de distribution d’électricité propose des accords particuliers pour les chauffages électriques, les installations électriques doivent alors être réalisées selon leurs conditions 1. Mise à jour et contribution de Peter Rohne, Munich, pour les éditions 67e à 71e. Rohne, P. : Handbuch der elektrischen Raumheizung. 1993.

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2 CHAUFFAGE

2.2 Systèmes de chauffage

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage

techniques de raccordement, y compris les compteurs séparés des autres installations, qui sont alimentées selon les tarifs généraux.

-7.2 Appareils électriques de chauffage direct Les appareils électriques de chauffage direct selon la norme DIN EN 60675 délivrent la chaleur produite de manière instantanée ou alors avec un très faible retard à la pièce à chauffer. Ils surchargent le réseau électrique également aux heures de pointe de l’alimentation électrique. Du fait de cet inconvénient, les entreprises de distribution d’électricité autorisent selon leurs conditions techniques de raccordement, sans accord particulier, uniquement le fonctionnement des appareils transportables jusqu’à 2 kW par appartement. Un règlement spécial s’applique dans le cas de besoins plus importants. Les appareils sont soit transportables, soit montés à demeure. -7.2.1 Appareils de chauffage direct transportables

Ces appareils servent en particulier au chauffage temporaire des pièces. Ils sont conçus généralement avec une puissance pouvant atteindre 2 kW. Les appareils de chauffage à convection sont actuellement les plus répandus, avec convection forcée ; ils sont appelés radiateurs soufflants ou radiateurs à convection forcée (figure 2.2.1-34). Les avantages de ce système sont la rapidité de chauffage de la pièce et la répartition quasiment uniforme de la température dans la pièce. Un limiteur de température permet d’arrêter l’appareil en cas de déficience du ventilateur ou d’obstruction de la sortie d’air. Par ailleurs, certains appareils sont munis d’un régulateur de température ambiante intégré. Il existe également des appareils de chauffage à convection qui fonctionnent en convection naturelle, qu’on appelle des convecteurs : dans ce cas, la convection naturelle est renforcée par un effet de cheminée (figure 2.2.1-35). On peut citer aussi les appareils de type radiateurs montés sur des roulettes. Ces appareils requièrent une durée de mise en température de la pièce plus importante. Dans les tapis chauffants, des câbles chauffants électriques très fins sont situés à l’intérieur d’une fibre textile. Ils sont munis d’un câble de raccordement d’appareils, d’un bouton de sélection et de fiches d’alimentation. Il existe également des plaques chauffantes rigides et sur lesquelles on peut marcher, qui sont faites de dalles de caoutchouc ou de résine synthétique multicouches de tailles différentes, avec des films chauffants ou des câbles chauffants intégrés. Ce système permet de tempérer le sol, par exemple sous un bureau ou une caisse enregistreuse. Le branchement se fait à une prise de courant, de 230 V. La consommation surfacique est de 200 à 400 W/m 2, l’épaisseur de 8 à 25 mm. Interrupteur Support en céramique Sortie d’air chaud

Filament spiralé Ventilateur Bouton de réglage

Limiteur de température

Radiateur à tubes

Câble de raccordement d’appareils

Fig. 2.2.1-34 : Schéma d’un appareil de chauffage transportable à convection forcée (radiateur soufflant).

Fig. 2.2.1-35 : Schéma d’un appareil de chauffage transportable à convection naturelle (convecteur sur pieds).

-7.2.2 Appareils fixes de chauffage par rayonnement

Ce type d’appareil dégage la chaleur principalement par rayonnement. Les éléments chauffants sont essentiellement des corps de chauffe à tubes, sur lesquels le conducteur chauffant en spirale isolé par de l’oxyde de magnésium est implanté dans un tuyau rond en acier réfractaire. Dans d’autres types d’appareils, les conducteurs chauffants en spirale sont coulés dans du verre quartzeux (montage vertical possible seulement dans certains cas). Le tube atteint alors des températures de surface de 600 à 700 ºC environ et rayonne en étant rouge sombre. On parle alors également de panneaux radiants à infrarouge. La longueur d’onde maximale est λmax ≈ 3 μm. La puissance raccordée se situe à peu près entre 1 et 2 kW/m. Tous les panneaux radiants doivent être munis de réflecteurs en métal poli miroir, généralement en aluminium, afin de concentrer le rayonnement thermique dans certaines directions. D’autres appareils présentent un corps chauffant de grande surface, où un mince conducteur chauffant, situé sur une surface de pierre, de céramique, de verre ou de métal, émet une chaleur douce dans la pièce. Le rayonnement n’est transformé en chaleur qu’après son impact sur une personne ou un objet ; la température environnante peut de ce fait rester basse. Cela permet d’économiser de l’énergie par rapport à un chauffage total de la pièce. En outre, la durée de mise en température est faible.

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2.2.1 Chauffages divisés

Il est généralement impossible d’utiliser le chauffage par rayonnement infrarouge en fonctionnement continu du fait du prix élevé du courant électrique. En revanche, pour les pièces que l’on n’utilise que brièvement, par exemple des salles de bains, des bureaux ou des salles de réunion, dans des pièces qui sinon ne sont pas chauffées, telles que des grands espaces, des gymnases, des églises, des salles d’exposition etc., le fonctionnement peut souvent être rentable. Il en est de même pour le chauffage d’extérieur, par exemple pour des terrasses de café ou des tribunes de complexes sportifs, ainsi que pour le chauffage d’appoint et de demi-saison. Pour le dimensionnement des appareils de chauffage par rayonnement infrarouge1, il faut veiller à ce que le rayonnement thermique sur les têtes des personnes présentes dans la pièce ne dépasse pas une certaine valeur, ce qui susciterait un désagrément au bout d’un certain temps. Voir paragraphe 2.2.1-6.6 page 492. Disposition des panneaux rayonnants : – au plafond avec un rayonnement de haut en bas (panneaux rayonnants au plafond, panneaux rayonnants à grande surface) ; – en angle entre le plafond et le mur (panneaux rayonnants suspendus, à tubes, à infrarouge court) ; – au mur, en particulier sous les fenêtres (panneaux rayonnants latéraux) ; – et sous les sièges (panneaux rayonnants de banquettes). La puissance thermique moyenne pour les pièces chauffées de manière intermittente, selon la hauteur de la pièce, est de 150 à 250 W/m2, et dehors de 300 à 600 W/m2. Les plaques chauffantes sont préfabriquées ; à l’intérieur elles sont dotées de plaques de grande taille en plastique renforcé par des fibres, en verre, en tôle ou en pierre naturelle, et recouvertes d’un film chauffant. Elles sont fixées devant les cloisons. Le dégagement de chaleur s’effectue principalement par rayonnement. La tension de dimensionnement est généralement de 230 V. L’élévation de température sur les surfaces atteint jusqu’à 75 K.

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-7.2.3 Appareils fixes de chauffage à convection naturelle

Les appareils électriques de chauffage à convection fonctionnent avec de basses températures de surface et émettent la chaleur en majeure partie via une circulation d’air. Les corps de chauffe sont soit des conducteurs chauffants en spirale portés à blanc et fixés librement sur un habillage en céramique, soit des radiateurs à tubes. Les habillages en tôle d’acier ou en céramique en forme de plaque ou de parallélépipède servent de surface externe à l’émission de chaleur. Pour plus de confort, on utilise des convecteurs basse température de grande surface. Il est recommandé d’effectuer le montage sous les fenêtres, comme le montre la figure 2.2.1-36. En associant un régulateur de température ambiante, on peut régler rapidement celle-ci. On utilise aussi ces appareils dans les appartements avec des appareils de chauffage à accumulation pour chauffer les pièces annexes. Cela permet de réduire les frais d’investissement. On les utilise par ailleurs comme chauffages d’appoint à réglage rapide pour les appareils de chauffage à accumulation et pour le chauffage par le sol à accumulation, généralement lent. L’échauffement maximum de la surface est de 75 K. Pour chauffer des locaux dans le domaine industriel, on utilise des tubes chauffants (figure 2.2.1-37). Un tube d’acier d’un diamètre compris entre 40 et 80 mm sert d’enveloppe externe. Les températures de surface atteignent 160 à 200 ºC. Les tubes chauffants à ailettes (figure 2.2.1-38) possèdent une puissance thermique électrique avoisinant les 0,6 kW/m. Ils sont généralement équipés d’un commutateur à positions multiples ou d’un régulateur de température ambiante. Il existe des modèles spéciaux pour les pièces humides et les ateliers et bureaux d’usine présentant des risques d’incendie.

Fig. 2.2.1-37 : Tube chauffant électrique avec spirale interne du filament de chauffage, puissance comprise entre 250 et 400 W/m.

Fig. 2.2.1-36 : Appareil fixe de chauffage à convection naturelle (convecteur de plinthe).

Fig. 2.2.1-38 : Tube chauffant à ailettes. Puissance d’environ 600 W/m (Schultze Kältewehr).

1. Kollmar, A. et Liese, W. : Die Strahlungsheizung. 1957.

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2 CHAUFFAGE

2.2 Systèmes de chauffage

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage

Les appareils de chauffage à convection existent dans un grand nombre de modèles, adaptés à leurs affectations : par exemple des appareils de chauffage cylindriques sous les sièges des trains, des panneaux chauffants, des tubes chauffants sur les petits bancs des églises, des batteries de tubes ou des tubes chauffants à ailettes pour les garages et les ateliers, comme entre autres les plinthes chauffantes ; les radiateurs à eau chaude sont des modèles spéciaux, dotés d’une résistance électrique intégrée de manière axiale au niveau inférieur. -7.2.4 Appareils fixes de chauffage à convection forcée

Les appareils de chauffage rapide utilisent en complément un ventilateur électrique, généralement axial ou tangentiel. L’air est soufflé horizontalement au-dessus du sol. L’émission de chaleur est ainsi nettement meilleure, car l’air ambiant froid et l’air chaud se mélangent plus rapidement. Voir les exemples des figures 2.2.1-39 et 2.2.1-40. On régule non seulement le débit d’air (en modifiant la vitesse de rotation du ventilateur) mais aussi la puissance thermique. Les appareils sont fréquemment également équipés d’un thermostat d’ambiance et d’une minuterie, et sont utilisés pour les salles de bains, les cuisines, etc. Corps de chauffe

Réglage de la minuterie Limiteur de température

θ θ

Ventilateur

Fig. 2.2.1-39 : Appareil fixe de chauffage à convection forcée, appareil de chauffage rapide. (Photo AEG)

Régulateur de température ambiante

V (CA)

Fig. 2.2.1-40 : Schéma de connexion d’un appareil fixe de chauffage à convection forcée (appareil de chauffage rapide). Chauffage de base avec une consommation de 1 kW, de 2 kW pour le fonctionnement programmé.

-7.2.5 Chauffage par le plafond

Les films chauffants sont implantés entre le revêtement du plafond (placoplâtre, panneau de métal ou de bois) et les panneaux isolants en laine minérale ; ils sont fixés sur les lattes de bois de la charpente. Ces films chauffants, conformes à la norme DIN VDE 0700-96, se composent de deux bandes de polyester collées l’une contre l’autre, entre lesquelles se trouve comme conducteur chauffant soit une bande en alliage étain-plomb en méandres, soit une mince couche de fonte et graphite située dans les bandes de cuivre qui sont disposées latéralement. La fixation s’effectue sur l’ossature porteuse dans la zone de la bande non conductrice. Formes disponibles : éléments chauffants à convection, munis de liaisons froides ou de prises de courant, généralement pour 230 V, ou fournis sous forme de rouleaux. La puissance absorbée surfacique est de 100 à 300 W/m2. Il convient de respecter les dispositions prévues concernant l’installation de ces appareils (norme DIN VDE 0100-753). Le réglage de la température s’effectue à l’aide d’un régulateur de température ambiante ou d’un régulateur proportionnel, le cas échéant avec régulation du ralenti. Dimensionnement : voir paragraphe 2.4.4-2 page 959. Ce système n’est conseillé que pour les pièces dont les besoins thermiques spécifiques se situent en dessous de 100 W/m 2. La puissance absorbée du chauffage par le plafond ne doit pas dépasser les besoins thermiques normalisés. Le long du mur extérieur avec fenêtres, il faut prévoir une zone périphérique. L’élément chauffant à installer à cet endroit présente une puissance absorbée surfacique supérieure de 20 à 40 % par rapport à la zone de séjour. Les plafonds au-dessus des meubles hauts comme la pièce et les lampes de plafonds ne sont pas chauffés. L’achat d’énergie électrique ne doit être soumis à aucune restriction. Réalisation du plan de pose. Celui-ci doit être remis au maître d’ouvrage et à l’utilisateur à l’endroit de l’installation. Éléments à indiquer : emplacements des corps de chauffe, points de raccordement et régulateurs de température ambiante ; également la puissance nominale, les puissances absorbée surfacique et nominale ainsi que la longueur et la largeur de chaque corps de chauffe.

500

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage -7.2.6 Chauffage direct par le sol1 1

Surface au sol

A = 15 m2

Zone susceptible d’accueillir des meubles

AS = – 5 m 2

Zone périphérique

AR = – 3 m 2

Zone normalement occupée

AV =

7 m2

i

Besoins thermiques normalisés Q N* = 1 000 W Besoins thermiques normalisés surfaciques i q N* = 66,7 W/m2 Écart de température (20 – 5) = 15 K

Isolation thermique sous la dalle chauffante – Épaisseur de 105 mm Durée de mise sous tension (tF + tZF) = 24 h Puissances absorbées surfaciques maximales de la zone normalement occupée selon le tableau 2.2.1-4 : PF′= 100 W/m2 Vérification des puissances thermiques :

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i

i

– sur la zone périphérique Q R = AR · qR = 3 m2 · 172 W/m2

=

516 W

– dans la zone normalement occupée i i Q V = AV · qV = 7 m2 · (100 W/m2 · 90 %)

=

630 W

i

– de la surface au sol totale Q F

= 1 146 W

– d’après le tableau 2.2.1-4, les puissances thermiques minimales de la zone i i normalement occupée seraient Q V = AV · qV = 7 m2 · 70 W/m2

=

490 W

i

Les besoins thermiques normalisés Q N* sont couverts dans tous les cas. La limitation de température en cas de défaillance s’effectue via un limiteur de température électronique ou thermomécanique, et est réglée de manière à ne pas dépasser 60 ºC. Une sonde de température au sol doit être placée au point d’intersection des diagonales de surface de la zone périphérique. Régulation de la température au sol. Régulation pour une pièce individuelle. Le régulateur de température au sol électronique doit être monté dans le tableau de distribution du circuit (figure 2.2.1-42) ou près de la porte d’entrée de la pièce chauffée par le sol. La sonde de température au sol est placée au point d’intersection des diagonales de surface de la zone normalement occupée : elle est soit noyée dans la dalle chauffante, soit déposée dans un tube isolant. 1. Notices de la BVF (association allemande de chauffage de surface) 1, 2, 3, 6 et 9 – également sur www.flaechenheizung.de.

501

2 CHAUFFAGE

Voir paragraphe 2.2.1-7.3.2 page 508, avec cependant les exceptions suivantes : la chaleur dégagée par le sol est essentiellement cédée directement à la pièce en tant que rayonnement thermique ou bien avec un très léger retard. L’approvisionnement en énergie électrique n’est pas soumis à des coupures de délestage du réseau. L’épaisseur de la dalle chauffante est de 50 à 55 mm ; elle s’additionne à partir du diamètre du câble chauffant (5 à 10 mm) et de l’épaisseur de la chape de ciment de couverture de 45 mm, selon la norme DIN 18560-2. La surface couverte se divise en trois parties : – La zone susceptible d’accueillir des meubles ; pour l’installation de meubles, cette surface correspond à une bande non chauffée d’environ 60 cm de large le long des murs intérieurs. – La zone périphérique ; il s’agit d’une surface chauffée avec une température au sol inférieure ou égale à 35 ºC, correspondant à une bande de 0,5 à 1 m de large le long des murs extérieurs comportant des fenêtres. Si la puissance absorbée surfacique est inférieure ou égale à 250 W/m 2, la puissance thermique surfacique est alors inférieure ou égale à 172 W/m 2. Il faut éviter de recouvrir les zones périphériques avec des meubles, des housses, des tapis ou autres, ce qui pourrait entraîner des surchauffes locales voire éventuellement la destruction des câbles chauffants ! – La zone normalement occupée, qui correspond à la surface restante. Pour consulter la puissance absorbée surfacique maximale, se reporter au tableau 2.2.1-4 ; dans les pièces avec baignoire ou douche, elle doit être égale à 160 W/m 2. Les températures au sol maximales autorisées d’après la norme DIN EN 12643 sont de 9 K au-dessus de la température ambiante normalisée. Pour θi = 20 ºC, cette température correspond à 29 ºC. Selon la figure 2.4.4-19, 100 W/m 2 sont alors cédés au local. La densité de flux thermique vers le bas (pièce, cave, extérieur) est généralement comprise entre 10 et 15 % de la puissance thermique cédée au local à chauffer. Exemple de dimensionnement : salle de séjour (θi = 20 ºC), au-dessus d’une cave (θi′= 5 ºC)

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage

Régulation de la température au sol selon les conditions météorologiques. Il est indispensable de disposer de sondes extérieures (sur le mur extérieur d’une pièce chauffée par le plancher), d’un appareil de commande centrale et de régulateurs électroniques de charge ; ces dispositifs sont installés près des disjoncteurs de protection de circuit et des contacteurs dans le tableau de distribution du circuit. Les sondes de température au sol correspondantes doivent être soit noyées dans la dalle chauffante au point d’intersection des diagonales de la zone normalement occupée, soit introduites dans un tube isolant. Voir aussi paragraphes 2.2.1-7.3.1. Un boîtier d’appareil peut contenir jusqu’à quatre régulateurs de charge.

Fig. 2.2.1-41 : Films chauffants pour chauffages par le plancher et par le plafond (photo HTS Stanzach).

Fig. 2.2.1-42 : Régulateur de température au sol électronique pour le chauffage direct par le plancher (pour tableau de distribution).

-7.2.7 Chauffage direct par le sol contrôlé

Ce système est similaire au chauffage direct par le sol, mis à part qu’il bloque l’achat d’énergie à l’entreprise de distribution d’électricité aux heures de pointe (périodes de délestage). Ce blocage peut avoir lieu quatre fois au cours des 24 heures de la journée, tout au plus toutes les 2 heures. La remise en service après une période de délestage est d’au moins la même durée. La durée journalière de mise sous tension tF est supérieure à 16 heures. L’épaisseur de la dalle chauffante est de 6 cm. -7.2.8 Chauffage direct électrique central

– Pour le chauffage à air chaud pulsé, voir paragraphe 3.3.2-2 page 1066 (Générateurs d’air chaud). – Pour le chauffage à eau chaude, voir paragraphe 2.3.1-2.6 page 672 (Chaudières électriques).

-7.3 Chauffage électrique à accumulation1 -7.3.1 Appareils de chauffage à accumulation

Ces appareils renferment des briques de magnésie (noyaux à accumulation), qui sont chauffées par le biais de radiateurs à tubes électriques intégrés ou de résistances chauffantes et restituent ultérieurement la chaleur. Les noyaux d’accumulation sont entourés d’un habillage interne en tôle d’acier pour éviter que les fibres ne sortent, d’une isolation thermique en laine minérale ou en matériau microporeux de 20 à 50 mm d’épaisseur avec des inclusions gazeuses (par exemple microtherme – dioxyde de silicium en composition granuleuse ou microporeuse), ainsi que d’un habillage en carreaux de faïence ou en tôle d’acier vernie. La mise en charge s’effectue avec de l’électricité au tarif « heures creuses » à environ 500 à 700 ºC, pendant une durée de mise sous tension de 5, 6, 8, 9 ou 10 heures, généralement entre 21h00 et 7h00. De nombreuses entreprises de distribution d’électricité garantissent par ailleurs une durée de mise sous tension supplémentaire de 2, 3, 4 ou même 8 heures, généralement au prix fort du kWh, entre 12h00 et 17h00. L’utilisation grandissante de télécommandes centralisées permet à l’entreprise de distribution de l’électricité de piloter de manière centralisée, en vue d’une meilleure exploitation des délestages, le déblocage échelonné en groupes de charge. Capacité thermique utile de la magnésie à la décharge de 620 à 120 ºC : (620 – 120) · 1,14 = 570 kJ/kg  1 700 kJ/dm3. Types d’appareils a) Appareils de chauffage à accumulation avec dégagement de chaleur non réglable d’après la norme DIN 44570. Dégagement de chaleur uniquement statique au-dessus de la surface, non réglable. Mal adapté, car non constant, et décroissant. Utilisation limitée, uniquement dans les petites pièces annexes (couloir, toilettes). Ancienne désignation : Type I. Puissance absorbée : 1 et 1,5 kW pour 230 V en courant alternatif. Dimensions en cm : hauteur 53, largeur 60 et 73, profondeur 18 et 20. b) Appareils de chauffage à accumulation avec dégagement de chaleur réglable selon les normes DIN 44572-1 à DIN 44572-5. Dégagement de chaleur dynamique. Un ventilateur tangentiel ou axial souffle 1. RWE-Bau-Handbuch, 12e édition. Rohne, P., Handbuch der elektrischen Raumheizung, 1993.

502

Bureau de la direction

θ

Bureau 4 θi = 20 °C

Surface de garde

A• = 26 m2 QN = 1530 W • QN* = 1393 W Chauffage au sol à accumulation tF = 8 h tZF = 4 h Puissance absorbée en W Puissance absorbée : Longueur de la nappe chauffante en cm surface de séjour Largeur de la nappe chauffante en cm Chauffage d’appoint Puissance absorbée surfacique en W/m2 (2 convecteurs) Tension nominale en V Épaisseur de la chape Coefficient de transmission thermique

Sonde extérieure ou sonde de température au sol Régulateur de température ambiante Lattes de bois de 40 × 60 mm ou joint de dilatation

3 convecteurs à régulateur de température intégré de 600 W chacun en 230 V

θ

Hall d’entrée

Circuit Régulateur de vitesse de répartition θ

θ

dans le circuit de répartition

Régulateur de température au sol

θ Salle de réunion A• = 21 m2 θi = 20 °C QN = 1380 W PD = 1600 W Chauffage par convecteur

θF

θ

θ

Local photocopies / rangement θi = 20 °C A• = 9,4 m2 QN = 565 W θ PD = 800 W Chauffage par convecteur

θ

θ

Convecteur

Chauffage direct par le sol Épaisseur de la chape δ = 5 cm Coefficient de transmission thermique ku = 0,35 W/m2 K

A• = 26 m2 Bureau 5 Sonde extérieure θi = 20 °C Q0,N = 1530 W • pour chauffage QN* = 1393 W au sol à accumulation Chauffage au sol à accumulation tF = 8 h tZF = 4 h Puissance absorbée : PS = 1970 W surface de séjour PS = 1575 W Chauffage d’appoint PR = 780 W (zone périphérique) PZ = 800 W δ = 9 cm Épaisseur de la chape δ = 9 cm Coefficient de transmission thermique ku = 0,35 W/m2K ku = 0,35 W/m2K

θ

Toilettes A = 4,95 m2 chaque θi = 18 °C

503

CHAUFFAGE

Fig. 2.2.1-43 : Plan d’installation et de pose de différents systèmes de chauffage électriques décentralisés.

θ θ

•

QN = 1605 W PD = 1800 W

chauffage par convecteur

Secrétariat θi = 20 °C

A = 24 m2

Régulateur proportionnel θ

Zone libre entre deux éléments

•

PD = 880 W

QN* = 866 W

Hall d’entrée/Tambour A = 37 m2 • θi = 20 °C QN = 1060 W

Bureau 2 A• = 12,4 m2 Bureau 1 A• = 12 m2 θi = 20 °C QN = 740 W θi = 20 °C QN = 703 W Appareil de chauffage Appareil de chauffage à accumulation avec à accumulation régulateur de vitesse tF = 28 h tZF = 4 h intégré Puissance absorbée tZF = 4 h tF = 8 h PS = 1350 W Puissance absorbée PS = 1350 W θ

Sonde extérieure pour les appareils de chauffage à accumulation

Local des branchements électriques d’immeuble

Bureau 3 A• = 14,4 m2 θi = 20 °C QN = 867 W Appareil de chauffage à accumulation tF = 8 h tZF = 4 h Puissance absorbée PS = 1580 W

θ

Boîte de raccordement encastrée en façade des éléments chauffants

*) 115 – 150/60 × 70/60 – 2 éléments en série à raccorder en 230 V

Élément chauffant

Liaisons froides

•

QN = 1395 W

Chauffage par le plafond PD= 1380 W

θi = 20 °C

θ

A = 22 m2

Surface de séjour

θ θ

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2.2 Systèmes de chauffage 2.2.1 Chauffages divisés

2

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage

de l’air ambiant dans des conduits d’air du noyau à accumulation. L’air réchauffé est mélangé dans une dérivation à commande thermique avec de l’air ambiant à une température de sortie d’air inférieure ou égale à 120 K (figure 2.2.1-44). Ancienne désignation : type III. Grille de protection et stabilisateur

Jaquette en tôle Isolation thermique Conduit d’air Corps de chauffe à tubes Noyau d’accumulation

Sortie d’air

Ventilateur Spirale bimétallique Volet de bypass

Fig. 2.2.1-44 : Schéma d’un appareil de chauffage à accumulation avec dégagement de chaleur réglable.

Appareils à suspension murale : puissances absorbées allant de 0,75 à 3,6 kW pour 400/230 V de courant triphasé ou alternatif. Dimensions en cm : hauteur 53, largeur 60 à 150, profondeur 14 à 18. Appareils à poser au sol : puissances absorbées allant de 1,25 à 9 kW pour 400/230 V de courant triphasé ou alternatif. Dimensions hauteur/largeur/profondeur en cm : appareils standard 67/60 à 150/25 à 36 ; petits appareils 48/100 à 123/25 ; grands appareils 85 à 91/85 à 105/36 ; appareils de cuisine 85/45 à 60/60. c) Appareils de chauffage à accumulation à aération. Type similaire au b), mais avec un échangeur de chaleur, un filtre et un raccordement à l’extérieur. L’air ambiant et l’air neuf passent dans l’échangeur. Si les besoins thermiques de la pièce dépassent la récupération de chaleur des rejets, l’appareil de chauffage à accumulation couvre le reste. Ce système est idéal pour les édifices avec des murs épais. On n’utilise pas ce système dans les garages, les entrepôts, les ateliers et bureaux d’usine présentant des risques d’incendies ou d’explosions, ni dans les pièces humides ; il faut prévoir un volume de protection pour les pièces comportant baignoire ou douche. Les échauffements de températures de surface suivantes sont normalisés : 70 K pour le mur de devant à l’exception de la sortie d’air, 60 K pour les murs latéraux, 60 K pour le mur arrière et 45 K pour la dalle de recouvrement. Le bruit de fonctionnement provoqué dans le ventilateur ne doit pas dépasser 35 dB (A). En raison de leur poids important, les habillages, les noyaux d’accumulation dans les pierres et les corps de chauffe sont fournis séparément ; ils s’assemblent sur le lieu de l’installation. Modèles spéciaux : modèle pour école : sortie d’air chaud en haut. Appareils à deux circuits selon les prescriptions de certains distributeurs d’énergie : puissance absorbée élevée la nuit, et basse le jour. Accessoires : habillages en céramique ou en pierre naturelle, panneaux de façades interchangeables dans différents motifs ; chauffages d’appoint utilisant du courant fourni durant la journée (radiateurs à tubes placés derrière la grille de sortie d’air pour équilibrer la température ambiante lorsque l’appareil n’est pas chargé) ; cales de protection pour les tapis à longs poils ; consoles murales et à pieds pour suspension au mur ou pour installation avant la pose de la chape en ciment. Dimensionnement : pour chaque modèle d’accumulateur, les fabricants offrent jusqu’à huit types d’habillages différents. Pour chaque type d’habillage, il existe entre trois et cinq modèles de corps de chauffe de puissances absorbées différentes. On détermine d’après des tableaux de fabricants le modèle i de corps de chauffe nécessaire et le type d’appareil, en fonction des besoins calorifiques normalisés Q N, i

y compris les besoins calorifiques de transmission internes Q Ti (déperditions thermiques par les éléments constituants à l’intérieur du même logement à la suite d’un fonctionnement restreint du chauffage), de la durée de mise sous tension et (d’utilisation) du chauffage et de l’utilisation prioritaire ou secondaire de la durée de mise sous tension complémentaire. Pour tous les appareils de chauffage à accumulation, le principe de la régulation de la charge et de la décharge est important. Régulation de la température ambiante. Le « fonctionnement en mode tout ou rien » fait apparaître des variations de température à peine perceptibles. Les régulateurs de vitesse électroniques modifient en permanence la vitesse de rotation du ventilateur et garantissent des températures constantes. En cas

504

2.2.1 Chauffages divisés

d’absence de régulation de charge, l’utilisateur détermine manuellement la charge (capacité thermique de consigne) sur le dispositif de réglage E6 de l’appareil de chauffage à accumulation. Et sinon : À l’aide de la régulation de charge d’après les normes DIN 44574-1 à DIN 44574-6. La mise en charge automatique s’effectue en fonction de la température extérieure et de la chaleur résiduelle, et le début de la charge est déterminé par le distributeur d’électricité qui envoie une impulsion sur un relais particulier. La durée de charge est généralement plus courte que celle de mise sous tension. La chronologie de la mise en charge ayant lieu pendant la durée de mise sous tension impose comme « caractéristique de charge » à l’entreprise de distribution d’électricité une régulation de charge montante, étalée ou descendante, en fonction de la région et des taux de charge. – Régulation montante : le début de la mise sous tension et celui de la charge sont identiques. – Régulation étalée : la durée de charge est étalée ou élargie de la moitié fictive de la durée de mise sous tension. – Régulation descendante : le début de la charge est à une heure précise, de sorte que la mise en charge soit terminée à la fin de la durée de mise sous tension. Emplacements Circuit électrique général de l’immeuble

Façade du bâtiment

Circuit électrique privatif d’appartement

Appareil de chauffage à accumulation RCh

Régulateur central éventuellement avec relais de temporisation

θ

Régulateur de groupe si nécessaire

RCh RCh RCh

Sonde extérieure

RCh Régulateur du distributeur d’électricité

Régulateur de groupe si nécessaire

Disjoncteur automatique

Vers d’autres régulateurs de groupe

RCh RCh Vers d’autres appareils de chauffage à accumulation

Fig. 2.2.1-45 : Schéma d’une régulation de charge selon la norme DIN 44574.

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Fréquence du réseau 50 Hz

D1

D2

1 période ≤ 15 s

Fig. 2.2.1-46 : Système de régulation de charge ; signal (80 %) du régulateur central pour les régulateurs thermomécaniques de charge. D1 = Durée de mise sous tension ; D2 = Durée de mise hors tension.

Dans le cas de températures extérieures basses, la mise en charge interfère avec les caractéristiques de charge. Mais les délestages sont dans ce cas plus importants. Les régulateurs de charge actuellement disponibles sur le marché ont recours à des microprocesseurs et sont dotés d’un grand nombre de fonctions. Composants (figure 2.2.1-45) : le système de régulation de charge comporte une sonde extérieure (capteur standard sur la façade du bâtiment), un régulateur central (figure 2.2.1-49) pouvant être doté le cas échéant d’un relais de temporisation, des régulateurs de groupe complémentaires pour les installations collectives et celles à plusieurs clients, et des régulateurs de charge dans tous les appareils de chauffage à accumulation. Mode de fonctionnement : le régulateur central reçoit la mesure de la sonde extérieure et transforme celle-ci en un signal électrique, qui peut d’ailleurs être temporisé ; ce signal est acheminé vers les régulateurs de charge via un câble de régulation de charge et éventuellement via des régulateurs de groupe. Les deux systèmes de signaux suivants sont normalisés : – courant alternatif pulsant de 230 V avec 80 % de durée de mise sous tension (figure 2.2.1-46) pour les régulateurs thermomécaniques de charge (utilisés par tous les fabricants) ; – courant continu inférieur ou égal à 24 V pour les régulateurs électroniques de charge (DIMPLEX). Régulateurs thermomécaniques de charge : comme le montre la figure 2.2.1-48, le courant alternatif pulsant s’exerce sur la résistance-pilote. Pour une durée de mise sous tension de 80 %, la substance

505

2 CHAUFFAGE

2.2 Systèmes de chauffage

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage

active (un liquide huileux contenu dans la sonde-pilote) se réchauffe tellement, que sa dilatation agit sur la double membrane et que celle-ci ouvre les commutateurs. Le coefficient de charge est donc de 0 %. Pour une durée de mise sous tension de 0 %, les commutateurs demeurent fermés, jusqu’à ce que la chaleur émise par les corps de chauffe agisse sur la sonde de température via le noyau accumulateur et l’isolation thermique, et que le liquide se dilate et ouvre les commutateurs. Le coefficient de charge est donc de 100 %, ce qui correspond à la pleine charge. On peut atteindre tout autre coefficient de charge en modifiant la durée de mise sous tension. Lors de la décharge et quand le chauffage de la sonde de commande est faible ou inexistant, les commutateurs se ferment, dans la mesure ou le dispositif de réglage E6 reste enclenché (figure 2.2.1-47). La saisie indirecte de la température du noyau résulte de la capacité de charge thermique limitée de la substance active. Régulateurs électroniques de charge : ces régulateurs comparent le signal émis en tension continue avec d’une part la capacité thermique, à l’aide d’un thermocouple placé dans ou sur le noyau d’accumulation, et d’autre part la valeur affichée par le dispositif de réglage E6. Leur grandeur de sortie de 230 V CA agit sur une protection thermique, qui enclenche les corps de chauffe avec un certain retard. Les régulateurs électroniques de charge sont utilisés également pour les chauffages par le sol directs et à accumulation, ainsi que pour toutes les installations de chauffage central électrique à accumulation. L’intensité du signal émis en tension continue varie ensuite d’un modèle à l’autre. Le tableau 2.2.1-3 présente une description du dispositif de réglage. Valeur Organe de réglage de charge sur le régulateur de consigne central Signal tension Signal tension Température alternative continue extérieure θa θK D1 par ex.

(θi – 4K)

début de charge

par ex.

θ′a ou θa,gr

fin de charge

Température du noyau θK

*) seulement pour les appareils de chauffage à accumulation DIMPLEX avec régulateurs de charge électroniques.

Fig. 2.2.1-47 : Système de régulation de charge ; grandeurs d’influence et signaux pour le coefficient de charge de consigne (capacité thermique) des appareils de chauffage à accumulation, pour les caractéristiques de charge montante ou bien de charge étalée ou descendante au début du ralenti (dispositif de réglage E3).

Corps de chauffe avec noyaux d’accumulation

Circuit de charge

Sonde de noyau Limiteur de température de sécurité Résistance-pilote

θ

Sonde-pilote

θ

Signaux du circuit de régulation de charge Organe de réglage E6 de la charge maximale Capsule sous pression à double membrane Organe de réglage de la température ambiante

Circuit de décharge Ventilateur Régulateur intégré de température ambiante ou de vitesse, selon le cas

Fig. 2.2.1-48 : Système de régulation de charge ; schéma d’un régulateur thermomécanique dans un appareil de chauffage à accumulation avec dégagement de chaleur réglable.

506

Quantité de chaleur – 20 à + 30 % C C « nuit »

Quantité de chaleur – 20 à + 30 % C C « jour »

E7

E8

RT

RCh* RCh* RCh* RCh*

RCh RCh* RCh*

par ex. 620 ºC 425 à 725 ºC 80 à 120 ºC

env. 120 ºC 75 à 120 ºC 20 à 50 ºC + 20 ºC

GSG

– 30 à + 10 % CC

RT*)

RT*

ACA ACCS ACE CS

CS

CS

ACA ACCS ACE

ACA

Autres dispositifs de réglages non normalisés pour les fonctions complémentaires (valeur nominale du relais de temporisation, somme de la durée de mise sous tension et de celle de mise sous tension complémentaire, programme été, ralenti week–end, etc.)

Touche pour la synchronisation de la durée

0 % CC – réglage d’usine (température du socle) 0 % CC – recommandé par le fabricant – selon le type de consommation de chaleur 0 % CC – température de retour du système de chauffage 0 % CC – réglage d’usine

Selon les besoins de l’utilisateur

Selon les besoins de l’utilisateur

0 à 100 % CC – réglable par l’utilisateur 100 % CC – réglage d’usine ou recommandé 100 % CC – réglage d’usine ou recommandé Température maximale de charge

Réglage selon les besoins de l’utilisateur

Précisé par l’entreprise de distribution d’électricité. Moment fictif, calculé dès le début de la durée de mise sous tension, à partir duquel la décharge de l’appareil de chauffage à accumulation est effective (0 % CC)

E3 = tF – 1 h Détermination de la caractéristique de charge Déduction seulement dans le cas d’un appareil de chauffage à accumulation du fait de la compensation temporelle résultant de la saisie de la température moyenne du noyau

ACA/ACCS ACE/CS ACA/ACCS

E2 = θi – 4 K environ Compensation de température au niveau de la sonde extérieure

ACA/ACCS ACE/CS

tF ⋅ (θ i − θ a′ ) tF + tZF

E1 = θ i −

Explications

ACA/ACCS/ ACE/CS

Utilisé dans les appareils suivants

CHAUFFAGE

*) = non accessible pour l’utilisateur ; θa′= température extérieure selon la norme DIN 4701 ; θi = température intérieure normalisée ; RCh = régulateur de charge ; CS = chauffage par le sol ; ACCS = accumulateur central à combustible solide ; ACA = appareil de chauffage à accumulation ; CC = coefficient de charge ; ACE = accumulateur central à eau ; RC régulateur central ; RT = relais de temporisation.

EX

Durée de fonctionnement

Capacité thermique max.

E6

tZ

Relance

E5

Capacité thermique min.

RCh

22 à 30 h

Heure de fin de charge

E4

E9

RCh

4à9h

Début du ralenti

RC

E3

+ 12 à + 20 ºC

Début de charge

RC*

Intégré dans

E2

– 20 à +5 ºC

Plage de réglage

Pleine charge

Consigne correspondante

E1

Dispositif de réglage

Tableau 2.2.1-3 – Système de régulation de charge – Dispositifs de réglage

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2.2 Systèmes de chauffage 2.2.1 Chauffages divisés

2

507

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage

Fig. 2.2.1-49 : Système de régulation de charge ; régulateur central avec relais de temporisation intégré pour les appareils de chauffage à accumulation (Siemens).

Le chauffage à accumulation présente les avantages suivants : absence de cheminée, de normes de construction, de stockage de combustible, de chaufferie, pas de cendres, mise en température rapide, possibilités d’économies d’énergie, état de service permanent, calcul simplifié des frais de chauffage, règlement direct du locataire au distributeur d’électricité. On note les inconvénients suivants : masse importante des appareils (jusqu’à 40 kg par kW de puissance absorbée), encombrement supérieur, carbonisation des poussières du fait de la température de sortie d’air élevée, bruit du ventilateur (faible), autorisation limitée par le distributeur d’électricité. Les appareils de chauffage à accumulation ont gagné de l’importance pour le chauffage des pièces de séjour, en particulier pour la modernisation des anciens édifices, car ils sont utilisés de plus en plus la nuit par certaines entreprises de distribution d’électricité du fait de la meilleure exploitation des centrales électriques et des lignes. En Allemagne, en 1996, on comptait 2,6 millions d’appareils de chauffage à accumulation en fonctionnement, dont 90 % chez des particuliers. Le coût d’investissement se situe environ entre 400 et 500 € par kW de puissance absorbée (pour une durée de mise sous tension de 8 + 2 heures). Environ 400 € de cette somme concerne le système de régulation de charge et il faut compter 100 à 150 €/kW pour les frais d’installation électrique. La puissance absorbée dans les immeubles se situe approximativement entre 0,16 et 0,25 kW/m 2, dans la mesure où aucune durée de mise sous tension complémentaire n’est accordée. -7.3.2 Chauffage à accumulation par le sol1 1

Le chauffage à accumulation par le sol d’après les normes DIN 44576-1 à DIN 44576-4 consiste en une masse accumulatrice de chaleur, un chauffage d’appoint et des dispositifs de commande et de réglage. Ce i type de chauffage couvre les besoins calorifiques normalisés Q N* . Il s’agit des besoins thermiques normai i lisés Q N selon la norme DIN 4701, déduction faite des besoins calorifiques de transmission du sol Q F : i

i

i

Q N* = Q N – Q F Si la pièce située au-dessus est également équipée d’un chauffage à accumulation par le sol, on déduit i également les besoins thermiques de transmission du plafond Q D. La durée de mise sous tension normale plus la durée complémentaire pour charger l’accumulateur de chaleur ne dépassent pas 16 h. La masse accumulatrice de chaleur est chauffée par des câbles chauffants intégrés lors de la durée de mise sous tension (la nuit) et de la durée de mise sous tension complémentaire d’au moins 2 heures (l’après-midi). Dès la période de mise en charge, la décharge commence via le rayonnement thermique. Le dégagement de chaleur n’est pas constant, il est décroissant. C’est pourquoi la mise en charge de la masse accumulatrice de chaleur doit avoir lieu immédiatement avant ou pendant la période d’utilisation. Pour stabiliser la température ambiante dans les pièces de séjour, un chauffage d’appoint capable de réagir rapidement est nécessaire, pour couvrir au moins 20 % des besoins calorifii ques normalisés Q N* (par exemple chauffage de la zone périphérique, convecteurs encastrés dans le sol ou muraux, ou autres). La consommation d’énergie du chauffage d’appoint n’est pas limitée en termes de durée d’utilisation. Un régulateur de température ambiante enclenche le chauffage d’appoint. Il existe deux modes de pose : la pose sèche (peu fréquente) et la pose humide. Dans le cas d’une pose humide, la structure est la suivante (figure 2.2.1-50) : une couche porteuse (par exemple plafond), si nécessaire un pare-vapeur, une isolation thermique et une isolation contre les bruits solidiens. Par dessus, on utilise les éléments suivants : – Des films chauffants en feuilles de polyester couvertes d’une couche de noir de carbone (figure 2.2.1-41) : éléments chauffants dotés d’une résistance à chaud de 70 ºC, revêtement (feuilles de PE), sonde de température au sol, dalle chauffante avec revêtement de sol. 1. Notices de la BVF (association allemande de chauffage de surface) nº1, 2, 3, 6 et 9 – également sur www.flaechenheizung.de.

508

2.2.1 Chauffages divisés

– Des films chauffants en fibres textiles, insérés en méandres dans les câbles chauffants isolés de la base : revêtement, dalle chauffante avec sondes de température au sol, mastic, éléments chauffants plats, mastic, revêtement de sol. – Des nappes chauffantes : revêtement, couche inférieure de la dalle chauffante (environ la moitié de l’épaisseur totale), sondes de température au sol, nappes chauffantes tubulaires (résistance à chaud de 150 ºC) ou nappes chauffantes (90 ºC), couche supérieure de la chape et revêtement de sol. Les nappes chauffantes peuvent aussi être placées sur le revêtement, et doivent alors pouvoir résister à une température de 100 ºC. Les nappes chauffantes tubulaires sont des tubes en forme de U, en plastique ou en acier spécial, qui renferment des câbles chauffants interchangeables, isolés au silicone. Les extrémités des tubes se situent dans un canal de soubassement (au niveau d’un mur) et y sont reliés à l’installation électrique. Les nappes chauffantes (figure 2.2.1-51) sont des câbles chauffants fixés mécaniquement sur le treillis de maintien selon la norme DIN VDE 0253. La structure de la conduite est la suivante : tresses de conducteurs chauffants avec gaine isolante, et si nécessaire gaine de conducteurs, treillis de fils de cuivre ou gaine métallique, et gaine en PVC. Dalle chauffante

Couche de désolidarisation

Pare-vapeur

Isolant thermique

Moquette

Parquet

Câbles chauffants noyés dans la dalle

Câbles chauffants sous la dalle ou sur le revêtement

Plafond au-dessus de la cave

Carrelage en céramique

Film chauffant sous le revêtement Plafond au-dessus de la cave ou sur l’isolant thermique Plafond entre les pièces chauffées

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Fig. 2.2.1-50 : Chauffage par le sol ; différentes configurations du plancher.

Fig. 2.2.1-51 : Nappe chauffante pour chauffage au sol ; câble chauffant avec gaine d’acier ondulé selon la norme DIN VDE 0253 ; type NH6Y4GW (photo Thermo System Technik).

Les câbles chauffants se trouvent à l’intérieur de la nappe chauffante sur des points de fixation (connecteurs) reliés aux liaisons froides. Ces dernières doivent arriver à la boîte de jonction de l’installation électrique. Formes disponibles : il existe une grande variété de types de câbles chauffants, avec des largeurs allant de 0,5 à 2 m, des longueurs de 1 à 20 m, des distances entre les câbles de 5 à 12 cm, un branchement mono ou bilatéral avec les liaisons froides, chacun de 3 à 5 m de long et une tension admissible pouvant atteindre 400 V. La puissance absorbée ne doit pas dépasser 15 W/m. Isolation thermique. Résistance à chaud de : – la couche inférieure : 70 ºC – la couche supérieure : 80 ºC lors de l’utilisation de films chauffants selon la norme DIN VDE 0700-96 85 ºC lors de l’utilisation de nappes chauffantes dans la dalle chauffante, à peu près centrées 90 ºC lors de l’utilisation de nappes chauffantes placées sous la dalle chauffante ou sur le revêtement. L’épaisseur du revêtement isolant au niveau des plafonds entre les pièces chauffées est supérieure ou égale à 40 mm pour λ = 0,04 W/m · K, sinon elle doit respecter les textes réglementaires relatifs aux

509

2 CHAUFFAGE

2.2 Systèmes de chauffage

2.2 Systèmes de chauffage

2.2.1 Chauffages divisés

économies d’énergie. La dalle chauffante est une chape de ciment flottante qui répond à la norme DIN 18560-2 ; la granulation est inférieure ou égale à 7 mm. Les chapes d’anhydrite ainsi que les chapes liquides sont inadaptées, car pour des températures de câbles chauffants supérieures à 55 ºC, on observe une formation d’eau. Il est recommandé d’effectuer un accrochage sur un treillis métallique (grille de chape) de 50 × 50 × 2 mm, afin de réduire le risque de fendillement et de chevauchement. Les restrictions concernant les dimensions de la chape sont les suivantes : surface ≤ 40 m2, rapport des côtés < 1:2, longueur latérale ≤ 8 m. Il convient d’éviter les surfaces fortement décalées. La masse accumulatrice de chaleur consiste en une dalle chauffante et un revêtement minéral. L’épaisseur de la masse accumulatrice de chaleur, entre 6 et 14 cm, dépend de la durée de relance complémentaire tZF, du revêtement du sol et de la masse accumulatrice surfacique m de la surface de la pièce Aa. Le dimensionnement s’effectue selon la figure 2.2.1-52. i Exemple : soient des besoins thermiques surfaciques q N* = 70 W/m2, une durée de la période d’heures creuses complémentaire tZF = 2 h, une épaisseur de la moquette > 6 mm, et une masse accumulatrice surfacique de 500 kg/m3. Résultat selon la figure 2.2.1-52 : l’épaisseur de la masse accumulatrice de chaleur est δ = 9 cm. Durée de mise sous tension complémentaire

Besoins thermiques surfaciques • q N* en W/m2 Épaisseur de la dalle chauffante en cm

Revêtement de sol

Masse accumulatrice m surfacique ΣAa en kg/m2

Moquette > 6 mm Moquette < 6 mm Feutre PVC PVC Céramique ou pierre

Fig. 2.2.1-52 : Chauffage à accumulation par le sol ; diagramme de détermination de l’épaisseur de la dalle chauffante.

Des joints de dilatation doivent être placés autour de chaque panneau de chape, sur les murs, les piliers et les portes ; le tracé est vertical rectiligne et continu, de 5 à 10 mm de large. Des joints durablement élastiques assurent l’étanchéité. Les câbles chauffants et les armatures ne doivent pas croiser les joints de dilatation. Sécurité électrique. Protection contre les courants de choc : catégories de protection I, II et III admissibles dans les pièces sèches. Pour les pièces équipées d’une baignoire ou d’une douche et les zones de piscines et de propriétés agricoles, la catégorie de protection I est admissible, mais les gaines métalliques des câbles chauffants et des liaisons froides doivent être liées à la compensation de potentiel supplémentaire ; la catégorie de protection II est également admissible lorsqu’on place sur les câbles chauffants une armature liée à la compensation de potentiel supplémentaire. Le fonctionnement s’effectue avec interrupteur de protection contre les courants de court-circuit JΔN ≤ 30 mA. Détail des catégories de protection : I – Câbles chauffants avec tresse de protection, par exemple le type NH6Y4GW. Fonctionnement avec interrupteur de protection requis contre les courants de court-circuit. II – Câbles chauffants à double isolation (isolation de base et isolation complémentaire), par exemple le type NH6YMY. III– Tous les câbles chauffants fonctionnant sous une basse tension de protection ou de fonctionnement (< 50 V CA) et une protection supplémentaire contre le contact direct. Peu fréquent, car des courants à haute tension nécessitent une section importante de résistance CTP de chauffage. La protection par fusibles s’effectue uniquement avec un disjoncteur de protection de circuit (coupecircuit automatique). Plan de pose. Pour les chauffages au sol, il convient d’établir des plans de pose (figure 2.2.1-43), comportant les éléments suivants : absorption et répartition des cycles calorifiques, situation des surfaces couvertes individuelles (zones périphériques, zones normalement thermiques et zones susceptibles d’accueillir des meubles), boîtes de jonction, appareils de réglage, contrôleurs de température au sol, sondes extérieures et sonde de température au sol avec affichage des mesures, éléments de chauffe avec direction de pose des câbles chauffants, leur tension de dimensionnement, leur puissance absorbée surfacique et leur puissance nominale ainsi que l’emplacement des joints de dilatation. Le plan de pose doit être remis au maître d’ouvrage et à l’utilisateur. Il permet, en cas de perturbation, de localiser rapidement les défauts. La surface couverte se divise de la manière suivante :

510

2.2.1 Chauffages divisés

Température du sol

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– La zone susceptible d’accueillir des meubles ; pour l’installation de meubles, correspondant à une bande non chauffée d’environ 60 cm de large le long des murs intérieurs. – La zone périphérique ; uniquement dans la mesure où la puissance thermique supplémentaire n’est pas couverte par ailleurs. La surface chauffée possède une température au sol supérieure ou égale à 35 ºC. Cette surface correspond à une bande de 0,5 à 1 m de large le long des murs extérieurs comportant des fenêtres. Dans la dalle chauffante, inséré tout en haut, du fait de la disponibilité rapide de la chaleur, se trouve un deuxième niveau de nappe chauffante, enclenché par un régulateur de température ambiante. Pendant le fonctionnement du chauffage de la zone périphérique, il faut bloquer les nappes chauffantes du dessous dans le chauffage à accumulation ou bien ne pas en prévoir d’emblée. La puissance absorbée surfacique maximale doit être inférieure ou égale à 250 W/m2, la puissance thermique surfacique étant alors inférieure ou égale à 172 W/m 2. Il faut éviter de recouvrir le chauffage des zones périphériques avec des meubles, des housses, des tapis ou autres, ce qui pourrait entraîner des surchauffes locales voire éventuellement la destruction des câbles chauffants. – La zone normalement occupée, qui correspond à la surface restante. La puissance absorbée surfacique maximale (tableau 2.2.1-4) dépend des besoins thermiques surfaciques, de l’écart de température par rapport à la pièce du dessous, de l’isolation thermique de la couche porteuse (par exemple un plafond) ainsi que de la durée de mise sous tension normale et complémentaire. La densité de flux thermique vers le bas (pièce, cave, extérieur) correspond généralement à 10 à 15 % de la puissance thermique cédée au local à chauffer. La puissance thermique surfacique moyenne est d’environ 70 W/m2. Lors de la durée d’utilisation du local, la température du sol ne doit être supérieure de plus de 6,5 K à la température ambiante normalisée (figure 2.2.1-53). Exemple. Soient les conditions suivantes : durée de mise sous tension tF = 8 h et durée de mise sous tension complémentaire tZF = 2 h, soit un total de 10 h. Épaisseur du matériau isolant δ = 8 cm (à deux couches, laine de roche et mousse de particules de polystyrène/polystyrène expansé) ; écart de température ambiante entre la pièce chauffée par le sol et celle située juste en dessous ( θi – θi’) = 15 K (aui dessus du sous-sol). Besoins thermiques surfaciques q N* = 70 W/m2. Le tableau 2.2.1-4 indique qu’il faut choisir des nappes chauffantes dont la puissance absorbée surfacique maximale est de 164 W/m 2. Limitation de température en cas de défaillance : dans la zone périphérique, elle s’effectue via le limiteur de température électronique ou thermomécanique, avec un réglage ≤ 60 ºC, et une sonde de température au sol placée au point d’intersection des diagonales de surface. Dans la zone normalement occupée, elle s’effectue par le contrôle de la durée de mise sous tension au moyen d’un relais de temporisation principal. Régulation de la charge : il est nécessaire de prévoir des sondes extérieures sur les façades nord des édifices, ainsi qu’un régulateur central avec relais de temporisation, un relais de temporisation principal, des régulateurs électroniques de charge équipés de sondes de température au sol noyées dans la dalle chauffante ou bien introduites dans des tubes isolants et ainsi interchangeables, tel que l’explique le paragraphe 2.2.1-7.3.1 page 502. Les appareils se trouvent près de sécurités et de protections dans le tableau de distribution du circuit. Un tableau électrique peut contenir jusqu’à quatre régulateurs de charge.

heures Mise sous tension heures creuses

Relance complémentaire

Fig. 2.2.1-53 : Chauffage à accumulation par le sol ; évolution type de la température au sol.

Durée d’utilisation

La mise en place des éléments de chauffage s’effectue avant ou pendant la pose de la chape. Il convient de respecter la norme DIN VDE 0100-753. L’électricien dispose les câbles chauffants, dissimule les recouvrements, les écartements et les croisements, surveille les travaux de pose de la chape, effectue des mesures préliminaires, pendant et après la pose de la chape, sur les résistances d’isolement et celles des circuits de tous les éléments de chauffage ; il établit alors un compte-rendu des résultats. Résistance d’isolement ≥ 1 000 Ohm par volt de tension de régime. Veillez à ne pas risquer d’endommager les câbles chauffants. N’utilisez ni outils à angles vifs, ni tabouret/escabeau (les pieds pourraient endommager les câbles chauffants ou appuyer sur l’isolation thermique, ce qui pourrait entraîner une destruction par surchauffe). Ne posez que légèrement les brouettes et auges à ciment. Placez les panneaux de distribution de sorte qu’ils soient accessibles. Une pose minutieuse des câbles chauffants leur garantit une longévité de nombreuses décennies.

511

2 CHAUFFAGE

2.2 Systèmes de chauffage

512 Durée totale de mise sous tension (tF + tZF)

Épaisseur de l’isolation thermique sous la dalle chauffante 10,5 cm ku = 0,35 W/m2 · K Ru = 2,85 m2 · K/W

Durée totale de mise sous tension (tF + tZF)

Épaisseur de l’isolation thermique sous la dalle chauffante 15 cm ku = 0,25 W/m2 · K Ru = 4,00 m2 · K/W

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180

180

180

180

180

5K

10 K

15 K

20 K

30 K

36 K

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115

115

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100

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109

*)θi = température intérieure normalisée de la pièce chauffée par le sol ; θi′ = température ambiante de la pièce du dessous.

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10 h 12 h 14 h 16 h 18 h 24 h 10 h 12 h 14 h 16 h 18 h 24 h 10 h 12 h 14 h 16 h 18 h 24 h 10 h 12 h 14 h 16 h 18 h 24 h

Durée totale de mise sous tension (tF + tZF)

Durée totale de mise sous tension (tF + tZF)

0K

Écart de température θi – θi’

Épaisseur de l’isolation thermique sous la dalle chauffante 8 cm ku = 0,45 W/m2 · K Ru = 2,22 m2 · K/W

Épaisseur de l’isolation thermique sous la dalle chauffante 4 cm ku = 0,80 W/m2 · K Ru = 1,25 m2 · K/W

Tableau 2.2.1-4 – Chauffage par le sol ; la puissance absorbée surfacique maximale en W/m2 est fonction de l’épaisseur de l’isolation thermique (pour λ = 0,04 W/m · K), de la somme des durées de mise sous tension (tF + tZF) et de l’écart de températures ambiantes θi – θi′*). Les valeurs du tableau sont basées sur une puissance thermique surfacique utile de 70 W/m2.

2.2 Systèmes de chauffage 2.2.1 Chauffages divisés

2.2.1 Chauffages divisés

Mise en service. Une fois la dalle chauffante sèche, mettez en service l’installation en n’augmentant la température du sol que de 5 K par jour. Pour poser le revêtement de sol (textile, parquet, grès, céramique), éteignez l’installation ou laissez-la sur 18 ºC. Ensuite, selon les indications du fabricant du revêtement de sol, augmentez la température au sol de 5 K par jour jusqu’à la valeur conforme à la réglementation. Les avantages sont les suivants : absence de cheminée, pas de chaufferie en sous-sol, pas de produits de combustion, achat et frais de fonctionnement bon marché, encombrement minime, pas ou peu de frais d’entretien, pas de stockage de combustibles, calcul simple de la consommation d’énergie. Au titre des inconvénients, on peut citer : capacité d’adaptation restreinte, grande inertie du chauffage de base, chauffage d’appoint électrique nécessaire et fonctionnant au prix fort du kWh, construction du plancher plus haute, fonctionnement dépendant de l’entreprise de distribution d’électricité. Frais : les frais d’installation se situent environ entre 60 et 70 €/m2 avec l’ensemble de l’installation électrique, sans le revêtement de sol. Frais d’exploitation : Pour 1 500 heures de fonctionnement à pleine charge à l’année et un prix de l’électricité de 0,07 €//kWh TTC, on compte alors au mètre carré des frais annuels de : 1500 h/a · 0,07 €/kWh · 0,07 kW/m2 = 7,35 €/m2 · a. -7.3.3 Installations de chauffage central électrique à accumulation

Voir les paragraphes suivants, pour les fluides accumulateurs et les matériaux : Eau Eau 2.3.1-2.6.1 page 672 Matière solide Eau 2.3.1-2.6.2 page 673 Matière solide Air 2.3.1-2.6.4 page 674

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Poêles à fioul1

© Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.

1

L’utilisation des poêles à fioul s’était considérablement développée chez nous à l’époque du prix bas du pétrole. Ce type de poêle présente incontestablement des avantages très nets par rapport aux poêles chauffés au coke et au charbon, en particulier la propreté, de faibles frais d’exploitation, une mise en température rapide, une bonne capacité de régulation et un faible encombrement du stockage de combustible. La construction et l’installation des poêles à fioul doivent tenir compte des normes suivantes : 1. DIN EN 1:1998-07 : Poêles à fioul avec brûleur à gazéification ; terminologie, construction, puissance, qualité et essais. 2. DIN 4731:1989-07 : Inserts chauffants à fioul avec brûleur à gazéification ; exigences, essais, marquage. 3. DIN 4736-1:1991-04 et DIN 4736-2:1994-01 : Installations d’alimentation en fioul pour brûleurs à fioul. 4. DIN 18160-1:1987-02 : Cheminées de maison. 5. Décret type sur le chauffage de janvier 1980. L’installation d’un poêle à fioul doit être signalée aux autorités compétentes dans tous les Länder de la République fédérale d’Allemagne. Le volume minimal pour l’installation du poêle est de 4 m 3 par kW de puissance thermique. La figure 2.2.1-54 présente le mode de fonctionnement général de ce type de poêle. Le fioul, provenant d’une réserve située généralement à côté du poêle ou alors à l’intérieur de celui-ci, traverse d’abord un réservoir à flotteur, qui maintient constant le niveau de fioul. Le fioul sort de ce réservoir, traverse une soupape de réglage et atteint le brûleur à gazéification, dans lequel il brûle. L’évacuation des produits de combustion s’effectue vers le haut dans la chambre de combustion et à partir de là dans le conduit d’évacuation et vers la cheminée.

Éléments du poêle à fioul : Un brûleur à gazéification est généralement un réservoir en forme de pot en tôle d’acier réfractaire, percé de nombreux trous tout autour pour laisser passer l’air, et d’un diamètre compris entre 100 et 300 mm. Des couronnes servent à stabiliser les flammes. En dehors de ce type de brûleur, il existe également des brûleurs à coupelle et à étages. Il est nécessaire de les nettoyer régulièrement. Les régulateurs de fioul maintiennent le niveau de fioul constant, règlent la puissance thermique et empêchent un fonctionnement de type noyé 2. La figure 2.2.1-55 représente un exemple. Le régulateur comporte deux flotteurs : le flotteur principal et le flotteur de sécurité. Le premier maintient le niveau constant, et le second empêche le fioul de déborder en verrouillant l’arrivée de fioul. Le régulateur de fioul comporte une soupape de réglage manuelle avec un bouton pour régler la puissance thermique. La norme DIN 4737:1987-06 concerne la réglementation sur la construction, la puissance et les qualités des régulateurs de fioul. 1. Michaelis, F. : SBZ 14/75. pages 852/3. 2. Bauder, W. : Öl + Gas und Feuerungstechn. 3/1973. 3 p.

513

2 CHAUFFAGE

2.2 Systèmes de chauffage

2.2.1 Chauffages divisés

2.2 Systèmes de chauffage

Les vapeurs de fioul s’élèvent dans la chambre de combustion, brûlent et cèdent ainsi leur chaleur vers les parois. L’air ambiant se chauffe au contact de la surface des parois et circule vers le haut. L’émission de chaleur s’effectue principalement par convection. Bouton de réglage de débit Couvercle Jaquette

Conduit d’évacuation des produits de combustion

Robinet de réglage manuel Res- Flotteur sort Flotteur de sécurité

Déflecteur

Enveloppe chauffante Flamme de fioul Couronne supérieure Couronne inférieure Brûleur à gazéification

Réservoir de fioul Régulateur à flotteur Fioul

Fig. 2.2.1-54 : Schéma d’un poêle à fioul doté d’un brûleur à gazéification.

Air

Fioul

Fig. 2.2.1-55 : Régulateur à double flotteur.

Le réservoir, qui renferme environ 10 à 15 l, est soit fixé derrière le poêle, soit placé dans l’habillage de celui-ci. Jauge, dispositif de vidange, cuvette de rétention de fioul > 1 dm 3. Il est possible d’utiliser un réservoir commun pour plusieurs poêles. On peut également alimenter les poêles à partir d’une arrivée centrale de fioul, venant d’un réservoir central situé en sous-sol. Dans ce cas, l’alimentation en fioul requiert une pompe. La contenance du réservoir, selon l’agencement du local de stockage, peut atteindre 5 000 l. Dans un logement, on n’est autorisé à stocker que 100 l au maximum dans les réservoirs fixes. Les règlements de sécurité de construction des Länder et certaines normes DIN 1 réglementent les exigences concernant les canalisations, les réservoirs et leur réalisation. Le tirage nécessaire se situe environ entre 10 et 20 Pa selon la puissance nominale. Tous les brûleurs à gazéification sont très sensibles aux mouvements d’air. Il faut ainsi éviter non seulement un tirage trop important mais aussi un tirage trop faible de la cheminée. Le réglage du tirage s’effectue à l’aide d’un volet d’air secondaire ou sur l’admission d’air comburant. Cette dernière méthode est préférable. Mais le mieux est d’utiliser des petits ventilateurs, qui amènent l’air comburant de manière forcée. La qualité de la combustion est alors indépendante du tirage de la cheminée. La flamme peut également brûler horizontalement (figure 2.2.1-56).

Ventilateur hélicoïdal

Fig. 2.2.1-56 : Brûleur à gazéification avec ventilateur hélicoïdal ; a) ventilateur en dessous du brûleur, b) ventilateur du brûleur en position latérale

Seuls des fiouls à bas point d’ébullition peuvent être utilisés comme combustible, et dont la viscosité ne dépasse pas 6 mm2/s ; en particulier : Pétrole Limite d’ébullition 180 à 250 ºC* Gazole Limite d’ébullition 180 à 300 ºC* Fioul domestique Limite d’ébullition 180 à 360 ºC* (classe de risque III) * non autorisé en Allemagne, car il appartient à la classe de risque II. Les fiouls ne doivent pas contenir d’impuretés. Résidu de carbone Conradson