Bâtiment
Le système conçu est destiné à couvrir non seulement le besoin en eau chaude de la salle de bains et de la cuisine, mais aussi celui du chauffage d’espace.
Tous les systèmes de chauffage modernes permettent de régler manuellement la température désirée. La consommation d’énergie du système dépend de ce paramètre.
Par exemple, à une température extérieure de -10°C, la température aller doit être de 45°C. Le niveau de température du fluide caloporteur qui revient du système est inférieur de 15°C à celui qui sort du réservoir. Plus la température extérieure est proche de la température limite, plus la différence entre les températures aller et de retour est faible.
L’icône du bâtiment désigne les pièces chauffées (surface habitable à chauffer y compris les murs) ou les pièces non chauffées (telles que les garages, les caves, les pièces en sous-sol où le système de chauffage peut être installé) ou les deux. Cela permet d’estimer la consommation réelle avec une plus grande précision.
Les espaces non chauffés peuvent être activés dans la boîte de dialogue du bâtiment, comme le montre la Figure 80. La température de la partie non chauffée peut être choisie comme une constante ou comme une plage de température comprise entre la température la plus basse et la plus haute de l’année. Le mois où la température extérieure est la plus élevée doit être choisi en fonction du site du système.
Espace chauffé
En fonction de la complexité de votre modèle, Polysun vous propose deux modèles de simulation : dynamique et simplifié.
Modèles dynamiques
Le besoin thermique dynamique du bâtiment est intégré dans l’algorithme de simulation et peut être dérivé en observant l’équation du bilan énergétique du chauffage/refroidissement – présentée ici sous une forme simplifiée :
\(HG – HL = MCp \cdot \frac{\Delta T}{\Delta t}\)
HG = Rendement thermique
HL = Perte thermique
MCp = Capacité thermique
\(\Delta T\) = Changement de température par intervalle dans le bâtiment
\(\Delta t\) = Intervalle
Cette équation prend en compte les rendements thermiques passifs du soleil, la chaleur corporelle des personnes vivant dans le bâtiment, le taux de renouvellement de l’air, le type d’éclairage et enfin les appareils électriques présents. Le rapport fenêtre/mur (« Window-to-wall-ratio » en anglais) permet également de prendre en compte l’influence du type de vitrage utilisé. Selon les fenêtres utilisées, cela peut se refléter dans la valeur SHGC (Solar Heat Gain Coefficient).
En conséquence, le rendement énergétique est calculé comme suit :
\(HG = (G \cdot SHGC \cdot WWR) + HGpeople + HGlight + HGequipment + Gsys\) [W]
G: Rayonnement solaire total sur le mur [W]
SHGC: Solar Heat Gain Coefficient ou coefficient de gain de chaleur solaire, la valeur dépend du type de fenêtre utilisé [-]
WWR: Rapport surface de fenêtre/mur [-]
HGpeople: Gain de chaleur provenant de la chaleur corporelle des personnes vivant dans le bâtiment [W]
HGlight: Gain de chaleur dû à l’éclairage du bâtiment [W]
HGequipment: Gain de chaleur dû au fonctionnement des appareils électriques [W]
Gsys: Gain de chaleur/extraction de chaleur par le système de chauffage/refroidissement (une valeur négative dans la période de refroidissement) [W]
\(HL = HLtransmission + HLventilation + HLinf\ iltratio\) [W]
\(HLtransmission = UA(T_{in} – T_{out})\) [W]
Où U représente le coefficient de transfert thermique total du bâtiment, A la surface totale de l’enveloppe du bâtiment, la température intérieure et la température extérieure.
\(HLventilation = \left( \dot{V} \cdot \rho \cdot Cp \right)freshair \cdot (T_{in} – T_{out})\) [W]
Ici, et représentent le débit journalier, la densité et la capacité thermique spécifique de l’air frais qui est introduit dans le bâtiment par le système de ventilation.
\(\dot{V}freshair = \frac{V \cdot ACHventilation}{3600}\) [m3/s]
V: Espace clos total ventilé par le ventilateur [m3]
ACHventilation: Nombre de recirculations d’air par le système de ventilation [1/h]
\(HLinfiltration = \left( \dot{V} \cdot \rho \cdot Cp \right)inf\ iltration \cdot (T_{in} – T_{out})\)
\(\dot{V}inf\ iltration = \frac{V \cdot ACH\inf\ iltration}{3600}\) [m3/s]
ACHinfiltration: Nombre de circulations d’air dues à l’infiltration.
Pendant la période de refroidissement HLtransmission, HLventilation, et HLinf itration ont une valeur négative dans chaque cas.
Lorsqu’on spécifie une ventilation réglée, le taux de renouvellement de l’air indique combien de fois par heure l’air total est renouvelé. La quantité de chaleur qui peut être récupérée au moyen d’un échangeur de chaleur air/air est généralement d’environ 50 %. Cette valeur peut également être saisie dans Polysun (dans le paramètre Efficacité de la récupération thermique). En outre, l’obscurissement automatique (par exemple par des stores ou des auvents) est également pris en compte : Si la température extérieure dépasse la valeur saisie dans la température d’obscurissement, le rayonnement est réduit de 90 %.
Le modèle de bâtiment spécifique à Polysun peut en outre être adapté de manière extensive et individuelle. Si les charges de chauffage spécifiques sont inconnues, le bâtiment est défini selon des dimensions standard modifiables et par une variété de types de bâtiments sélectionnables dans un catalogue (qui représentent à leur tour de nombreux types de maisons standard internationales). Toutefois, si vous modifiez un paramètre d’un bâtiment que vous avez sélectionné dans le catalogue, notez que vous modifiez la valeur de U en conséquence. La valeur U concerne le bâtiment entier, y compris les portes et les fenêtres. L’avantage du modèle de bâtiment est que les possibilités d’individualisation du plan sont plus nombreuses et qu’il est possible de loger plusieurs circuits de chauffage dans un même bâtiment.
Si le système ne dispose pas de suffisamment d’énergie de chauffage pour plus de six heures, un avertissement de déficit énergétique apparaît à la fin de la simulation.
Un bâtiment peut également être défini soit sur la base du besoin en énergie connu, soit sur la base de la consommation annuelle d’énergie (modèle de bâtiment dit simplifié). Pour ce faire, saisissez « Oui » dans la question « Consommation d’énergie connue ». Dans ce cas, on utilise l’un des modèles de bâtiment simplifiés.
Modèles simplifiés
- Le modèle quasi-dynamique prend en compte les propriétés dynamiques du bâtiment (comme le rendement solaire) même si les valeurs de consommation statiques sont spécifiées par l’utilisateur avant le début de la simulation.
- Le modèle bien connu des degrés-heure. Vous trouverez des informations sur ce modèle dans le livre Solar Engineering of Thermal Processes 3rd Edition, de John A. Duffie et William A. Beckman (2006, Hoboken, New Jersey, John Wiley & Sons Inc.).
- Modèle pour la consommation horaire d’énergie. L’objectif de ce modèle est de lire et de traiter la demande de chauffage et/ou de refroidissement sous forme de valeurs horaires pour le bâtiment.
Il y a quatre possibilités de définir le besoin en énergie de chauffage dans le modèle simplifié :
- Le besoin annuel en énergie est le besoin annuel total en énergie de chauffage du bâtiment (sans eau chaude). La perte thermique totale du bâtiment est celle qui passe par l’enveloppe du bâtiment et celle qui passe par la ventilation ou l’infiltration. Cette valeur est toujours supérieure à celle du besoin énergétique annuel total et varie en fonction du type de bâtiment et du climat.
- La consommation de combustible du générateur de chaleur est multipliée par son efficacité (en supposant une efficacité de 85% pour les nouveaux générateurs et de 60% pour les anciens générateurs).
- Le besoin puissance de chauffage maximale peut être calculé de deux manières :
- si l’on sait à quels moments le générateur de chaleur fonctionne en charge de pointe (peut être lu dans un tableau),
- si les pertes thermiques les plus élevées aux températures extérieures les plus basses sont connues, la valeur UA (propriété du bâtiment) peut être calculée et, par conséquent, les pertes thermiques annuelles et le besoin du bâtiment.
- Le besoin mensuel-annuel suit la même approche que le besoin énergétique annuel, mais répartit les besoins en énergie de chauffage et les pertes thermiques disponibles sur les différents mois.
L’emplacement des composants thermiques par rapport au bâtiment revêt une grande importance. Trois endroits sont disponibles pour cela : à l’extérieur du bâtiment, dans une pièce chauffée ou dans une pièce non chauffée du bâtiment. Par exemple, le réservoir peut être installé à l’intérieur ou à l’extérieur du bâtiment. Polysun vous permet également de concevoir un projet comportant plus d’un bâtiment. Si vous décidez de placer le réservoir à l’intérieur du bâtiment, vous devez préciser où le réservoir sera installé, à savoir dans un espace chauffé ou non. Si vous installez le réservoir dans un espace non chauffé, le pourcentage de perte thermique vers les espaces chauffés peut être défini.
Pour les composants installés dans un espace chauffé, les pertes thermiques sont incluses dans l’équation thermique du bâtiment. Les gains et pertes thermiques réels sont inclus dans le bilan thermique. Le graphique ci-dessous illustre comment les pertes thermiques des composants thermiques affectent l’équation thermique du bâtiment en fonction de la température à laquelle cette perte de chaleur se produit.
Les pertes thermiques vers l’espace non chauffé sont calculées selon la méthode suivante :
- Si la température ambiante est inférieure à la température ambiante nominale \(T_{set}\) + 1℃ les pertes thermiques couvrent une partie du besoin de chauffage (pertes recyclables QR) ;
- Si la température ambiante est supérieure à la température ambiante nominale \(T_{set}\) + 1℃ mais inférieure à la température ambiante nominale refroidissement \(T_{C}\) les pertes thermiques ne peuvent pas être utilisées dans le bâtiment (pertes non réutilisables QNR),
- Enfin, si la température ambiante est supérieure à la température ambiante nominale de refroidissement, les pertes thermiques entraînent un réchauffement encore plus important du bâtiment et augmentent donc le besoin de refroidissement QCD.
Les pièces non chauffées ont une autre fonction possible dans les systèmes thermiques. Ils peuvent constituer une source de chaleur pour une pompe à chaleur sur air extrait. Ces pompes à chaleur sur air extrait sont décrites en détail au chapitre Pompes à chaleur à air extrait.
Le besoin en énergie sous forme de valeurs horaires. Ce modèle calcule le besoin en énergie en termes de valeurs horaires. Il permet une modélisation précise du système de chauffage/refroidissement en calculant avec exactitude le besoin en énergie du bâtiment en conjonction avec la température désirée pour chaque heure.
Le profil du besoin avec des valeurs horaires est extrait du catalogue de profils « Demande d’énergie thermique », qui est partagée avec l’absorbeur/source d’énergie.
En fonction du nombre de colonnes dans le fichier de profil, le profil est interprété différemment :
- Profil avec 3 colonnes – temps, puissance et température nominaale variable : la température nominale est extraite du profil.
- Profil avec 2 colonnes – temps et puissance : La température nominale constante est configurée dans la section composante du bâtiment.
- Profil avec 4 colonnes – temps, température d’entrée, température de sortie et puissance (conçu pour l’absorbeur/source d’énergie) : seule la puissance est utilisée. Les températures d’entrée et de sortie sont ignorées par le modèle de bâtiment. La température nominale constante est configurée dans le composant du bâtiment
La puissance représente le besoin de chauffage ou/et de refroidissement du bâtiment en watts (W). La température nominale peut être spécifiée de manière variable dans le profil car elle peut dépendre de la saison et du moment de la journée. Veuillez noter que les besoins en chauffage sont indiqués en valeurs positives (plus) et les besoins en refroidissement en valeurs négatives.
Le modèle du besoin en énergie en valeurs horaires peut être utilisé comme interface pour d’autres logiciels de simulation. Ce logiciel de simulation doit permettre le traitement des valeurs horaires du besoin en énergie du bâtiment. Dans ces cas, le bâtiment peut d’abord être simulé en détail avec un autre logiciel de simulation de bâtiment (tel que Energy Plus, IDA ICE, etc.). Dans une deuxième étape, les fichiers du besoin en énergie peuvent ensuite être importés dans Polysun, où un système d’approvisionnement en énergie peut être conçu et dimensionné. Cette interface permet d’importer des données pour l’ensemble du bâtiment ainsi que pour les zones du bâtiment avec des températures différentes.