1 Contexte
Dans la ville de Louvain la neuve, le bâtiment Tour agro « De Serres » est en train de subir une rénovation profonde. Celui-ci abritait une partie du Earth and Life Institute ( ELI), des salles de travaux pratiques et plusieurs ASBL. Il a une surface de 6 500 m2 et environ 200 personnes travaillent dans un bâtiment comme celui-ci.
Le nouveau bâtiment sera vitré et à basse énergie. Un bâtiment à basse énergie présente de nombreux avantages. D’un point de vue écologique, il permet de réduire de manière significative l’émission de gaz à effet de serre. Il permet également de faire des économies d’énergies. Il représente néanmoins un coût. Dans notre projet nous allons nous intéresser à la quantité d’énergie qu’on peut gagner grâce à la nouvelle tour De Serres.
A partir des mesures du nouveau bâtiment et de certaines contraintes, notre but dans ce projet est de savoir comment assurer les besoins en chaleur et en énergie du nouveau bâtiment pour une année type. Nous allons effectuer nos calculs sur base des cas critiques et dimensionner une partie des solutions faisant usage de ressources locales.
2 Objectifs
Notre projet est centré sur le chauffage du nouveau bâtiment De Serres ainsi que sur le stockage et la production de chaleur.
Dans un premier temps on va devoir calculer certaines mesures du bâtiment, comme le volume total d’air à chauffer ainsi que les surfaces extérieures considérées pour la déperdition. Et cela, car notre objectif premier est de calculer la consommation de chaleur du bâtiment.
Pour mieux cerner sa consommation, on va calculer des déperditions selon le type de surface extérieure et calculer des intrants de chaleur en fonction du temps. Ces intrants principaux sont dûs au soleil par ses émissions et le chauffage au gaz du bâtiment. L’occupation par le personnel est aussi source de chaleur ainsi que le matériel de bureau et l’éclairage.
Par la suite, on va établir un bilan de chaleur permettant de déterminer les besoins en chauffage. On va choisir le système de chauffage le mieux adapté pour le bâtiment et on s’intéressera à sa production de chaleur.
Ensuite on pourra calculer l’énergie nécessaire à cette production de chaleur ainsi qu’à la ventilation. On a également choisis de mettre des panneaux photovoltaïques et des éoliennes pour couvrir la demande en électricité. On devra dès lors calculer leurs quantité nécessaire.
3 Méthodologie
Pour parvenir à une solution qui nous donne explicitement la quantité de chaleur nécessaire à donner au bâtiment pour être à une température de confort tout au long de l'année, nous avons fait un grand bilan de chaleur pour chaque étage.
Pour ce faire, avant tout, il nous a fallu déterminer précisément la surface ainsi que le volume de chaque pièce sur base de plans et en considérant une certaine hauteur sous plafond en fonction des étages. Aussi, il nous a fallu classer chaque pièce du bâtiment selon leur usage (bureaux, salles de TP, laboratoires et cafétérias) car le taux de renouvellement de l'air des salles est différent en fonction de l'usage.
Nous avons donc commencé premièrement par établir toutes les sources de gain de chaleur au long de l'année et quantifié ces apports de chaleur :
1) Occupation du bâtiment :
Sur base des taux d'occupation du bâtiment heure par heure en fonction de la période de l'année et de la valeur d'occupation maximale théorique du bâtiment (0,1734 pers/m²), nous avons pu déterminer l'occupation réelle du bâtiment heure par heure durant l'année.
Sachant que la valeur théorique moyenne de la puissance calorifique dissipée par un homme au repos est de 100 W (Partie de cours sur le conditionnement de l'air), nous avons multiplié cette valeur par l'occupation réelle du bâtiment pour ensuite la multiplier par la dissipation calorifique relative [W/m²] heure par heure des occupants du bâtiment.
- Enfin, l'apport calorifique absolu [W], heure par heure tout au long de l'année a été calculé sur base des surface des différents étages.
2) Matériel de bureau :
- Sur base des taux de dégagement de chaleur par le matériel du bureau heure par heure en fonction de la période de l'année et de la valeur nominale du dégagement calorifique calculée comme suit :
0,1734 personne/m² x 1 PC / personne x 125 W / PC = 21,68 W / m², on obtient les valeurs réelles [W/m²] de dégagement calorifique par le matériel de bureau heure par heure durant l'année. - L'apport calorifique [W]du matériel de bureau, heure par heure tout au long de l'année est obtenu en multipliant les surfaces de bureau par ces précédentes valeurs.
3) Eclairage :
- En considérant qu'il y a 100% d'éclairage durant les heures d'occupation et 0% en dehors des heures d'occupation et sachant que la valeur nominale de l'éclairage est de 7,5 W/m², on a pu calculer le dégagement calorifique réel par l'éclairage [W/m²], heure par heure durant l'année.
- L'apport calorifique [W]de l'éclairage, heure par heure tout au long de l'année est obtenu en multipliant les surfaces de bureau par ces précédentes valeurs.
4) Eclairement solaire :
- Les données d'ensoleillement [W/m²] données par les assistants nous ont permis de calculer l'apport calorifique au sein du bâtiment, en considérant un facteur solaire de 42% (qui prend en compte les matériaux conducteurs de chaleur, l'ombrage des autres bâtiments, l'interception par les futurs latages en bois), calculé par un service d'expertise "M&R engineering".
- La valeur obtenue [W/m²] a été ensuite multipliée par la superficie des surfaces laissant passer la chaleur (fenêtres, murs rideaux) pour obtenir un apport calorifique [W], heure par heure tout au long de l'année.
5) Chauffage :
- Nous faisons l'hypothèse que le chauffage du futur bâtiment sera équivalent au chauffage du bâtiment de Serres en 2018 (année la plus représentative car l'année 2019 fut stoppée en septembre pour les travaux du bâtiment). Ainsi, nous avons récupéré les données fournies mois par mois de l'année 2018 qui sont exprimées en MWh.
Une fois l'ensemble des gains de chaleur déterminés, nous nous sommes ensuite tournés vers l'ensemble des éléments du bâtiment qui entraineront des pertes calorifiques au sein du bâtiment tout au long de l'année :
1) Conduction à travers les surfaces exposées à l'air extérieur :
- Sur base des valeurs de coéfficient de transfert global $h{tot}$ [W/m².K] des différentes surfaces du bâtiment (fenêtres, murs rideaux, murs extérieurs, toiture), de la température intérieure (21°c à l'optimum et 18°c au minimum) et des températures extérieurs (Données météo 1998-2020), nous avons pu calculer les perte calorifiques pour chaque type de surface [W/m²].
$\dot q = h{tot} * (Tf{int}-Tf{ext})$ - Grâce aux surfaces de fenêtres, mur, murs rideaux et de toitures calculées sur base des plans du bâtiment, nous avons ainsi pu calculer l'ensemble des pertes calorifiques par conduction [W], heure par heure et ce, durant toute l'année académique.
2) Ventilation et échangeur de chaleur :
- Nous avons tout d'abord calculé les différentes surfaces de bureaux, de laboratoires, de salles de TP et de caféterias pour chaque étage sur base des plans et de la catégorie attribuée à chaque pièce du bâtiment.
- Ensuite, sur base des hauteurs sous plafond, nous avons calculé le volume de chaque types de pièces selon leur occupations des locaux pour pouvoir ensuite multiplier à ces volumes les taux de renouvellement définis selon chaque type de pièce. Nous obtenons ainsi des débits volumiques [m³/h] pour chaque étage et chaque type de pièce.
- On a ensuite divisé ces valeurs par 3600 pour obtenir des débits volumiques en [m³/s].
- En considérant l'air sec comme un gaz parfait, on a déterminé la masse volumique de celui-ci en fonction de la température intérieure du bâtiment sur base de la formule :
$\rho=(PM)/(RT)$ - On a obtenu le débit massique en multipliant la masse volumique de l'air [kg/m³] trouvée précédemment par les valeurs de débits volumiques [m³/s] :
$\dot m = \dot v * \rho$
