Arrêté du 4 août 2021 - Annexe 2 : Méthode de calcul détaillée « Th-BCE 2020 »

La consommation d’énergie pour le chauffage et le refroidissement est obtenue par le calcul du rapport entre :

•L’énergie nécessaire aux bornes de la production pour le chauffage respectivement le refroidissement

Et

•L’efficacité du système de production de l’énergie pour le service considéré.

On va détailler ces éléments ci-après. Le schéma ci-dessous donne une idée générale de l’architecture de calcul des systèmes énergétiques :

Figure 12 – Architecture des calculs pour les systèmes énergétiques (chauffage, refroidissement, ECS)

3.1.1 ENERGIE NECESSAIRE AUX BORNES DE LA PRODUCTION POUR LE CHAUFFAGE ET LE REFROIDISSEMENT

Cette partie traite du chauffage, les mêmes principes et calculs s’appliquent au refroidissement

L’énergie nécessaire aux bornes de la production pour le chauffage est la somme de :

•L’énergie à fournir par l’émetteur de chaleur pour satisfaire les besoins de chauffage, augmentée des pertes au dos des émetteurs de chauffage.

•Des pertes brutes de distribution du système de chauffage

•Des éventuels besoins liés au préchauffage de l’air utilisé par les centrales de traitement d’air

3.1.1.1 Energie à fournir par l’émetteur pour satisfaire les besoins de chauffage

Pour ce calcul, les éléments suivants sont pris en compte :

•le climat extérieur

•les scénarios d’occupation du local

•la température de consigne conventionnelle du local

•les caractéristiques des parois composant le local

•les débits de renouvellement d’air

•les apports gratuits : apports solaires et apports internes

•des caractéristiques de l’émission de chaleur ou de froid (variations spatio-temporelles et programmation)

La puissance requise par l’émetteur est calculée à partir des températures intérieures du local et de la droite de comportement thermique

Phase 1 : Calcul des températures intérieures

Le calcul des températures intérieures ; température de l’air, température radiante moyenne et température de masse est basé sur un modèle thermique dynamique au pas de temps horaire.Le modèle thermique est fondé sur les simplifications du transfert de chaleur entre les environnements intérieur et extérieur. Ce calcul se fait en quatre étapes :

Etape 1 : calcul des coefficients de transfert thermiques, de la capacité thermique quotidienne et de la surface d’échange équivalente des parois opaques avec l’ambiance :

•Facteur de transmission thermique dû au renouvellement d’air : son calcul prend en compte les débits de renouvellement d’air et l’humidité spécifique équivalente de l’air

Le calcul des débits de renouvellement d’air ; débits entrants et débits extraits, se fait à l’aide d’un modèle aéraulique qui prend en compte pour un local donné les différentes sources d’entrée d’air : système de ventilation spécifique, débits d’air à travers l’enveloppe selon son étanchéité, débits d’air par ouverture de fenêtres, débits d’air en provenance d’autres groupes, etc. Le modèle aéraulique repose sur la modélisation simplifiée de la norme EU EN NF 16798.

•Facteur de transmission thermique dû aux échanges internes par convection et rayonnement

•Facteur de transmission thermique global pour les baies entre les environnements intérieurs et extérieurs

•Facteur de transmission thermique entre les surfaces internes et l’air intérieur

•Facteur de transmission entre l'environnement extérieur et la surface intérieure des parois opaques

•Capacité thermique déterminée selon la méthode décrite dans les règles Th-Bât dans leur fascicule Inertie).

•Surface d’échange équivalente des parois opaques avec l’ambiance

Étape 2 : calcul des températures extérieures équivalentes pour la prise en compte de l’élévation de la température extérieure due au rayonnement solaire sur les composants transparents et opaques de l’enveloppe du bâtiment.

Étape 3 : calcul des flux de chaleurs internes

•Flux de chaleur dû aux sources internes et aux apports de chaleur convectifs dus à la lame d'air intérieure ventilée du vitrage

•Flux de chaleur radiatif dû aux sources internes et au rayonnement solaire direct

•Flux de chaleur convectif dû aux sources internes et au rayonnement solaire direct

Les sources internes sont les apports conventionnels de chaleur liés aux occupants et aux équipements énergétiques et les apports calculés par la méthode, dus à l’éclairage artificiel et aux pertes récupérés des systèmes de distribution et de génération de chauffage.

Étape 4 : calcul des températures intérieures :

À cette étape, la résolution des équations du modèle thermique permet le calcul des températures intérieures.

Phase 2 : Calcul de l’énergie à fournir par l’émetteur pour satisfaire les besoins de chauffage et de refroidissement : puissance requise par l’émetteur de chaleur

Le modèle thermique suppose qu’il existe une relation linéaire entre la puissance émise par l’émetteur et la température moyenne mesurée par la sonde du système de régulation terminale.

On considère deux points de fonctionnement :

•Point de fonctionnement avec évolution libre : pas de flux de chaleur émis par les émetteurs de chauffage et refroidissement,•Point de fonctionnement avec un flux de chaleur émis par l’émetteur de 10 W/m² de surface de plancher utile,

Le modèle thermique permet le calcul des températures intérieures pour ces deux points de fonctionnement. La droite du comportement thermique est alors définie par interpolation entre ces deux points.

Cette droite permet le calcul de la puissance requise par l’émetteur correspondant à une température de consigne et des caractéristiques de l’émetteur données. Ces caractéristiques intègrent des paramètres relatifs à la qualité de l’émission (variations au sein des locaux de la température ambiante) et la précision de régulation (variations dans le temps de la température ambiante), ainsi que les parts convective et radiative de la puissance échangée avec le local.

L’énergie à fournir par l’émetteur pour satisfaire les besoins de chauffage et de refroidissement tient compte des pertes au dos de l’émetteur, lorsque celui-ci est intégré à la paroi extérieure du bâtiment.

3.1.1.2 Pertes thermiques brutes de distribution du système de chauffage et de refroidissement

Dans le cas d’une installation de chauffage et refroidissement à eau, les pertes thermiques brutes du réseau de distribution sont calculées à partir de l’écart entre la température moyenne de l’eau dans les canalisations et la température ambiante, lors des périodes où le chauffage et le refroidissement sont activés.

La température moyenne d’eau est déterminée à partir des fonctions de régulation présentes sur l’installation de chauffage et refroidissement (température de départ variable ou non, débit d’eau variable ou non).

Ces pertes thermiques sont distinguées en deux composants selon qu’elles sont émises dans les espaces chauffés/refroidis ou dans les espaces non chauffés/non-refroidis.

Dans les espaces chauffés/refroidis, une partie des pertes de distribution est récupérée sous forme de chaleur, elle est prise en compte dans le modèle de comportement thermique.

Note : la régulation de la distribution inclut également la gestion des circulateurs, ce qui impacte leur consommation d’énergie : circulateurs à vitesse constante, à vitesse variable avec maintien de la pression différentielle constante ou à vitesse variable évoluant de manière à réduire la pression différentielle dans le réseau.

3.1.2 EFFICACITE DES SYSTEMES DE PRODUCTION DE CHALEUR ET DE REFROIDISSEMENT

L’ultime étape du calcul des consommations consiste à modéliser l’efficacité des générateurs de chaleur et de froid. Pour cela, on distingue les générateurs par type, selon la liste suivante :

Pour le chauffage :

•Générateurs directs à effet joule

•Générateurs à combustion à combustible gazeux, liquide ou solide,

•Systèmes de cogénération,

•Systèmes solaires thermique

•Poêles et inserts

•Générateurs thermodynamiques à compression électrique

•Générateurs thermodynamiques à absorption au gaz naturel,

•Sous-stations de réseau de chaleurPour le refroidissement :

•Groupe frigorifique thermodynamique à compression électrique,

•Groupe frigorifique thermodynamique à absorption au gaz naturel,

•Sous-stations de réseau de froid,

Certains systèmes de production de chaleur assurent également la production d’ECS.

D’une manière générale, le calcul de l’efficacité des générateurs se fait de manière dynamique, au pas de temps horaire, en fonction :

-De la charge du générateur, c’est-à-dire le rapport entre les besoins du bâtiment en chaleur ou en refroidissement et la puissance maximale du générateur, à chaque pas de temps,

-De la température de fonctionnement : température d’eau de la distribution, température d’air intérieur, ou d’air soufflé

-Des conditions météorologiques extérieures,

-De la température de source amont, identifiée en fonction de son type (air extérieur, air repris, eau circulant dans le sol…), pour les générateurs thermodynamiques.

Ce calcul d’efficacité est basé sur les caractéristiques de performance à pleine charge et à un ou plusieurs points de charge partielle, identifiées dans les référentiels normatifs des générateurs. L’efficacité au point de fonctionnement sur le pas de temps est obtenue par interpolation / extrapolation entre ces éléments, comme le résume le graphique ci-dessous.

Figure 13 – Principe de modélisation de l’efficacité des systèmes énergétiques

Cette efficacité intègre également les pertes thermiques et consommations d’auxiliaires à l’arrêt du générateur, sur les périodes où la charge du générateur est nulle.

Cas des Installations solaires thermiques :

L’installation solaire est en fonctionnement pendant toute l’année. Les quantités d’énergie fournies par les capteurs solaires interviennent en déduction des besoins totaux du bâtiment, à partir d’une modélisation de l’installation incluant les composants de stockage d’eau chaude.

Le calcul se passe en plusieurs étapes : calcul de la couverture solaire pour le chauffage et/ou l’ECS ; calcul des pertes de transmission de l’installation solaire (entre stockage et appoint) ; calcul des pertesde stockage de l’appoint, calcul des pertes potentiellement récupérables de l’appoint et enfin calcul des consommations des auxiliaires du système solaire.

Cas des Installations de production par transfert de chaleur et de froid

La méthode de calcul permet la prise en compte d’installations réalisant des transferts de chaleur et de froid via une boucle d’eau (générateurs dit sur boucle d’eau) recueillant les demandes de chaud et de froid de locaux ayant des besoins différents au même moment.

Elle permet également la prise en compte de systèmes (type thermofrigopompe ou DRV) fonctionnant prioritairement en chauffage ou refroidissement (selon le besoin majoritaire) mais rejetant respectivement du froid ou du chaud lors de leur fonctionnement, utilisable pour assurer des besoins concomitants.

Pour ces générateurs, une étape supplémentaire est donc ajoutée : elle consiste à réaliser le bilan des transferts de chaleur et de froid afin de déterminer :

•Pour les générateurs sur boucle d’eau, si un appoint de chauffage ou de refroidissement est nécessaire (cas où les transferts ne permettent pas le maintien de la boucle dans sa plage de température prévue) ou pas (cas où les transferts induisent une compensation permettant le maintien de la boucle dans sa plage de température prévue)

•Pour les générateurs type thermofrigopompe et DRV, le besoin majoritaire (le besoin minoritaire étant alors satisfait intégralement par le rejet du générateur, et les consommations associées annulées).

Cas des réseaux urbains de chaleur et/ou de refroidissement

Les caractéristiques de la génération par réseau urbain de chaleur / froid ne sont à proprement parler pas prises en compte, seules les pertes liées à l’échangeur constituant la sous-station du réseau sont considérées, à partir du niveau d’isolation de ses composants.

Les consommations des auxiliaires du réseau sont considérées nulles en amont de l’échangeur de la sous-station.