Modélisation des équipements CVC
Cette section présente la manière dont sont modélisés les équipements CVC situés au sein des bâtiments dans DiMoSim, moteur de calcul de PowerDIS. Celui-ci réalise une simulation dynamique horaire des besoins thermiques de l’enveloppe du bâtiment (présentée ici) Cette simulation de l’enveloppe est couplée aux systèmes CVC pour calculer les consommations d’énergie associées.
La modélisation des équipements CVC dans DiMoSim distingue :
l”émetteur, dont la fonction est d’assurer la transmission de l’énergie au service considéré (chauffage ou climatisation), en respectant la consigne de température ;
la distribution, dont la fonction est d’acheminer l’énergie depuis le générateur jusqu’à l’émetteur ;
le générateur, dont la fonction est de fournir au système CVC l’énergie nécessaire pour assurer un service ;
le stockage, utilisable en divers endroits du système CVC pour assurer un découplage entre génération et émission ;
le puisage d’eau chaude sanitaire, dont la fonction est de soutirer un volume d’eau donné à une température donnée.
Le postulat de DiMoSim est que le système CVC dans son ensemble est correctement dimensionné dans chaque bâtiment pour assurer le maintien de la consigne spécifiée par l’utilisateur. Il réalise pour cela un dimensionnement qui est détaillé par la suite.
Emetteurs
Cette section présente la manière dont sont modélisés et dimensionnés les émetteurs dans PowerDIS ainsi que les différents types d’émetteurs représentés. Chaque zone thermique est associée au maximum à un émetteur pour chaque service rendu (trois au plus : pour la chauffage, la climatisation et l’ECS).
Types de systèmes modélisés
A ce jour, les émetteurs ne sont disponibles qu’en version alimentée par un circuit hydraulique avec convection naturelle ou forcée côté air. La puissance de l’émetteur est régulée de manière à assurer la consigne de température d’air intérieur.
Emetteurs de chaleur modélisés par PowerDIS. Source : CSTB.
Dimensionnement
Le dimensionnement de l’émetteur est réalisé de la manière suivante :
récupération du besoin maximal en chauffage et/ou climatisation de la zone thermique desservie à partir du modèle d’enveloppe en condition stationnaire à la température extérieure minimale du fichier météo ;
récupération de la température de départ nominale ;
ajout d’un coefficient de surpuissance standard pour permettre les relances (20 %) ;
calcul de la différence de température nominale aller/retour de l’émetteur, dépendante de la température nominale aller (environ 20 K à 80 °C et 15 K à 60 °C) ;
calcul du débit nominal de l’émetteur ;
calcul du coefficient d’échange UA nominal [W/K] dans ces conditions, la valeur maximale entre les UA chauffage et climatisation est sélectionnée si l’émetteur est réversible.
Calcul du fonctionnement
A chaque pas de temps de la simulation, la puissance maximale émissible est calculée en fonction de la température d’eau entrant dans l’émetteur, de la température intérieure et du coefficient d’échange UA. La puissance à émettre par l’émetteur vers la zone thermique sur le pas de temps en question est ensuite estimée de manière à obtenir la température de consigne. Le modèle d’émetteur distingue par ailleurs la part convective et radiative émise vers la zone.
Une part de consommation électrique auxiliaire est ajoutée dans le cas où il s’agit de convection forcée.
Distributions
Cette section présente la manière dont sont modélisées et dimensionnées les distributions dans PowerDIS ainsi que les différents types de distributions représentées.
Types de systèmes modélisés
Les distributions actuellement modélisées dans PowerDIS sont les distributions hydrauliques de chauffage et de climatisation.
Distributions hydrauliques modélisées par PowerDIS. Source : CSTB.
Dimensionnement
La distribution est dimensionnée de manière à assurer les températures et le débit nominal demandés par l’émetteur qui y est raccordé. Un coefficient de perte de 10 % est appliqué à la part de la distribution en local non chauffé.
Calcul du fonctionnement
A chaque pas de temps, la température en sortie de la distribution aller est calculée en fonction des pertes subies par la distribution. Idem pour la température en sortie de distribution retour en utilisant la température provenant du retour de l’émetteur.
Générateurs
Cette section présente la manière dont sont modélisés et dimensionnés les générateurs dans PowerDIS ainsi que les différents types de générateurs de chaleur représentés.
Types de systèmes modélisés
Les systèmes modélisés par PowerDIS sont les suivants :
chaudières (gaz/fioul/biomasse) standard / à condensation ;
pompes à chaleur (électrique/gaz) - air/air, air/eau ou eau/eau, avec ou sans tour sèche / tour humide ;
cogénérations (gaz) - moteur à combustion interne / pile à combustible / moteur Stirling / turbine gaz.
Les générateurs peuvent fournir les services chauffage, climatisation et eau chaude sanitaire séparément ou simultanément en fonction de la configuration dans laquelle ils sont employés.
Schéma des générateurs dans PowerDIS. Source : CSTB.
Dimensionnement
Le dimensionnement de l’émetteur est réalisé de la manière suivante :
récupération de la puissance nominale de chauffage/climatisation de l’émetteur, incluant d’éventuelles pertes par la distribution et du débit nominal ;
calcul de la température de départ nominale du générateur : température de départ nominale de l’émetteur + un différentiel (par défaut 2 K) ;
définition d’une carte de performance nominale (rendement ou COP) aux conditions nominales de fonctionnement selon la technologie de PAC sélectionnée.
Calcul du fonctionnement
Cette partie présente le calcul du fonctionnement - en particulier des performances - des différentes technologies de génération présentes dans PowerDIS.
Chaudières
PowerDIS calcule le rendement de la chaudière à chaque pas de temps selon la température de retour d’eau du générateur provenant des distributions raccordées. Différentes cartes de performances sont proposées selon la technologie de chaudière (condensation, basse température), décrivant le rendement de la chaudière à différentes températures de fonctionnement. Le rendement est interpolé linéairement entre ces points.
Pompes à chaleur
PowerDIS calcule le COP de la pompe à chaleur à chaque pas de temps en fonction des conditions de fonctionnement (température de source chaude et froide) et du COP nominal défini dans le dimensionnement.
La puissance thermique maximale délivrable par la pompe à chaleur dépend des conditions de fonctionnement, elle est aussi calculée à chaque pas de temps. L’énergie consommée par la pompe à chaleur (électricité ou gaz) est ainsi déduite de l’énergie fournie et du COP, en tenant compte par ailleurs d’une consommation électrique auxiliaire proportionnelle à l’énergie thermique délivrée (5 % par défaut).
La figure ci-dessous illustre l’évolution de la puissance thermique maximale délivrée et du COP d’une pompe à chaleur fictive en fonction des conditions de fonctionnement (illustré par la différence de température entre source chaude et froide)
Fonctionnement des PAC dans PowerDIS.
Puisqu’il existe différentes technologies de pompes à chaleur dans PowerDIS, air/air, air/eau, eau/eau, les températures des sources froide et chaude sont obtenues en fonction de la technologie employée. Par exemple, dans le cas d’une technologie air/air, l’air extérieur est utilisé comme source froide et l’air intérieur comme source chaude (en mode chauffage). En revanche, dans le cas d’une technologie eau/eau raccordée sur tour de refroidissement en mode climatisation, la température de source chaude est obtenue à partir de la simulation horaire de la tour de refroidissement tandis que la température de source froide est obtenue à partir des températures de retour de la distribution du bâtiment auquel la pompe à chaleur est raccordée.
Cogénérations
PowerDIS calcule le rendement du cogénérateur à chaque pas de temps selon la température de retour d’eau du générateur provenant des distributions raccordées. Différentes cartes de performances sont proposées selon la technologie de cogénération (moteur à combustion interne, pile à combustible, moteur Stirling, turbine à gaz), décrivant les rendements électrique et thermique à différentes températures de fonctionnement. Le rendement est interpolé linéairement entre ces points. Le rendement total de la cogénération est obtenu en additionnant les rendements électrique et thermique.
Stockages
Cette partie présente la manière dont sont modélisés les stockages de chaleur dans PowerDIS et les différents types de stockage présents dans PowerDIS.
Types de systèmes modélisés
Seules les stockages de chaleur sensibles utilisant l’eau (ballon d’eau chaude) sont disponibles à ce jour.
Dans le cadre d’une utilisation au sein d’un bâtiment équipé d’un générateur local, le stockage concerne essentiellement la production d’eau chaude sanitaire. On distingue :
ballon d’eau chaude sanitaire électrique ;
ballon d’eau chaude sanitaire couplé à un moyen de production d’eau chaude.
Dans les deux cas, le modèle représente le ballon d’eau chaude comme un empilement de couches afin de rendre compte de l’éventuelle stratification des températures dans le ballon. L’exemple d’un ballon d’eau chaude sanitaire électrique est illustré sur la figure ci-dessous.
Schéma des systèmes de stockage d’ECS dans PowerDIS. Source : CSTB.
L’utilisation du stockage d’eau chaude comme volume tampon afin de lisser les appels de puissance de chauffage ou de climatisation d’un générateur local au sein d’un bâtiment n’est pour le moment pas intégrée dans PowerDIS.
Dimensionnement
Le dimensionnement de l’emetteur est réalisé en suivant les étapes suivantes :
récuperation de la puissance nominale de chauffage/climatisation de la distribution de la zone (et donc de l’émetteur), incluant les pertes thermiques ;
récupération du débit nominal de manière analogue ;
récupération de la différence de température nominale de l’émetteur ;
calcul de la géométrie du ballon de stockage à partir de la puissance nominale, des constantes de temps (durée pendant laquelle le stockage est à la puissance maximale) et de la perte de température maximale autorisée pendant cette constante de temps.
Calcul du fonctionnement
Le calcul de l’état du stockage est réalisé à chaque pas de temps en fonction des conditions de fonctionnement. Le modèle réalise un bilan thermique en fonction de l’énergie à fournir au pas de temps considéré et des pertes thermiques par les parois du ballon. Si la nouvelle température du ballon calculée après soutirage d’eau chaude sanitaire est inférieure à la température de déclenchement (température de consigne - la moitié de l’hystérésis du controleur ON/OFF), le générateur de chaleur délivre au ballon la puissance nominale de celui-ci.
Eau chaude sanitaire
Dimensionnement
Le dimensionnement des systèmes de production et de distribution de l’eau chaude sanitaire s’effectue sur la base des scénarios de fourniture d’ECS indiqués par l’utilisateur dans PowerDIS. Ces scénarios de débit de soutirage d’ECS sont ensuite modifiés d’un coefficient de surdimensionnement de 20%.
Calcul du fonctionnement
La puissance fournie est calculée à partir du débit et de la différence entre la teméprature de l’eau de la zone et la température du sol. La température d’approvisionnement par la distribution de la zone est ensuite récupérée et la température de retour peut ensuite être obtenue à partir de la puissance calculée précédemment et de la température d’approvisonnement récupérée.