Pour les professionnels du secteur CVC, les calculs de charge constituent une partie essentielle du processus de conception. Il est important de calculer correctement les charges de conception afin de garantir que le système est correctement dimensionné et fonctionne efficacement. Cet article donne un bref aperçu du processus de calcul de la charge CVC et de son importance.
Les calculs de charge sont nécessaires pour tous les types de systèmes CVC, du résidentiel au commercial et industriel. L’objectif principal des calculs est de déterminer la quantité de chauffage et de refroidissement nécessaire pour maintenir les températures intérieures souhaitées. Pour ce faire, l'ingénieur concepteur doit prendre en compte tous les facteurs qui influencent la charge, tels que la taille du bâtiment, les niveaux d'isolation et le nombre d'occupants.
Les calculs de charge fournissent également des informations sur les composants du système nécessaires pour supporter la charge calculée. Cela inclut la taille et le type d'équipement, tels que les refroidisseurs et les chaudières, ainsi que les conduits et la tuyauterie qui seront nécessaires.
Etapes de calcul de charge
Les étapes requises pour effectuer les calculs de charge CVC :
- Recueillir des informations sur le bâtiment :
- Rassemblez des plans de construction, des dessins et des plans.
- Notez l'emplacement du bâtiment, l'orientation et le type de construction.
- Déterminez l’enveloppe du bâtiment :
- Identifiez les composants de l'enveloppe du bâtiment, tels que les murs, le toit et les fenêtres.
- Déterminez les propriétés thermiques de chaque composant, y compris la valeur R de l’isolation et le facteur U.
- Déterminez la superficie et l’orientation de chaque composant.
- Identifiez les sources de chaleur internes :
- Déterminez le nombre d’occupants et leurs niveaux d’activité.
- Identifiez les équipements et appareils électroménagers du bâtiment.
- Déterminez la charge d’éclairage et son horaire.
- Déterminez les conditions extérieures :
- Obtenez des données météorologiques historiques pour l’emplacement.
- Déterminez les conditions de conception extérieure en fonction des normes ASHRAE.
- Calculez les gains et les pertes de chaleur :
- Utilisez un logiciel ou des calculs manuels pour déterminer la quantité de chaleur gagnée ou perdue par chaque composant de l’enveloppe du bâtiment.
- Calculez les gains de chaleur provenant de sources internes.
- Calculez les pertes ou gains de chaleur provenant de la ventilation et de l’infiltration.
- Déterminez les charges de chauffage et de refroidissement :
- Combinez les gains et les pertes de chaleur pour déterminer les charges de chauffage et de refroidissement pour chaque pièce ou zone.
- Calculez les charges totales de chauffage et de refroidissement pour l’ensemble du bâtiment.
- Sélectionnez l'équipement CVC :
- Déterminez la taille appropriée de l’équipement CVC en fonction des charges de chauffage et de refroidissement.
- Choisissez les équipements les plus économes en énergie pour le bâtiment.
- Révisez et ajustez les calculs :
- Vérifiez l'exactitude et l'exhaustivité des calculs.
- Ajustez les calculs si nécessaire en fonction des changements dans la conception ou l'utilisation du bâtiment.
Une fois les calculs de charge terminés, l'ingénieur de conception peut alors commencer le processus de sélection de l'équipement et des composants appropriés pour le travail. La taille et le type d’équipement doivent être choisis avec soin pour garantir que le système fonctionnera efficacement et répondra aux exigences de température intérieure souhaitées.
Il est important de noter que les calculs de charge ne constituent pas un processus ponctuel. Les calculs doivent être revus périodiquement pour garantir que le système fonctionne de manière optimale et que tout changement de conditions, tel que les changements d'occupation, est pris en compte.
L’importance des calculs de charge CVC ne peut être surestimée. Sans les calculs appropriés, le système risque de ne pas être correctement dimensionné et de ne pas fonctionner efficacement. Il est essentiel qu'une conception et des calculs appropriés soient effectués pour garantir que le système fonctionne correctement et répond aux exigences de température intérieure souhaitées.
Le calcul précis des charges de chauffage et de refroidissement est essentiel pour établir un pont solide entre les décisions fondamentales de conception du bâtiment et un bâtiment en exploitation. Si les charges sont considérablement sous-estimées, les occupants et les utilisateurs auront probablement chaud ou froid. Si les charges sont considérablement surestimées, l'équipement sera surdimensionné (ce qui entraînera généralement un gaspillage d'argent, une réduction de l'efficacité, une augmentation de la consommation d'énergie et mettra souvent en péril le confort). Des calculs précis des charges constituent une partie importante du processus de conception. Cette importance est soulignée par l'évolution constante des méthodologies de calcul de charge, qui ont progressivement rendu les calculs de charge plus complexes, moins intuitifs et plus dépendants des ordinateurs.
Il est impératif qu'un ingénieur CVC&R débutant ait une bonne compréhension des principes fondamentaux des concepts de calcul de charge. Il n’est pas judicieux de se fier entièrement à un logiciel informatique pour l’analyse de la charge. L’adage « garbage in, garbage out » s’applique parfaitement aux calculs de charge.
Les équipements et les systèmes sont dimensionnés à partir de charges « de conception », qui sont calculées à l'aide de charges statistiquement significatives. conditions météorologiques qui reflètent le climat de l'emplacement d'un bâtiment. Une charge de chauffage de conception représente la perte de chaleur d'un bâtiment selon une série d'hypothèses généralement acceptées. Une charge de refroidissement de conception représente le flux de chaleur entrant dans un bâtiment via l'enveloppe du bâtiment et provenant de sources internes, toujours selon un ensemble d'hypothèses communément acceptées. Le terme gain de chaleur est généralement utilisé pour décrire un flux de chaleur indifférencié dans un bâtiment ou un espace. Le terme charge de refroidissement est utilisé pour décrire la partie du gain de chaleur qui affectera la température de l'air (par opposition aux matériaux et au contenu du bâtiment) à un moment donné. La grande majorité des systèmes de climatisation répondent directement aux charges de refroidissement via un contrôle thermostatique (et seulement indirectement aux gains de chaleur).
Les charges sont sensibles (affectant la température de l’air) ou latentes (affectant l’humidité relative) ou une combinaison de sensibles et latentes. Les charges peuvent être externes (traversant l’enveloppe du bâtiment) ou internes (provenant de l’enveloppe du bâtiment). Les charges spatiales affectent une partie particulière d'un bâtiment à un moment donné ; les charges de l'équipement sont celles perçues par l'équipement à un moment donné. Les charges d'équipement pour les composants centraux peuvent ne pas correspondre à la somme des charges spatiales de conception en raison de la diversité (non-coïncidence) des charges, par exemple entre les pièces orientées à l'est et celles orientées à l'ouest.
Les charges de chauffage et de refroidissement sensibles et latentes proviennent du transfert de chaleur à travers l’enveloppe opaque du bâtiment ; gain de chaleur solaire à travers les fenêtres et les lucarnes ; infiltration par les ouvertures de l'enveloppe du bâtiment ; les gains de chaleur interne dus à l'éclairage, aux personnes et aux équipements dans les espaces conditionnés ; et le flux d'air extérieur pour la ventilation et la pressurisation du bâtiment. Ces charges sont décrites en détail dans plusieurs chapitres du ASHRAE Handbook—Fundamentals. Généralement, les calculs de charge de chauffage de conception n'incluent pas les gains de chaleur dans l'espace, puisque les pertes maximales se produisent généralement pendant la nuit (heures d'inoccupation pour la plupart des bâtiments non résidentiels). Le cas échéant, un crédit de chauffage peut être utilisé pour une partie des gains d’éclairage, d’occupation et d’équipement, mais pas pour les gains solaires (les bâtiments chauffés à l’énergie solaire passive font exception à cette règle générale).
Le développement d'une analyse énergétique complète du bâtiment nécessite que le concepteur CVC&R prenne en compte les nombreuses charges, autres que la seule charge de conception, qui se produisent tout au long d'une année typique de la vie d'un bâtiment. Ce type d'analyse nécessite des données météorologiques horaires sur toute une année (plutôt que de simples conditions de conception) et des calculs substantiels pour calculer les charges dans des conditions creuses et la réponse résultante de l'équipement à ces charges. Bien qu'il existe certaines méthodes manuelles permettant une approximation, des analyses énergétiques précises nécessitent des capacités de simulation informatique assez sophistiquées. Il existe de nombreux logiciels capables de fournir de telles analyses, mais il s’agit souvent de programmes spécialisés avec des courbes d’apprentissage abruptes.
