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2.1 Projet de production de chaleur - Calcul des charges et de l’utilisation d’énergie
Trois charges thermiques différentes sont considérées par le modèle RETScreen pour Cogénération : le chauffage de locaux, la production d’eau chaude sanitaire, et la production de chaleur pour alimenter un procédé. L’utilisation annuelle totale de chaleur du système,QH , est la somme de l’utilisation d’énergie pour le chauffage de locaux, QCH , pour la production d’eau chaude sanitaire, QECS , et pour alimenter un procédé, QPH .
Ainsi :
Trois charges thermiques différentes sont considérées par le modèle RETScreen pour Cogénération : le chauffage de locaux, la production d’eau chaude sanitaire, et la production de chaleur pour alimenter un procédé. L’utilisation annuelle totale de chaleur du système,QH , est la somme de l’utilisation d’énergie pour le chauffage de locaux, QCH , pour la production d’eau chaude sanitaire, QECS , et pour alimenter un procédé, QPH .
Ainsi :
L’utilisation d’énergie pour le chauffage des locaux est calculée en utilisant le concept des degrés-jours de chauffage. Ce concept est expliqué dans la section 2.1.1. Ce concept peut être élargi, tel qu’expliqué dans la section 2.1.2, pour tenir compte de la demande d’eau chaude sanitaire. Le calcul des charges de chaleur de pointe est traité dans la section 2.1.3. La charge de chaleur de pointe et les degrés-jours mensuels de chauffage sont les deux grandeurs qui permettent de tracer la courbe des puissances classées présentée dans la section 2.1.4. On explique dans la section 2.1.5 comment cette courbe des puissances classées permet de déterminer les charges mensuelles moyennes et la période de puissance de pointe. Les charges thermiques de procédés sont traitées dans la section 2.1.6, alors que les sections 2.1.7 et 2.1.8 montrent respectivement comment on obtient le nombre équivalent d’heures de fonctionnement à plein régime des installations et, brièvement, l’impact de mesures d’efficacité énergétique.
2.1.1 Conditions climatiques du site
Les caractéristiques du site sont définies par l’utilisateur à l’aide de deux paramètres :
La température extérieure de calcul de chauffage correspond à la température qui peut être atteinte le jour le plus froid d’une année typique dans cette région. Cette valeur fait souvent partie du Code du bâtiment qui s’applique dans cette région. Par exemple, l’ASHRAE (1997) définit cette température comme étant la plus basse qui a pu être enregistrée dans une région, pendant au moins 1 % du temps, sur un assez grand nombre d’années (généralement de 20 à 30 ans). En Suède, cette température est définie comme la température la plus basse qui peut être atteinte une fois tous les 20 ans. Les installations de chauffage doivent être conçues pour pouvoir maintenir un niveau de confort acceptable dans ces conditions. C’est pourquoi la température extérieure de calcul de chauffage est généralement utilisée pour déterminer la charge de chaleur de pointe et la capacité thermique des installations de chauffage d’un bâtiment (section 2.1.3).
De leur côté, les degrés-jours mensuels de chauffage permettent d’établir les besoins d’énergie de chauffage. Les degrés-jours mensuels de chauffage sont définis comme la somme, pour chaque jour de la période, des différences entre une température de référence Tset (généralement 18°C) et la température moyenne quotidienne extérieure lorsqu’elle est inférieure à la température de référence. Mathématiquement, cela s’exprime par :
Les caractéristiques du site sont définies par l’utilisateur à l’aide de deux paramètres :
- la température extérieure de calcul de chauffage, et
- les degrés-jours mensuels de chauffage.
La température extérieure de calcul de chauffage correspond à la température qui peut être atteinte le jour le plus froid d’une année typique dans cette région. Cette valeur fait souvent partie du Code du bâtiment qui s’applique dans cette région. Par exemple, l’ASHRAE (1997) définit cette température comme étant la plus basse qui a pu être enregistrée dans une région, pendant au moins 1 % du temps, sur un assez grand nombre d’années (généralement de 20 à 30 ans). En Suède, cette température est définie comme la température la plus basse qui peut être atteinte une fois tous les 20 ans. Les installations de chauffage doivent être conçues pour pouvoir maintenir un niveau de confort acceptable dans ces conditions. C’est pourquoi la température extérieure de calcul de chauffage est généralement utilisée pour déterminer la charge de chaleur de pointe et la capacité thermique des installations de chauffage d’un bâtiment (section 2.1.3).
De leur côté, les degrés-jours mensuels de chauffage permettent d’établir les besoins d’énergie de chauffage. Les degrés-jours mensuels de chauffage sont définis comme la somme, pour chaque jour de la période, des différences entre une température de référence Tset (généralement 18°C) et la température moyenne quotidienne extérieure lorsqu’elle est inférieure à la température de référence. Mathématiquement, cela s’exprime par :
où HDDi est la valeur des degrés-jours mensuels de chauffage du mois i, Ni est le nombre de jours du mois i, et Tm,κ est la température moyenne quotidienne du jour k du mois. La valeur des degrés-jours annuels de chauffage HDD est la somme des degrés-jours mensuels de chauffage :
Le principal avantage d’utiliser les degrés-jours de chauffage est de pouvoir, dans une première approximation, considérer que les besoins pour le chauffage de locaux, sur une certaine période, est proportionnelle à leur valeur pour la même période. Cette approche approximative est raffinée dans la section 2.1.5. Les degrés-jours de chauffage permettent aussi de caractériser la demande d’eau chaude sanitaire, comme on le voit immédiatement ci-dessous.
2.1.2 Degrés-jours équivalents pour la production d’eau chaude sanitaire
Le modèle RETScreen pour Cogénération permet d’inclure les besoins d’eau chaude sanitaires dans la caractérisation des besoins de chaleur à combler. La demande d’eau chaude sanitaire est supposée constante tout au long de l’année et est exprimée par l’utilisateur comme étant une fraction d de l’utilisation annuelle de chaleur pour le chauffage des locaux et pour l’eau chaude sanitaire mais excluant la quantité de chaleur pour procédé. Si QH est l’utilisation annuelle de chauffage excluant la quantité de chaleur pour procédé, QCH la portion de cette utilisation correspondant au chauffage des locaux, et QECS celle correspondant à la production d’eau chaude sanitaire, on a :
Le modèle RETScreen pour Cogénération permet d’inclure les besoins d’eau chaude sanitaires dans la caractérisation des besoins de chaleur à combler. La demande d’eau chaude sanitaire est supposée constante tout au long de l’année et est exprimée par l’utilisateur comme étant une fraction d de l’utilisation annuelle de chaleur pour le chauffage des locaux et pour l’eau chaude sanitaire mais excluant la quantité de chaleur pour procédé. Si QH est l’utilisation annuelle de chauffage excluant la quantité de chaleur pour procédé, QCH la portion de cette utilisation correspondant au chauffage des locaux, et QECS celle correspondant à la production d’eau chaude sanitaire, on a :
et par conséquent :
Comme on considère que l’utilisation de chauffage de locaux, sur une certaine période, est approximativement proportionnelle à la valeur des degrés-jours pour la même période, le modèle peut définir un nombre de degrés-jours équivalents pour la production d’eau chaude sanitaire. Si HDD est le nombre de degrés-jours de chauffage déterminée selon l’équation (3), le nombre de degrés-jours équivalents pour la production d’eau chaude sanitaire HDDECS sera déterminé de la même manière que dans l’équation (6) :
Le nombre de degrés-jours équivalents pour la production d’eau chaude sanitaire est souvent exprimé sous la forme d’une valeur moyenne quotidienne en divisant le résultat de l’équation (7) par le nombre de jours dans une année. Cela conduit à la valeur hddECS suivante, exprimée en degrés-jours de chauffage par jour :
La façon d’utiliser hddECS pour établir une courbe des puissances classées en chauffage pour un endroit donné est présentée à la section 2.1.4. Il faut noter que le modèle prend en compte l’utilisation d’énergie pour la production d’eau chaude sanitaire de manière assez grossière. Par exemple, le modèle considère que la demande d’eau chaude sanitaire est la même chacun des jours de l’année. Cette hypothèse est probablement raisonnable dans le cas d’un important réseau de chauffage urbain, mais deviendra discutable dans le cas d’un établissement scolaire, alors que la demande d’eau chaude sanitaire tombe à zéro la nuit, les fins de semaines et pendant les congés scolaires. Il faut également réaliser que la demande d’eau chaude sanitaire varie d’une saison à l’autre, ne serait-ce que parce que la température d’eau froide varie pour atteindre son minimum en fin d’hiver et que la demande d’eau chaude sanitaire peut baisser pendant les mois les plus chauds d’été. Ainsi, la demande d’eau chaude sanitaire en hiver peut être de 30 à 50 % supérieure à celle d’été, une variation saisonnière qui n’est pas intégrée dans le modèle RETScreen pour Cogénération.
2.1.3 Calcul de la charge de chaleur de pointe
La charge de pointe en chauffage d’un bâtiment survient généralement lors des conditions de températures froides extrêmes mais ne dépend pas que des conditions climatiques extérieures (température, vitesse du vent, etc.). Elle dépend aussi d’autres paramètres comme la masse thermique du bâtiment et la gestion des renouvellements d’air.
Dans le modèle RETScreen pour Cogénération, la charge de chaleur de pointe d’un bâtiment (ou d’un groupe de bâtiments ayant le même comportement thermique) pCH,j est exprimée en W/m2 de planchers chauffés. Cette valeur est fournie par l’utilisateur et dépend de la température extérieure de calcul de chauffage de l’endroit (voir la section 2.1.1) et des caractéristiques du bâtiment (qualité de l’enveloppe, ventilation, etc.). Des valeurs typiques sont proposées dans la section 2.6.1. La charge de chaleur de pointe totale PCH,j du groupe j de bâtiments est calculée comme suit :
La charge de pointe en chauffage d’un bâtiment survient généralement lors des conditions de températures froides extrêmes mais ne dépend pas que des conditions climatiques extérieures (température, vitesse du vent, etc.). Elle dépend aussi d’autres paramètres comme la masse thermique du bâtiment et la gestion des renouvellements d’air.
Dans le modèle RETScreen pour Cogénération, la charge de chaleur de pointe d’un bâtiment (ou d’un groupe de bâtiments ayant le même comportement thermique) pCH,j est exprimée en W/m2 de planchers chauffés. Cette valeur est fournie par l’utilisateur et dépend de la température extérieure de calcul de chauffage de l’endroit (voir la section 2.1.1) et des caractéristiques du bâtiment (qualité de l’enveloppe, ventilation, etc.). Des valeurs typiques sont proposées dans la section 2.6.1. La charge de chaleur de pointe totale PCH,j du groupe j de bâtiments est calculée comme suit :
où Aj est la surface totale de planchers chauffés du groupe j de bâtiments. La charge de chaleur de pointe totale PCH à laquelle le système central de chauffage doit répondre est alors :
où la sommation s’applique à l’ensemble des groupes de bâtiments similaires. L’utilisateur peut caractériser jusqu’à 14 groupes différents de bâtiments similaires.
2.1.4 Courbe des puissances classées en chauffage
La charge de chaleur de pointe est atteinte uniquement pendant de courtes périodes de l’année, généralement quelques heures seulement lors de vagues de froid intense. La plupart du reste de l’année, selon les conditions climatiques, la charge de chauffage n’est qu’une fraction de la charge de pointe. Pour visualiser le profil de la charge de chauffage au cours de l’année, on utilise la Courbe des puissances classées en chauffage. C’est ce qui fait l’objet de cette section. On explique ensuite, à la section 2.1.5, comment cette courbe permet de calculer l’utilisation de chaleur annuelle.
La courbe des puissances classées en chauffage indique, pour les 8 760 heures de l’année, la durée pendant laquelle la charge se maintient en-dessous d’une fraction donnée de la charge de pointe. La Figure 4 est un exemple d’une telle courbe. Dans un réseau de chauffage urbain (en excluant les charges de procédé qui sont traitées à la section 2.1.6), trois contributions constituent l’essentiel de la charge thermique : les déperditions thermiques du réseau, la fourniture d’eau chaude sanitaire et le chauffage des locaux. Les pertes thermiques du réseau enfoui dans le sol peuvent être considérées relativement constantes au cours de l’année. En réalité, elles augmentent légèrement en hiver, le sol devenant plus froid et la température moyenne du réseau étant un peu plus élevée pour qu’il puisse répondre aux besoins plus importants de chaleur. La fourniture d’eau chaude sanitaire est aussi une charge relativement constante dans l’année mais la demande baisse durant la nuit et au cœur de l’été (voir la section 2.1.2). Enfin, la charge de chauffage des bâtiments est généralement la plus importante, sur une grande partie de l’année, et suit les variations saisonnières du climat.
En principe, la courbe des puissances classées en chauffage devrait être établie à partir du profil horaire des variations de la charge thermique afin de montrer toutes les variations possibles auxquelles le système devra répondre. Cependant, cette information est rarement disponible, surtout lorsque s’il s’agit d’un nouveau système au stade de la conception ou de l’analyse de faisabilité. C’est pourquoi une méthode a été conçue, permettant d’établir la courbe des puissances classées en chauffage à partir des degrés-jours mensuels de chauffage. Cette méthode a été développée en s’appuyant sur des études très approfondies d’un système de chauffage central important à Uppsala, en Suède (Larsson, 2003). Cette méthode fait intervenir des facteurs empiriques de corrections mensuelles de la charge de chauffage des bâtiments, qui permettent de prendre en compte les gains solaires, le vent et le comportement des occupants (qui ont une influence sur les gains internes).
La charge de chaleur de pointe est atteinte uniquement pendant de courtes périodes de l’année, généralement quelques heures seulement lors de vagues de froid intense. La plupart du reste de l’année, selon les conditions climatiques, la charge de chauffage n’est qu’une fraction de la charge de pointe. Pour visualiser le profil de la charge de chauffage au cours de l’année, on utilise la Courbe des puissances classées en chauffage. C’est ce qui fait l’objet de cette section. On explique ensuite, à la section 2.1.5, comment cette courbe permet de calculer l’utilisation de chaleur annuelle.
La courbe des puissances classées en chauffage indique, pour les 8 760 heures de l’année, la durée pendant laquelle la charge se maintient en-dessous d’une fraction donnée de la charge de pointe. La Figure 4 est un exemple d’une telle courbe. Dans un réseau de chauffage urbain (en excluant les charges de procédé qui sont traitées à la section 2.1.6), trois contributions constituent l’essentiel de la charge thermique : les déperditions thermiques du réseau, la fourniture d’eau chaude sanitaire et le chauffage des locaux. Les pertes thermiques du réseau enfoui dans le sol peuvent être considérées relativement constantes au cours de l’année. En réalité, elles augmentent légèrement en hiver, le sol devenant plus froid et la température moyenne du réseau étant un peu plus élevée pour qu’il puisse répondre aux besoins plus importants de chaleur. La fourniture d’eau chaude sanitaire est aussi une charge relativement constante dans l’année mais la demande baisse durant la nuit et au cœur de l’été (voir la section 2.1.2). Enfin, la charge de chauffage des bâtiments est généralement la plus importante, sur une grande partie de l’année, et suit les variations saisonnières du climat.
En principe, la courbe des puissances classées en chauffage devrait être établie à partir du profil horaire des variations de la charge thermique afin de montrer toutes les variations possibles auxquelles le système devra répondre. Cependant, cette information est rarement disponible, surtout lorsque s’il s’agit d’un nouveau système au stade de la conception ou de l’analyse de faisabilité. C’est pourquoi une méthode a été conçue, permettant d’établir la courbe des puissances classées en chauffage à partir des degrés-jours mensuels de chauffage. Cette méthode a été développée en s’appuyant sur des études très approfondies d’un système de chauffage central important à Uppsala, en Suède (Larsson, 2003). Cette méthode fait intervenir des facteurs empiriques de corrections mensuelles de la charge de chauffage des bâtiments, qui permettent de prendre en compte les gains solaires, le vent et le comportement des occupants (qui ont une influence sur les gains internes).
Figure 4 : Exemple de courbe des puissances classées en chauffage pour Stockholm en Suède
L’algorithme est présenté plus bas, et est appliqué à l’exemple d’un système de chauffage central de Stockholm en Suède. La température extérieure de calcul de chauffage (voir note 7) est de –19,4 °C; les degrés-jours de chauffage peuvent être tirés de la base de données climatiques RETScreen et sont donnés dans le Tableau 1. L’utilisation de chaleur annuelle pour l’eau chaude sanitaire représente 19 % de l’utilisation annuelle de chauffage (excluant la production de chaleur pour procédé). Selon le Tableau 1, le nombre de degrés-jours annuels de chauffage des locaux seulement est égal à 4 128,8; l’équation (8) permet ensuite de calculer le nombre de degrés-jours de chauffage par jour, équivalent à la charge de chauffage pour produire l’eau chaude sanitaire ; cette valeur est de 2,65 ºC•d/d.
Tableau 1 : Degrés-jours de chauffage à Stockholm en Suède
- ...
- ...
Les 14 points (Ci, Di) définissent la courbe des puissances classées en chauffage exprimée sous la forme d’un pourcentage de la charge de pointe en chauffage. Les coefficients Di calculés dans le cas de l’exemple sont donnés dans le Tableau 3 et la Figure 5 montre la courbe des puissances classées en chauffage qui en résulte.
Tableau 2 : Facteurs empiriques Fi s'appliquant au chauffage utilisés dans le modèle
Tableau 3 : Exemple de calcul des points caractérisant une courbe des puissances classées
Figure 5 : Exemple de courbe des puissances classées en chauffage
2.1.5 Charges mensuelles moyennes et période de charge de pointe
Charge de chaleur mensuelle moyenne
L’aire de la surface située sous la courbe de la Figure 5, multipliée par la charge de chaleur de pointe calculée à la section 2.1.3, représente les besoins d’énergie de chauffage que devra fournir au cours de l’année complète le système de chauffage central étudié. Comme les points de la courbe de la Figure 5 représentent chacun des mois de l’année, triés par ordre décroissant de leurs nombres de degrés-jours totaux de chauffage par jour, il est possible de déterminer, à partir de cette courbe, l’utilisation mensuelle d’énergie de chauffage. Si l’on poursuit la démonstration à partir de l’exemple de la section précédente, la Figure 6 donne un échantillon du calcul de cette valeur pour le point (C8, D8); l’aire hachurée multipliée par la charge de pointe est égale à l’utilisation d’énergie de chauffage pour le mois correspondant. Si on se reporte au Tableau 3 et au Tableau 1, on pourra constater que le 8ième mois classé par ordre décroissant de l’utilisation (correspondant au point (C8, D8)) est celui de novembre.
La même procédure est appliquée à tous les autres mois de la courbe. L’aire hachurée de la Figure 6 peut être déterminée par la méthode du trapèze. Pour calculer les quantités mensuelles d’énergie à fournir à un niveau de puissance donné, on commence par estimer les charges moyennes mensuelles par :
Charge de chaleur mensuelle moyenne
L’aire de la surface située sous la courbe de la Figure 5, multipliée par la charge de chaleur de pointe calculée à la section 2.1.3, représente les besoins d’énergie de chauffage que devra fournir au cours de l’année complète le système de chauffage central étudié. Comme les points de la courbe de la Figure 5 représentent chacun des mois de l’année, triés par ordre décroissant de leurs nombres de degrés-jours totaux de chauffage par jour, il est possible de déterminer, à partir de cette courbe, l’utilisation mensuelle d’énergie de chauffage. Si l’on poursuit la démonstration à partir de l’exemple de la section précédente, la Figure 6 donne un échantillon du calcul de cette valeur pour le point (C8, D8); l’aire hachurée multipliée par la charge de pointe est égale à l’utilisation d’énergie de chauffage pour le mois correspondant. Si on se reporte au Tableau 3 et au Tableau 1, on pourra constater que le 8ième mois classé par ordre décroissant de l’utilisation (correspondant au point (C8, D8)) est celui de novembre.
La même procédure est appliquée à tous les autres mois de la courbe. L’aire hachurée de la Figure 6 peut être déterminée par la méthode du trapèze. Pour calculer les quantités mensuelles d’énergie à fournir à un niveau de puissance donné, on commence par estimer les charges moyennes mensuelles par :
où 
CHi est la charge moyenne mensuelle de chauffage du mois i (incluant la charge d’eau chaude sanitaire), Di est le pourcentage de la charge de pointe, déterminée à la section 2.1.4, et PCH est la charge de pointe de chauffage (incluant la charge d’eau chaude sanitaire), calculée à la section 2.1.3.
Cette procédure est tout à fait acceptable pour les 11 mois autres que le mois qui a le nombre le plus élevé de degrés-jours totaux de chauffage par jour. En effet, la charge de pointe annuelle en chauffage correspond au mois de l’année qui a le nombre le plus élevé de degrés-jours totaux de chauffage par jour. Or, la procédure proposée assimilerait la puissance moyenne mensuelle de ce mois là (appliquée 24 h par jour, pendant les 28 à 31 jours du mois) à la puissance de pointe annuelle. En réalité, la puissance de pointe annuelle survient généralement sur une période plus courte que le nombre de jours du mois multiplié par 24 h et la puissance moyenne mensuelle de ce mois là est en réalité plus basse que la puissance de pointe annuelle. On voit donc que l’on est obligé de tenir compte d’une « période de pointe » dans une analyse plus fine que la seule connaissance du mois où cette pointe apparaît.
C’est la raison pour laquelle la courbe des puissances classées ne comprend pas seulement les 12 points correspondant aux 12 mois de l’année. Le point le plus à gauche dans la Figure 6 donne un pic très prononcé à la courbe car il est égal par définition à 100 %. Ce point correspond à la valeur de la charge de pointe annuelle. Le point (C12, D12), l’avant dernier plus à gauche dans la Figure 6 correspond à la charge de pointe moyenne mensuelle du mois qui a le nombre le plus élevé de degrés-jours totaux de chauffage par jour. L’équation (15) appliquée aux seuls douze mois de l’année ne permet donc pas de savoir quelle quantité annuelle d’énergie doit être fournie au niveau de puissance de pointe et on ne pourrait donc pas connaître avec une précision acceptable la consommation du système de production de chaleur de pointe. Pour connaître cette dernière, on a donc besoin de connaître la « durée de la période de pointe », tout en restant à l’intérieur des 8 760 h d’une année. C’est ce qui est expliqué plus bas.
Cette procédure est tout à fait acceptable pour les 11 mois autres que le mois qui a le nombre le plus élevé de degrés-jours totaux de chauffage par jour. En effet, la charge de pointe annuelle en chauffage correspond au mois de l’année qui a le nombre le plus élevé de degrés-jours totaux de chauffage par jour. Or, la procédure proposée assimilerait la puissance moyenne mensuelle de ce mois là (appliquée 24 h par jour, pendant les 28 à 31 jours du mois) à la puissance de pointe annuelle. En réalité, la puissance de pointe annuelle survient généralement sur une période plus courte que le nombre de jours du mois multiplié par 24 h et la puissance moyenne mensuelle de ce mois là est en réalité plus basse que la puissance de pointe annuelle. On voit donc que l’on est obligé de tenir compte d’une « période de pointe » dans une analyse plus fine que la seule connaissance du mois où cette pointe apparaît.
C’est la raison pour laquelle la courbe des puissances classées ne comprend pas seulement les 12 points correspondant aux 12 mois de l’année. Le point le plus à gauche dans la Figure 6 donne un pic très prononcé à la courbe car il est égal par définition à 100 %. Ce point correspond à la valeur de la charge de pointe annuelle. Le point (C12, D12), l’avant dernier plus à gauche dans la Figure 6 correspond à la charge de pointe moyenne mensuelle du mois qui a le nombre le plus élevé de degrés-jours totaux de chauffage par jour. L’équation (15) appliquée aux seuls douze mois de l’année ne permet donc pas de savoir quelle quantité annuelle d’énergie doit être fournie au niveau de puissance de pointe et on ne pourrait donc pas connaître avec une précision acceptable la consommation du système de production de chaleur de pointe. Pour connaître cette dernière, on a donc besoin de connaître la « durée de la période de pointe », tout en restant à l’intérieur des 8 760 h d’une année. C’est ce qui est expliqué plus bas.
Figure 6 : Exemple de calcul de l'utilisation mensuelle d'énergie de chauffage
Période de charge de chaleur de pointe
Comme on l’a mentionné plus haut, la méthode décrite à la section 2.1.4 permet de calculer la durée de la période de pointe en fonction du nombre de jour du mois qui a le nombre le plus élevé de degrés-jours de chauffage par jour. Cependant, dans un système de cogénération, la période de pointe ne dépend pas uniquement des pointes de chauffage car, selon le mode d’exploitation et la coïncidence des besoins de chaleur, de froid et d’électricité, le système peut devoir avoir faire face à une pointe annuelle à n’importe quel instant de l’année et avoir une durée variable. C’est pour cette raison qu’une période fictive additionnelle, appelée « période de pointe » a été ajoutée au calcul. La période de pointe est cachée aux utilisateurs et est uniquement utilisée pour les calculs ; elle n’apparaît pas non plus dans les résultats de la feuille de calcul. L’expérience montre que si on considère une période de pointe fictive ayant une durée de 140 à 150 heures, on est capable d’obtenir une valeur très représentative de la quantité annuelle d’énergie qui doit être fournie à des niveaux de puissance proches de la puissance de pointe annuelle.
Une conséquence de l’introduction de la période de pointe est de rallonger un peu la durée de l’année, ce qu’il faut corriger ensuite. La façon la plus simple est de raccourcir chacun des mois de l’année d’une douzaine d’heures, ce qui a été retenu dans le modèle RETScreen, sauf pour le mois de février qui a été raccourci de seulement 11 heures. Ainsi, la durée de la période de pointe a été fixée à 143 heures, ce qui permet de rétablir la durée de l’année à 8 760 heures. La courbe des puissances classées, basée sur des valeurs mensuelles, obtenue en utilisant la méthode décrite à la section 2.1.5, et la période additionnelle de pointe sont montrées dans la Figure 5. Le nombre corrigé d’heures de chacun des mois et de la période de pointe sont donnés dans le Tableau 4.
Comme on l’a mentionné plus haut, la méthode décrite à la section 2.1.4 permet de calculer la durée de la période de pointe en fonction du nombre de jour du mois qui a le nombre le plus élevé de degrés-jours de chauffage par jour. Cependant, dans un système de cogénération, la période de pointe ne dépend pas uniquement des pointes de chauffage car, selon le mode d’exploitation et la coïncidence des besoins de chaleur, de froid et d’électricité, le système peut devoir avoir faire face à une pointe annuelle à n’importe quel instant de l’année et avoir une durée variable. C’est pour cette raison qu’une période fictive additionnelle, appelée « période de pointe » a été ajoutée au calcul. La période de pointe est cachée aux utilisateurs et est uniquement utilisée pour les calculs ; elle n’apparaît pas non plus dans les résultats de la feuille de calcul. L’expérience montre que si on considère une période de pointe fictive ayant une durée de 140 à 150 heures, on est capable d’obtenir une valeur très représentative de la quantité annuelle d’énergie qui doit être fournie à des niveaux de puissance proches de la puissance de pointe annuelle.
Une conséquence de l’introduction de la période de pointe est de rallonger un peu la durée de l’année, ce qu’il faut corriger ensuite. La façon la plus simple est de raccourcir chacun des mois de l’année d’une douzaine d’heures, ce qui a été retenu dans le modèle RETScreen, sauf pour le mois de février qui a été raccourci de seulement 11 heures. Ainsi, la durée de la période de pointe a été fixée à 143 heures, ce qui permet de rétablir la durée de l’année à 8 760 heures. La courbe des puissances classées, basée sur des valeurs mensuelles, obtenue en utilisant la méthode décrite à la section 2.1.5, et la période additionnelle de pointe sont montrées dans la Figure 5. Le nombre corrigé d’heures de chacun des mois et de la période de pointe sont donnés dans le Tableau 4.
Tableau 4 : Nombre corrigé d'heures de chaque mois et de la période de pointe
Utilisation totale d’énergie
Il est maintenant possible de procéder au calcul des besoins totaux de chaleur pour le chauffage (des locaux et de l’eau chaude sanitaire) QCH . Il s’agit tout simplement de l’aire de la zone située sous la courbe de la Figure 7, soit :
Il est maintenant possible de procéder au calcul des besoins totaux de chaleur pour le chauffage (des locaux et de l’eau chaude sanitaire) QCH . Il s’agit tout simplement de l’aire de la zone située sous la courbe de la Figure 7, soit :
où PCH est la charge de pointe annuelle en chauffage, CH,i est la charge moyenne mensuelle de chauffage (des locaux et de l’eau chaude sanitaire), calculée à l’aide de l’équation (15), n'i est le nombre corrigé d’heures du mois pris dans le Tableau 4 et n'13 est le nombre d’heures de la période de pointe (143 h).
Ceci complète l’estimation des besoins à combler pour assurer le chauffage des locaux et la production d’eau chaude sanitaire, c’est à dire l’utilisation d’énergie et la puissance de pointe qui devront être fournis par les installations de chauffage central : La charge de chaleur de pointe est donnée par l’équation (10), les charges moyennes mensuelles sont données par l’équation (15) dans la méthode exposée à la section 2.1.5, et l’utilisation annuelle d’énergie est calculée par l’équation (16). La fourniture de chaleur à un procédé, généralement moins dépendante des conditions climatiques, est traitée séparément.
Figure 7 : Charges moyennes de chauffage de chaque mois et de la période de pointe additionnelle
2.1.6 Production de chaleur pour procédé
Les calculs n’ont concerné jusqu’à présent que les besoins de chauffage des locaux et la production d’eau chaude sanitaire (exprimés en degrés-jours équivalents de chauffage). C’est maintenant à la production de chaleur pour des procédés que l’on s’intéresse.
Les charges thermiques associées à un procédé peuvent être entrées soit par la méthode « standard », soit par la méthode « détaillée ». Dans la méthode standard, il suffit à l’utilisateur d’entrer le nombre équivalent d’heures à pleine charge que le procédé consomme. Dans l’autre méthode, l’utilisateur entre un pourcentage de temps de fonctionnement, pour chacun des mois de l’année. Dans les deux cas, l’utilisateur doit indiquer la charge de chaleur de pointe requise pour le procédé.
Une hypothèse utilisée par le modèle RETScreen est que la charge thermique de pointe du procédé coïncide avec celle du chauffage des locaux. En réalité, ce n’est peut-être pas le cas. Mais cette hypothèse représente le ‘pire cas’ auquel la conception du système de chauffage doit pouvoir répondre. La charge thermique de pointe du procédé est donc tout simplement ajoutée à celle du chauffage des locaux, ce qui est exprimé par l’équation (10) :
Les calculs n’ont concerné jusqu’à présent que les besoins de chauffage des locaux et la production d’eau chaude sanitaire (exprimés en degrés-jours équivalents de chauffage). C’est maintenant à la production de chaleur pour des procédés que l’on s’intéresse.
Les charges thermiques associées à un procédé peuvent être entrées soit par la méthode « standard », soit par la méthode « détaillée ». Dans la méthode standard, il suffit à l’utilisateur d’entrer le nombre équivalent d’heures à pleine charge que le procédé consomme. Dans l’autre méthode, l’utilisateur entre un pourcentage de temps de fonctionnement, pour chacun des mois de l’année. Dans les deux cas, l’utilisateur doit indiquer la charge de chaleur de pointe requise pour le procédé.
Une hypothèse utilisée par le modèle RETScreen est que la charge thermique de pointe du procédé coïncide avec celle du chauffage des locaux. En réalité, ce n’est peut-être pas le cas. Mais cette hypothèse représente le ‘pire cas’ auquel la conception du système de chauffage doit pouvoir répondre. La charge thermique de pointe du procédé est donc tout simplement ajoutée à celle du chauffage des locaux, ce qui est exprimé par l’équation (10) :
où PH est la charge de chaleur de pointe totale, PCH est la charge de chaleur de pointe pour le chauffage (des locaux et pour la production d’eau chaude sanitaire), obtenue par l’équation (10), et PPH est la charge de chaleur de pointe du procédé, donnée par l’utilisateur.
Dans la méthode « standard », la charge de chaleur de pointe du procédé est égale à la charge de pointe PPH pendant la période définie à la section 2.1.5, et est fixée à une valeur constantePH durant chacun des mois de l’année de manière à ce que l’utilisation totale annuelle d’énergie soit égale au produit de la charge de pointe multipliée par le nombre annuel équivalent d’heures de fonctionnement à plein régime, nombre spécifié par l’utilisateur. En utilisant la méthode « détaillée », l’utilisateur doit fournir pour chacun des mois de l’année le pourcentage équivalent de temps pendant lequel le procédé est en opération à plein régime. La charge moyenne mensuelle thermique du procédé PH,i est donnée par :
Dans la méthode « standard », la charge de chaleur de pointe du procédé est égale à la charge de pointe PPH pendant la période définie à la section 2.1.5, et est fixée à une valeur constante
où ei est le pourcentage équivalent de temps dans le mois i pendant lequel le procédé est en opération à plein régime.
La charge de chaleur de pointe du procédé PPH et les charges moyennes mensuelles thermiques du procédéPH ou PH,i sont additionnées à leurs équivalentes pour le chauffage des locaux et de l’eau chaude sanitaire (données par l’équation (16)) pour obtenir l’utilisation totale annuelle d’énergie de chauffage, QH .
La charge de chaleur de pointe du procédé PPH et les charges moyennes mensuelles thermiques du procédé
2.1.7 Nombre équivalent d’heures à plein régime
Le nombre équivalent d’heures de fonctionnement à plein régime Ehpr est le nombre théorique d’heures de fonctionnement dans l’année d’un système dont la capacité serait égale à la charge de pointe et qui fonctionnerait à pleine capacité. Ce nombre est simplement obtenu par :
Le nombre équivalent d’heures de fonctionnement à plein régime Ehpr est le nombre théorique d’heures de fonctionnement dans l’année d’un système dont la capacité serait égale à la charge de pointe et qui fonctionnerait à pleine capacité. Ce nombre est simplement obtenu par :
où QH est l’utilisation totale annuelle d’énergie, donnée par l’équation (1), et PH est la charge de pointe totale donnée par l’équation (17).
2.1.8 Mesures d’efficacité énergétique
Quand on prévoit des mesures d’efficacité énergétique, le modèle considère qu’elles réduisent d’un pourcentage égal, donné par l’utilisateur, à la fois l’utilisation d’énergie et la charge de pointe.
Quand on prévoit des mesures d’efficacité énergétique, le modèle considère qu’elles réduisent d’un pourcentage égal, donné par l’utilisateur, à la fois l’utilisation d’énergie et la charge de pointe.
7. Noter que cette valeur est plus froide que la température extérieure de calcul de chauffage disponible dans la base de données climatiques RETScreen, qui est de -14,44 °C. La valeur de 19, 4 °C correspond à un critère de conception plus conservateur.
