Analysis and simulation of defects of operation for air conditioning audit
Analyse et simulation de défauts des équipements de climatisation en vue d'un audit énergétique
Résumé
Nowadays air conditioning is a significant energy stake because of its frequent use in new buildings (also strengthened by global warming) and of the European stock already important. The Directive on Energy Performance of Buildings wants to improve the air conditioning performance through the regular inspection for systems over 12 kW. The inspection aims to assess how the system works and then to propose measures for improvement. While for heating audit methods exist since many years, methods for air conditioning are rare, sometimes derived from those for heating and not optimised. The thesis wants to identify and quantify the problems that air conditioning systems meet all along their lifetime from a technical standpoint. The question is how to detect the operation problems and what are their energy impacts and effects on comfort. The air conditioning technologies are many and change depending on the building type and specific needs. Two types of systems have been analysed, the most common on the European market: the split air conditioners and chillers. The characteristics of the chosen systems are representative of system widely present in the stock. The most common defects for these two types of system have been taken as a base. Different methods of analysis were applied. Firstly, a method of qualitative analysis of defects by a schematic representation of tree defects. This enabled us to better understand the physics of each defect. Then a quantitative method of modelling at fixed temperature conditions allowed us to define the parameters and measurable effects on performance. In order to be closer to reality, the systems have been modelled in variable conditions. The model takes into account part-load operation of the system and can quantify the effects in terms of seasonal consumption and impact on comfort in cases of French typical buildings placed in climates of reference. Finally, a temporal method links the level of the defect to the operation time in order to observe the gradual deterioration and to determine the optimal frequency of corrective action in terms of energy and cost. We could thus obtain a multi-year performance curve with or without corrective or preventive action. Modelling is the main tool of this thesis because of its flexible and efficiency to isolate the effect of degradation of each defect. Moreover, the studied problem is a case where the experimental verification is long and where the various effects interfere with each other. All the experimental elements identified in the literature were used to validate the results and to set some models.
Dans le contexte énergétique actuel une vraie chasse aux économies d'énergie est ouverte, spécialement dans le secteur du bâtiment qui constitue en Europe le secteur le plus énergivore. D'un côté les innovations technologiques sont importantes et les nouvelles constructions ont des consommations très inférieures aux anciennes. De l'autre côté, le taux de renouvellement de bâtiments et des systèmes n'est pas capable d'assumer à lui seul les objectifs de réduction de consommations et d'émissions de CO2 (Kyoto, facteur 4 etc.). Ce n'est donc qu'en s'intéressant à l'existant que de tels objectifs deviennent possibles. La climatisation est aujourd'hui un enjeu car le marché est en forte croissance (renforcé aussi par le réchauffement de la planète) et le stock européen est déjà important. La Directive de performance énergétique des bâtiments s'intéresse aux systèmes de climatisation en prévoyant l'inspection périodique des systèmes de plus de 12 kW. L'inspection vise à évaluer le bon fonctionnement du système et ensuite à proposer des actions d'amélioration. La thèse cherche à déterminer et quantifier les problèmes que les principaux systèmes de climatisation rencontrent pendant leur vie du point de vue technique. Il s'agit de savoir comment les détecter, quels sont les impacts énergétiques et les effets sur le confort. Les technologies de climatisation sont nombreuses et diversifiées selon le type et les besoins spécifiques du bâtiment. On a donc retenu deux types de système à analyser, les plus courants sur le marché européen : les climatiseurs split et les groupes de production d'eau glacée. Les caractéristiques des appareils représentatifs sont celles des technologies utilisées dans les années passées et couramment présentes dans le stock. Après avoir déterminé les défauts de fonctionnement les plus courants pour ces deux types de système, les défauts sont analysés du point de vue physique puis modélisés par des outils spécifiques bâtis à partir d'une structure existante, afin de mesurer les impacts sur les performances et de déterminer les paramètres mesurables qui caractérisent chaque défaut. Ensuite, on observe les effets des défauts dans un contexte plus proche de la réalité par des simulations qui incluent la dégradation des systèmes dans des bâtiments type avec des climats de référence. Une troisième étape de ce travail consiste à relier le niveau du défaut au temps afin d'observer la dégradation progressive et de pouvoir déterminer la fréquence des actions de correction optimisée en termes d'énergie et de coût. On peut ainsi obtenir une courbe de performance pluriannuelle avec ou sans action corrective ou préventive. La modélisation est l'outil principal de cette thèse car flexible et performant pour isoler l'effet de dégradation de chaque défaut. Surtout, le problème posé constitue un cas ou la vérification expérimentale est longue et où les différents effets s'additionnent. Ceci étant, tous les éléments expérimentaux recensés dans la littérature ont été utilisés pour valider les résultas et paramétrer certains modèles.
Loading...