Intrants du calcul de charge

Le calcul de charge de chauffage et de refroidissement permet de déterminer la quantité maximale de chaleur qui doit être ajoutée ou retirée d’une zone par le système CVCA afin d’y maintenir les conditions souhaitées (Spitler, 2014).

Pour effectuer le calcul, divers intrants sont nécessaires et portent sur les conditions de conception extérieures et intérieures, les propriétés thermiques des matériaux constituant l’enveloppe du bâtiment, les gains de chaleur générés à l’intérieur du bâtiment et l’infiltration au travers l’enveloppe (Spitler, 2014; ASHRAE, 2017b). Les caractéristiques géométriques et le zonage thermique du bâtiment sont aussi nécessaires. Ces intrants, détaillés dans cette section, proviennent du concept architectural du bâtiment ainsi que des décisions conceptuelles d’ingénierie. Une collaboration étroite entre les divers intervenants d’un projet est donc requise (Negendahl, 2015).

Conditions extérieures de conception 

Les conditions extérieures de conception sont basées sur la sélection d’un ou de plusieurs jours de conception. Un jour de conception vise à reproduire le plus fidèlement possible les conditions extrêmes raisonnables (Spitler, 2014).

La charge de chauffage est déterminée pour un moment fixe d’un seul jour de conception, sans rayonnement solaire ni dégagement de chaleur interne. Le profil de charge de chauffage peut être considéré constant dû aux périodes de froid et de noirceur souvent longues (Spitler, 2014). La charge de refroidissement est déterminée pour chaque heure d’un jour de conception puisque, au courant d’une journée, le profil de charge de refroidissement est particulièrement changeant dû, entre autres, au rayonnement solaire variable.

Les conditions extérieures de conception sont choisies pour des conditions critiques représentatives des conditions géographiques (ex. : conditions critiques de température sèche, d’humidité, d’enthalpie ou de vent) ainsi que pour une fréquence d’occurrence, soit la probabilité statistique de rencontrer certaines conditions dans une période de temps (Reddy et al., 2017). Des fréquences d’occurrence existent pour une approche de calcul de charge utilisant des conditions extérieures de conception critiques annuelles ou saisonnières (ex. : mensuelles). Une approche saisonnière, qui requiert d’utiliser plusieurs jours de conception, est recommandée  lors du calcul de la charge de refroidissement puisque, par exemple, l’orientation et l’intensité du soleil pour un mois particulier peuvent influencer le moment où se produit la charge maximale d’une zone. Selon Spitler (2014), pour des conditions critiques de température sèche, une fréquence d’occurrence annuelle est approximativement équivalente à cinq fois une fréquence mensuelle, telle que le présente la relation (1.1) .

𝑛% 𝑎𝑛𝑛𝑢𝑒𝑙𝑙𝑒 ≈ 5𝑛% 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑒𝑙𝑙𝑒 (1.1)

L’utilisation de l’heure d’été, pratique qui vise à maximiser l’utilisation de la lumière naturelle en avançant l’heure locale d’une heure par rapport à l’heure normale en été, doit être considérée lors du calcul de charge et définit lors de la sélection du ou des jours de conception. Au Canada, l’heure d’été est utilisée de mars à novembre.

Le rayonnement solaire utilisé afin de déterminer la charge de refroidissement doit être estimé pour un ciel dégagé d’été. Plusieurs modèles de calcul, ayant des requis en information distincts et de complexité variée, ont été élaborés. Ceux-ci permettent de calculer le rayonnement direct, rayonnement provenant du faisceau lumineux, et diffus. Badescu (2013) a répertorié 18 modèles, dont le modèle ASHRAE Clear-Sky qui est utilisé mondialement pour la réalisation du calcul de charge de refroidissement (Badescu, 2013). Ce modèle existe sous deux versions, soit la version initiale, utilisant un coefficient de clarté du ciel, et la version révisée utilisant des données expérimentales de rayonnement.

Modèle ASHRAE Clear-Sky initial
Un premier modèle de calcul du ASHRAE Clear-sky a été proposé en 1972, puis révisé en 2005, classant ce modèle parmi les plus précis (Badescu, 2013). Ce modèle utilise le Clearness Number (CN), un coefficient qui décrit les conditions de l’atmosphère afin d’ajuster le rayonnement solaire direct normal. Le CN représente le rapport entre le rayonnement solaire réel à l’emplacement évalué et le rayonnement calculé pour l’atmosphère de référence pour le même emplacement (ASHRAE, 2011). En appliquant ce coefficient, un ajustement est fait au rayonnement direct normal de référence, obtenu au niveau de la mer, en fonction de la teneur en eau de l’air et de l’altitude de l’atmosphère de l’emplacement étudié. Le CN varie entre 1,2, pour des conditions atmosphériques dégagées (faible teneur en eau), et 0,8, pour des conditions nuageuses (grande teneur en eau) (ASHRAE, 2011). Il est possible de déterminer le CN à l’aide d’une carte obtenue suite aux travaux de Threlkeld Jordan (1958) .

Modèle ASHRAE Clear-Sky révisé
En 2009, le modèle de calcul ASHRAE Clear-sky a été révisé. Des données de rayonnement, soit la profondeur optique du faisceau direct et diffus, ont été répertoriées expérimentalement pour 5564 emplacements, et ce, pour chaque mois. Ce modèle nécessite le calcul de la masse de l’air (DOE, 2018a) permettant l’utilisation des conditions atmosphériques de l’emplacement étudié, et ce, sans coefficient d’ajustement. Le modèle révisé produit des résultats plus plausibles que le modèle initial, plus particulièrement pour le rayonnement diffus (DOE, 2018a).

Caractéristiques géométriques du bâtiment 

Les caractéristiques géométriques permettent de localiser et différencier les éléments qui délimitent chacun des espaces du bâtiment afin de calculer les périmètres, les superficies et les volumes utilisés dans le calcul de charge.