Exergia : outil pour promouvoir l'efficacité énergétique dans les bâtiments

2020/10/12 Ana Picallo Perez - ENEDI ikerketa-taldeaEnergia Ingeniaritza Saila (EHU) | José M. Sala Lizarraga - ENEDI ikerketa-taldeaEnergia Ingeniaritza Saila (EHU) | Eider Iribar Solaberrieta - Eraikuntza Kalitatearen Kontrolerako LaborategiaEusko Jaurlaritza Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Quel est plus lourd 1 kg de paille ou 1 kg de fer? Beaucoup savent que si l'unité de poids est kg, ils pèseront la même chose. Nous vous demandons si l'unité d'énergie est kWh, où est le plus d'énergie dans un réservoir de gaz naturel de 1 kWh ou dans une chambre à air chaud de 1 kWh ? Dans les deux récipients il y a la même quantité d'énergie, mais quel type d'énergie a le plus d'utilité du point de vue de la qualité?

Un flux d'énergie, en plus d'avoir une quantité d'énergie, a une qualité, c'est-à-dire une capacité de travail utile, par exemple: allumer une lumière, climatiser un séjour ou déplacer une voiture. Ainsi, la capacité d'énergie chimique de 1 kWh stockée dans un récipient à gaz naturel est plus grande que l'énergie thermique de 1 kWh dans une masse d'air à 20 °C ; en définitive, on peut obtenir une série de travaux utilisant l'énergie chimique du gaz naturel (climatisation, travail mécanique, allumage d'une ampoule, etc. ). ), mais avec l'énergie thermique de l'air il est seulement possible de climatiser l'air, mais en termes quantitatifs les deux ont une énergie de 1 kWh (voir figure 1).

La demande énergétique des bâtiments présente des niveaux élevés de qualité. D'une part, l'électricité est consommée, comme par exemple dans l'éclairage, les appareils, les ascenseurs, etc. D'autre part, l'approvisionnement en eau chaude sanitaire et la satisfaction des demandes de chauffage et de refroidissement se fait généralement par des énergies de haute qualité comme le gaz naturel (énergie chimique). Cependant, comme la demande de chauffage ou de refroidissement est satisfaite par des énergies de faible qualité (énergie thermique), la qualité énergétique finale ne correspond pas à la qualité de la demande (voir figure 2).

Jusqu'à présent, même si la plupart des systèmes énergétiques ont été conçus quantitativement, ils devraient être conçus en tenant compte de la qualité (c'est-à-dire l'exergia), avec les avantages que cela comporte. En outre, en plus d'encourager l'efficacité énergétique, il est nécessaire d'intégrer l'aspect environnemental pour obtenir des systèmes énergétiques avec moins d'impact environnemental, c'est-à-dire pour promouvoir la durabilité.

L'objectif de ce travail est de réfléchir sur les bénéfices d'appliquer le concept d'exergia dans le domaine des bâtiments. La promotion de l'efficacité énergétique et de la durabilité des bâtiments est essentielle compte tenu de la forte consommation énergétique du secteur et de son potentiel d'amélioration.

Qu'est-ce que l'exergia?

L'exergia représente la capacité d'une énergie à se transformer en travail. Quelques formes d'énergie peuvent être entièrement transformées, par exemple, en énergie électrique où toute l'énergie est exergia. Cependant, il existe d'autres formes d'énergie comme la chaleur, dans lesquelles seule une partie peut se transformer en travail, de sorte que le flux d'exergia n'est qu'une partie d'un flux de chaleur [1].

D'autre part, la capacité de transformation de l'énergie en travail correspond au degré de déséquilibre de l'énergie avec l'environnement. Par exemple, si l'énergie interne de l'eau d'un lac est énorme, son potentiel de génération de travail est nul. Plus l'environnement est loin, plus la capacité de se transformer en travail est grande. Par conséquent, une masse d'eau chaude à 60ºC présente une exergia plus grande que si elle est à 40ºC, puisqu'elle est plus éloignée de la température ambiante.

Ces idées de qualité sont recueillies sur le deuxième principe de la thermodynamique : même si l'énergie n'est pas produite ou détruite (premier principe de la thermodynamique), la qualité de cette énergie est de moins en moins irrécupérable. Cette perte de qualité est liée aux imperfections des équipements et des processus, appelée irréversibilité ou destruction d'exonérations.

Comment se marient les concepts exergia et économie ?

Notre société a besoin de plus en plus d'énergie, mais les ressources naturelles sont limitées. Par conséquent, il est essentiel pour l'amélioration des systèmes de comprendre les mécanismes de dégradation de l'énergie et des ressources et de développer des procédures systématiques pour réduire leur impact environnemental. Si on combine l'analyse exérgique avec l'économie, on obtient un puissant outil d'analyse et d'optimisation de systèmes qu'on appelle exergoeconomics [2].

En exerguant une énergie utile pour la société, elle a de la valeur économique et nous devons la soigner. Quand nous payons pour la consommation d'énergie, nous payons vraiment sa disponibilité, c'est-à-dire son exagération. Par conséquent, l'exergia est une base rationnelle pour évaluer les ressources, processus, équipements et efficacités des systèmes et évaluer les coûts des produits des systèmes.

Comment se marient les concepts exergia et environnement ?

Presque toute l'énergie (et donc l'exergia) atteint la surface terrestre depuis le Soleil. L'exergie absorbée par la Terre est détruite peu à peu, mais dans cette destruction sont gérés les cycles d'eau, de vent et de vie du sol. Les usines absorbent l'exergia du soleil et le convertissent en exergia chimique par la photosynthèse. Par la chaîne alimentaire, cette exergie chimique passe par les organismes dans les écosystèmes.

D'autre part, les problèmes énergétiques et environnementaux sont actuellement notoires, comme le réchauffement climatique, la pollution de l'air, la pollution des eaux superficielles et souterraines, les déchets solides, la dégradation des sols, etc. Cependant, au lieu d'associer cette dégradation à l'énergie, elle doit s'associer à l'exergia.

L'analyse exergienne est un puissant outil pour réaliser des processus et des installations plus efficaces et, en même temps, réduire la consommation de ressources (exergia) et donc réduire les déchets générés. Par conséquent, l'utilisation de méthodes exergatives implique une évaluation adéquate de la pollution atmosphérique, des rejets liquides ou solides, etc., discipline qu'on appelle économie environnementale (exergoenvironmics) [3].

Comment se marient les concepts d'exergisme et de durabilité ?

Le développement durable de la société et, en particulier, du secteur de la construction passe par la fourniture durable des ressources naturelles. La limitation de la plupart des biens naturels oblige leur utilisation efficace pour les maintenir dans un délai plus long. En outre, le minerai peut être considéré un vecteur d'exergia : un réservoir de minéraux contraste avec l'environnement, et plus la concentration du minerai est élevée, plus le contraste est grand et plus le potentiel de travail (exergia) est grand.

Compte tenu de ces idées, l'analyse exergative permet d'analyser le degré d'efficacité d'une société et l'équilibre dans la consommation de ses ressources physiques. De cette façon, il est possible de comparer les sociétés mondiales et d'analyser le système international si nous voulons distribuer les ressources d'une manière plus juste dans le monde.

L'application de l'énergie dans les bâtiments favorise l'efficacité énergétique

Le secteur de la construction est étroitement lié à la consommation de ressources naturelles et aux émissions atmosphériques. Si nous analysons les bâtiments tout au long de leur cycle de vie (construction, utilisation et démolition), ils réduisent la couche d'ozone en raison de l'utilisation de différents produits chimiques. Ils contribuent également au changement climatique en raison des émissions de CO2 élevées pendant la phase de construction et pendant la durée de vie.

L'analyse exérgique est d'une grande utilité tant pour l'étude que pour la conception des systèmes des bâtiments et de l'ensemble du bâtiment. Comme déjà mentionné, en considérant l'aspect qualitatif de l'énergie (qualité énergétique), on obtient des informations sur l'adéquation de l'énergie utilisée et la demande énergétique. Ainsi, les sources d'énergie de faible qualité, comme les chaleurs résiduelles, peuvent être utilisées pour satisfaire des demandes de faible qualité comme la climatisation. On quantifie donc la consommation minimum d'exergia nécessaire pour satisfaire la demande (voir Figure 3. C'est pourquoi l'exergia renforce l'efficacité énergétique et les sources renouvelables.

En outre, on quantifie les pertes d'exergia le long de la chaîne énergétique et on met en évidence le potentiel d'amélioration énergétique, qu'il n'est pas possible d'obtenir avec les analyses énergétiques. D'autre part, il fournit une base commune pour comparer l'efficacité énergétique des systèmes et installations des bâtiments. De cette façon on peut comparer avec l'exergia la chaleur du combustible de combustion d'une chaudière et le gain solaire d'une fenêtre.

Les pertes et destructions d'exemption identifient les lieux et les causes de l'inefficacité d'un système. Cela facilite la prise de décision pour l'application de mesures d'amélioration.

Bien que l'analyse exérgique est intéressante, il ya quelques années, il a commencé à étudier son application dans les bâtiments. Il peut être complexe pour certains professionnels et, malheureusement, les calculs de méthodes exergatives semblent gênants, et leurs résultats peuvent parfois être difficiles à interpréter ou à comprendre.

De même, l'analyse exergienne montre les faibles rendements exérgiques des systèmes conventionnels. Par exemple, si une chaudière à gaz conventionnelle a un rendement énergétique de 85-90%, son rendement énergétique est de 18-20%. En fait, avec l'analyse exergienne il est souligné que certains des processus et systèmes utilisés habituellement sont fondamentalement erronés, ce qui peut aller contre les intérêts de certains.

Par conséquent, l'exergia est une variable de grande signification

Ce travail présente les idées clés pour l'application de l'analyse exergologique dans les bâtiments, tant du point de vue énergétique qu'économique et environnemental.

L'analyse exérgique est utilisée pour analyser le comportement des bâtiments, afin de quantifier précisément les pertes. Cette information, indispensable pour la promotion de l'efficacité énergétique et la meilleure utilisation des ressources, n'est possible que par l'application de la deuxième loi de la thermodynamique. Toutes ces caractéristiques font de l'exergia un bon outil pour stimuler la durabilité dans le domaine de l'ingénierie et de l'architecture.

Il faut donc disposer de modèles détaillés d’analyses exergonomiques et de méthodologies de calcul spécifiquement conçues dans les bâtiments, afin de mettre à jour le concept et de l’utiliser par les professionnels du secteur, objectif du livre récemment publié «Analyse exérgique et thermoéconomie dans les bâtiments: analyse et conception de systèmes énergétiques durables» [4] (voir figure 4).

 

BIBLIOGRAPHIE

1 Pierre, A., Écuyer, C., Fleurs, I., • Salle, J. M. 2016 Symbolic thermoeconomics in building energy supply systems. Energy and Buildings, 127, 561-570.

2 Picallo-Perez, A., Salle, J. M. Tsatsaronis, G., Sayadi, S. 2020. Advanced Exergy Analysis in the Dynamic Framework for Assessing Building Thermal Systems. Entropy, 22(1), 32.

3 Dincer, I., Rosen, M. A. Al-Zareer, M. 2018. 1.9 Exergoenvironmental Analysis. Comprehensive Energy Systems, 377.

4 Sala-Lizarraga, J. M. Picallo-Perez, A. 2019.Exergy Analysis and Thermoeconomics of Buildings: Design and Analysis for Sustainable Energy Systems. Butterworth-Heinemann.