Principes de base de la ventilation

 

© Architecture et climat 2023.

La qualité d’air intérieur dépend notamment de :

  1. L’air extérieur
  2. Le mobilier
  3. Les produits et équipements de construction
  4. La ventilation
  5. Le comportement des usagers

Pourquoi faut-il ventiler ?

Pour maitriser l’énergie

La ventilation hygiénique fait partie du trio indissociable formé avec l’étanchéité à l’air et l’isolation thermique permettant le bon achèvement d’un bâtiment confortable et performant énergétiquement. L’un ne va pas sans l’autre. En effet, augmenter l’isolation sans penser aux pertes dues au niveau d’étanchéité à l’air du bâtiment n’a pas de sens… Et dès lors que le bâtiment est suffisamment étanche à l’air, il devient impératif de ventiler pour assurer une bonne qualité de l’air intérieur et garantir des ambiances intérieures confortables.

Pour garantir une bonne qualité de l’air intérieur

Ainsi, l’être humain passe entre 80% et 90% de son temps dans un espace intérieur clos et y respire de l’air intérieur bien souvent plus pollué que l’air extérieur. Pour évacuer ces polluants présents dans l’air et garantir une bonne qualité de l’air pour notre confort respiratoire et notre santé, il est nécessaire de ventiler les locaux dans lesquels nous vivons. De même, il peut être nécessaire d’évacuer le surplus d’humidité des bâtiments afin d’éviter tous dégâts dus à la condensation et garantir la bonne santé du bâtiment autant que celle des occupants.

Pour oxygéner le bâtiment

Dès lors que le bâtiment est un tant soit peu étanche à l’air et que les appareils de combustion se trouve à l’intérieur du volume protégé, il devient nécessaire d’assurer l’alimentation en air et donc en oxygène du bâtiment pour permettre la combustion utile au système de chauffage.


Comment ventiler ?

Pour atteindre les débits d’air et les renouvellements d’air prévus par les normes ou ceux nécessaires afin de garantir le confort respiratoire et la santé des occupants et du bâtiment, un système de ventilation hygiénique de base doit prévoir :

  • une amenée d’air frais dans les locaux dits « secs » : bureaux, salle de réunion, salle de séjour, chambre…
  • une évacuation de l’air vicié et humide dans les locaux dits « humides » : sanitaires, vestiaires, cuisine, salle de bain…
  • un transfert de l’air des locaux secs aux locaux humides
  • une gestion efficace pour garantir les débits voulus tout en limitant les pertes énergétiques

Les locaux où l’air doit être fournit doivent donc disposer d’une alimentation en air et ceux où l’air doit être enlevé, d’une extraction. Celles-ci peuvent être naturels (simple ouverture vers l’extérieur) ou mécanique (équipée d’un ventilateur). Ceci donne lieu à une classification des systèmes de ventilation en 4 modes principaux :

Évacuation Alimentation
Naturelle Mécanique

Naturelle

Système A ou Ventilation naturelle Système B ou Simple flux par insufflation

Mécanique

Système C ou Simple flux par extraction
Système D ou Double flux

Les dénominations A, B, C et D proviennent de la norme NBN D50-001 qui traitent des dispositifs de ventilation dans les bâtiments d’habitation et sont donc propres au milieu résidentiel. Cette norme distingue également trois type d’ouverture nécessaire à la ventilation correcte des locaux :

OAR

Ouverture d’amenée d’air réglable ou entrée d’air naturelle comportant au minimum 3 positions de réglage entre la position fermée et l’ouverture maximum (grille, vasistas, …).

OER

Ouverture d’évacuation d’air réglable ou évacuation naturelle d’air comportant au minimum 3 positions de réglage entre la position fermée et l’ouverture maximum (conduit vertical), la position fermée laissant passer un débit de fuite de 15 à 25 % du débit en position complètement ouverte.

OT

Ouverture de transfert ou ouverture permettant le transfert naturel d’air entre deux locaux (grille, interstice sous les portes, …)

Quels types de ventilation ?

  • La ventilation naturelle se fait par les interstices (infiltration) et par les ouvertures (ventilation) du bâtiment. L’air circule sous l’effet du vent, des différences de températures et des jeux de pressions. L’ouverture des grilles, bouches ou fenêtres peut se faire manuellement ou mécaniquement.
  • La ventilation mécanique utilise des composants motorisés, ventilateurs, pour forcer la circulation l’air à l’intérieur du bâtiment. On parle de simple flux par extraction si le ventilateur sert à faire sortir l’air du bâtiment, de simple-flux par insufflation s’il sert à faire entrer l’air ou de double flux si le système combine les deux.
  • La ventilation hybride correspond à une ventilation naturelle assistée ou remplacée mécaniquement sur certaines périodes de fonctionnement.
  • La ventilation de base consiste à alimenter le bâtiment en air frais en permanence durant les activités normales.
  • La ventilation intensive est nécessaire en cas d’occupation et de besoins particuliers comme une surchauffe exceptionnelle, un ensoleillement intensif, des activités exceptionnellement polluantes, … afin que le climat reste dans des limites acceptables.

Exemple de ventilation naturelle – Cas de l’hébergement


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  1. Amenées d’air naturel
  2. Grille de transfert
  3. Bouche d’extraction
  4. Evacuation naturelle

L’air est introduit naturellement dans les chambres par des ouvertures en façade et évacué naturellement par des conduits verticaux dans les sanitaires.


Exemple de ventilation simple flux (pulsion) – Cas de l’hébergement

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  1. Prise d’air extérieur
  2. Filtre
  3. Préchauffage
  4. Ventilateur
  5. Gestion des débits
  6. Evacuation naturelle
  7. Bouche d’extraction
  8. Bouche de pulsion
  9. Grille de transfert

L’air est pulsé dans les chambres et évacué naturellement par des conduits verticaux dans les sanitaires.


Exemple de ventilation simple flux (extraction) – Cas d’une école

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  1. Amenée d’air naturelle
  2. Grille de transfert
  3. Gestion des débits
  4. Ventilateur
  5. Bouche d’extraction
  6. Conduit

L’air est introduit naturellement dans les classes par des ouvertures en façade et évacué mécaniquement (en tout ou en partie) dans les sanitaires.


Exemple de ventilation double flux – Cas d’un immeuble de bureaux

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  1. Prise d’air extérieur
  2. Filtre
  3. Préchauffage
  4. Ventilateur
  5. Gestion des débits
  6. Bouche d’extraction
  7. Conduits
  8. Grille de transfert

L’air est pulsé dans les bureaux évacué mécaniquement (en tout ou en partie) dans les sanitaires.

Grilles de transfert

Grilles de transfert

Les dispositifs de transfert de l’air sont nécessaires pour permettre le passage de l’air entre les locaux dans lesquels l’air neuf est amené et les locaux dans lesquels l’air vicié est évacué.


Grilles dans les portes intérieures

   

Grille de transfert à placer dans une porte.

Le débit nominal de la grille est mentionné dans la documentation des fournisseurs pour une différence de pression de 2 Pa. Les grilles de transfert ne peuvent pas être réglées. Elles sont généralement composées de lamelles obliques formant écran à la vue.

Différentes possibilités de vision au travers d’une grille.

Sur le plan acoustique, les grilles intérieures courantes entraînent une diminution considérable de la valeur d’isolation de la porte. Il existe toutefois des modèles qui ont une meilleure valeur d’isolation acoustique. Elles sont composées d’une chicane enrobée d’une matériau absorbant.

Ouvertures de transfert acoustiques.

Grilles de transfert acoustiques.

Coupe dans une porte munie d’une ouverture de transfert acoustique garnie d’un matériau absorbant.


Grilles dans les murs intérieurs

Les grilles peuvent être encastrées dans les murs intérieurs mêmes. Comme ces derniers ont habituellement une épaisseur plus importante, ce genre d’ouverture de transfert offre plus de possibilités sur le plan des performances acoustiques. En outre, leur encastrement est plus esthétique et moins visible. Elles peuvent être disposées derrière un meuble, un radiateur. Leur inconvénient est qu’elles doivent généralement être prévues lors du gros œuvre.


Fentes sous les portes

Des simples fentes sous une porte peuvent également servir d’ouverture de transfert. La section nette de la totalité des fentes doit s’élever à au moins 70 cm² par local. Lors de l’installation de la porte, il importe de tenir compte du parachèvement du sol pour qu’en final subsiste une ouverture suffisante. Par exemple, lorsque le sol doit être ultérieurement recouvert de moquette, l’épaisseur du tapis à prendre en compte pour déterminer la hauteur de la fente est au moins de 10 mm (attention cependant à ce que ce relèvement de la porte ne soit considéré comme une erreur de finition !).

Schéma fentes sous les portes.

Les performances acoustiques des fentes sous une porte sont assez médiocres. Par exemple, une fente de 10 mm de hauteur correspond à une diminution de l’isolation acoustique de 11 dB.


Grilles coupe-feu

L’A.R. du 19 décembre 97 impose que toute paroi séparant un lieu de travail d’un chemin d’évacuation (en gros les couloirs) soit classée « Rf 1/2 h ».

Pour répondre à cette exigence, il existe des grilles dont les lames sont composées d’un matériau intumescent. Les lames gonflent lorsque la température s’élève (de l’ordre d’une centaine de degrés), obturant ainsi l’ouverture et fournissant une résistance au feu de l’ordre d’une heure.

Grille coupe-feu.

Salle d'opération

Analyser les besoins thermiques : une salle d’opération

Salle d'opération

Facture globale de l’hôpital

Afin de pouvoir estimer l’importance de la climatisation des salles d’opération par rapport à la consommation globale d’un hôpital, il est nécessaire de se référer à quelques ratios.

Consommations électriques

Le graphe suivant montre la consommation moyenne électrique annuelle du secteur.

(Source ICEDD).

Dans le cas considéré, la consommation annuelle est de 9,5 MWh/lit.an ou 1,9  GWh/200 lits.an.

Consommations thermiques

Le graphe suivant montre la consommation moyenne thermique annuelle du secteur.

(Source ICEDD).

Dans le cas considéré, la consommation annuelle est de 17,7 MWh/lit.an ou 3,5 GWh/200 lits.an.


Besoins thermiques de la salle d’opération

1. Hypothèses

Un hôpital moyen comprend 200 lits. D’expérience, le nombre de salles d’opération est environ de 2 par 100 lits, ce qui signifie que l’on prend comme base un hôpital avec 4 salles d’opération.

Voici les prix moyens du kWh prix en compte dans la simulation

  • électrique : 11 c€/kWh,
  • thermique : 3,25 c€/kWh.

2. Apports

Les salles d’opération sont de plus en plus isolées et se rapprochent du concept des salles blanches rencontrées dans l’industrie :

  • les apports externes sont limités,
  • de par le développement de l’imagerie médicale dans les interventions chirurgicales, les apports internes deviennent importants,
  • si un taux élevé de renouvellement d’air est jugé nécessaire à la garantie de l’hygiène de la salle, les débits sont importants.

En pratique, on distingue des apports :

  • quelquefois solaires,
  • souvent internes (luminaires, occupation, monitoring, imagerie médicale, etc.),
  • faibles des parois (positifs ou négatifs selon la saison),
  • faibles de ventilation et d’infiltration (positifs ou négatifs selon que l’air pénétrant dans le local est plus chaud ou plus froid que l’ambiance). Le local est en principe mis en surpression (ce qui annule les infiltrations), mais un régime en dépression peut aussi être choisi si le patient est infecté.

Suite à ces faibles besoins, la température de l’air pulsé sera très proche de la température de consigne ambiante. Dans l’exemple étudié, une température de pulsion d’air (18°C) seulement 2 degrés plus froide que l’ambiance (20°) suffit pour reprendre les charges.

Proportionnellement, c’est donc la demande thermique liée à la préparation de l’air neuf pulsé qui représente la source majeure de consommation.

3. Bilan thermique

Dans ce qui suit, on établit, de manière théorique, les consommations des équipements de climatisation de l’air de la salle d’opération.

Cette climatisation de l’air est variable au cours de l’année suivant les conditions climatiques extérieures et intérieures. Pour cette raison, on considère le fichier météo d’une année climatique-type (sans canicule et froid sibérien) à Uccle, par exemple.

Chaque point de la courbe représente une heure de l’année pendant laquelle on a relevé la température et l’humidité. Les 8 760 points-heures qui composent l’année peuvent alors être placés dans le diagramme de l’air humide.

Le fichier météo est ensuite divisé en 5 zones distinctes.

Pour amener l’air extérieur à une température (18°C) et une humidité de soufflage fixe (égale à celle de l’ambiance), pour les différents points-heures extérieurs il est nécessaire de :

O préchauffer et humidifier,
O préchauffer,
O refroidir, déshumidifier et post-chauffer,
O refroidir et déshumidifier sans post-chauffer,
O refroidir et humidifier.

Suivant les débits d’air mis en œuvre, l’intégration des différences d’enthalpies entre les différents points-heures de l’année et les conditions d’ambiance des salles constituent la consommation annuelle du système de traitement d’air, par chauffage, refroidissement, humidification et déshumidification.

On considère que les salles fonctionnent selon le profil d’occupation suivant:

Lundi
Mardi
Mercredi
Jeudi
Vendredi
Samedi
Dimanche
8-18
18-8
8-18
18-8
8-18
18-8
8-18
18-8
8-18
18-8
8-18
18-8
8-18
18-8
O O O O O
O O O O O O O O O

avec les débits d’air neuf suivants :

O 4 500 m³/h
O 900 m³/h

Les résultats pour les 4 salles sont repris dans le tableau et le graphique ci-dessous.

Besoin énergétique électrique (kWh/an)

Jour Nuit WE Total

Total électrique

29 399

7 597

5 361

42 357

Pour 4 salles

169 428

Besoin énergétique thermique (kWh/an)

Total thermique

36 014

14 288

9 203

59 505

Pour 4 salles

238 020

Comparaison (kWh/an)

Total 4 salles 407 448
Total consommation de l’hôpital 5 400 000
Ratio des salles d’op. 7,5 %

Soit 7,2 % de la consommation totale de l’hôpital.

4. Bilan économique

Le bilan économique est synthétisé ci-dessous dans le tableau et sous forme de graphique :

Coûts énergétiques électriques (€/an)p

salles d’opération

13 511

hôpital

209 000

Coûts énergétiques thermiques (€/an)

salles d’opération

9 670

hôpital

113 750

Les coûts globaux des consommations énergétiques pour la climatisation de l’ensemble des 4 salles d’opération représentent 6 à 7 % de la facture énergétique de l’hôpital.

5. Conclusion

Les zones à risque de contamination élevé sont des postes consommateurs d’énergie importants. Les grands débits d’air neuf traités et le contrôle de l’humidité en sont responsables. C’est pour ces raisons qu’il est impératif, en conception nouvelle ou en rénovation, d’étudier l’alternative qui consiste à recycler l’air et à laisser varier l’humidité ambiante dans une plage qui respecte les normes et les règlements en vigueur.

Concevoir

Pour en savoir sur la gestion des débits.

Concevoir 

Pour en savoir plus sur le contrôle de l’humidité.

Les consommations électriques des ventilateurs

Plusieurs approches sont possibles.

> sur base de la puissance électrique installée des ventilateurs :

Cons. transportair [kWh/an] = Nbre jours/an x Nbre heures/jour x Puissance vent. [kW]

> sur base du ratio Wh/m³ transporté :

En fonction de la qualité du ventilateur et des pertes de charge du réseau (de faibles diamètres de conduits entraînent des vitesses et des pertes de charge élevées), on aura :

Puiss. transportair [kW] =  0,4 … à … 1,1 [W/(m³/h)] x débit horaire [m³/h] / 1 000

Cons. transportair [kWh/an] = Puiss. transp. [kW] x Nbre jours/an x Nbre heures/jour

> sur base des caractéristiques de conception du réseau :

La consommation électrique du (des) ventilateur(s) s’estime par :

Cons. transportair [kWh/an] = qx  Δp x h / (ηx 3 600 x 1 000)

où,

  • q= débit d’air transporté [m³/h]
  • Δp = pertes de charge (pulsion + extraction) [Pa]
  • h = durée de fonctionnement [h/an]
  • η= rendement total du système de transport de l’air (moyenne entre pulsion et extraction).
Soit pour quatre salles d’opération dont la perte de charge de dimensionnement est de 1 200 [PA] et qui tourne avec un rendement global de 0,65 :

  • 2 600 heures par an à 4 500 [m³/h] en période d’occupation,
  • 2 520 heures par an à 900 [m³/h] en période d’inoccupation de WE,
  • 3 640 heures par an à 900 [m³/h] en période d’inoccupation de nuit.

4 x (2 600 x 4 500 + 2 520 x 900 + 3 640 x 900) x 1 200 [PA] / (0,65 x 3 600 x 1 000) = 35 372  [kWh/an].

Soit de l’ordre de 35 372 / 5 400 000 = 0,6 % de la consommation totale de l’hôpital.

Afin de compléter notre propos concernant la ventilation d’une salle d’opération, voici un article portant sur la classification des filtres à air.

Luminaires intérieurs pour tubes fluorescents

Luminaires intérieurs pour tubes fluorescents


Luminaires ouverts à ventelles

Luminaires ouverts à ventelles droites

Les ventelles d’un luminaire ont pour but de limiter la vue directe des lampes à partir d’un certain angle de vision appelé angle de défilement. Le contrôle de la diffusion de la lumière par ces ventelles (dans le sens longitudinal du luminaire) et par le réflecteur (dans le sens transversal) déterminera la luminance du luminaire, c’est-à-dire sa brillance, pour chacun des angles sous lequel on le regarde. La norme EN 12464-1 spécifie l’angle de défilement minimum en fonction de la luminance de la lampe.

Luminaires ouverts à ventelles paraboliques (basse luminance)

Pour limiter l’éblouissement via les écrans d’ordinateur, les luminaires performants présentent une luminance moyenne faible pour des angles ϒ supérieurs à leur angle de défilement (voir illustration ci-après). Ils sont caractérisés par des optiques en aluminium équipées de ventelles symétriques et de forme parabolique. Celles-ci permettent un contrôle de la lumière qui évite les réflexions sur les écrans d’ordinateur verticaux ou légèrement inclinés ; ce que ne permettent pas des ventelles planes. On les appelle généralement luminaire « basse luminance ».

Pour les luminaires éclairant des postes de travail avec équipement de visualisation , la norme EN 12464-1 spécifie que pour des angles d’élévation supérieurs ou égales à 65°, la luminance moyenne des luminaires ne doit pas dépasser les valeurs reprises dans le tableau suivant, et ce en fonction de la luminance moyenne propre des écrans concernés :

État de luminance élevé de l’écran

Écran à haute luminance
L > 200 cd.m-2

Écran à luminance moyenne
L ≤ 200 cd.m-2

Cas A

(polarité positive et exigences normales concernant la couleur et le détail des informations affichées, comme pour les écrans utilisés dans les bureaux, pour l’éducation, etc.)

≤ 3 000 cd/m²

≤ 1 500 cd/m²

Cas B

(polarité négative et/ou exigences plus élevées concernant la couleur et le détail des  informations affichées, comme pour les écrans utilisés pour le contrôle des couleurs en conception assistée par ordinateur, etc.)

≤ 1 500 cd/m²

≤ 1 000 cd/m²

Contrôle de la luminance par des ventelles .

Comparatif ventelles plates et paraboliques .

Ventelle parabolique.

Il existe également des luminaires équipés de ventelles « crantées ou en sapin ». Ce ne sont pas, à proprement parlé, des luminaires « basse luminance ». Ils constituent un compromis entre les luminaires à ventelles planes et les luminaires à ventelles paraboliques.

Photo ventelles "crantées ou en sapin".

De plus, un luminaire présente souvent ce que l’on appelle des luminances de crête. Celles-ci, gênantes lorsque l’on travaille de façon intensive sur ordinateur, sont dues à la réflexion de la lumière émise par la lampe sur le dos des ventelles.

Luminance de crête.

Pour prévenir ces taches lumineuses, certains fabricants prévoient des ventelles dont le dos profilé réoriente la lumière réfléchie pour éviter tout éblouissement.

   

  

Exemples de ventelles profilées.

Attention ! Les luminaires de qualité médiocre présentent parfois des ventelles dont le dos n’est pas fermé ou peint en noir. Dans ce cas, les luminances de crête sont éliminées, mais au prix d’une importante perte de rendement !


Luminaires « lumière douce »

Diffusion de la lumière
avec un luminaire lumière douce.

Photo luminaire lumière douce.

Le luminaire dit « lumière douce » n’est pas à proprement parler un luminaire basse luminance. Son intérêt réside dans l’absence de point lumineux à forte luminance. Il est caractérisé par une luminance également répartie dans toutes les directions (de l’ordre de 1 500 cd/m²). Il est composé d’un diffuseur perforé et d’un réflecteur qui assure une diffusion uniforme de la lumière sur toute la surface du luminaire. Ce type de luminaire se rapproche d’un luminaire de type mixte (composante directe et indirecte) car une partie du flux lumineux est dirigée via le réflecteur vers les murs et le plafond, générant une répartition agréable de la lumière vers les parois du local.
Le rendement total de ce luminaire atteint 70 %. Il se divise en un rendement inférieur de 50 % et un rendement supérieur de 20 %.

Photo luminaire lumière douce.

Leur gros inconvénient est que le diffuseur (appelé aussi paralume) devient rapidement un réceptacle à poussières et insectes morts. Il demande donc un entretien fréquent (ou une protection anti-mouche mais cette protection diminue encore le rendement du luminaire).

      

Répartition lumineuse dans un local avec luminaires direct
et avec lumière douce.

Remarque : certains luminaires présentant un diffuseur fermé en plexiglass peuvent procurer un résultat similaire à celui de  luminaires « lumière douce » :

 


Luminaires fermés

Pour leur garantir un degré d’étanchéité (classe IP) ou de protection au choc (classe IK) plus important, le luminaire peut être fermé par un diffuseur ou protecteur translucide. Celui-ci peut être en :

Méthacrylate.

Polycarbonate.

Verre trempé.

Le polycarbonate injecté ou le verre trempé sont nettement plus résistants aux chocs (résistance supérieure à 6 joules) que le méthacrylate (résistance de l’ordre de 0,225 .. 0,5 joules).

De plus parmi les diffuseurs en polycarbonate, le polycarbonate injecté (moulé par injection) sera nettement plus résistant que le polycarbonate thermoformé (moulé par emboutissage), ce dernier ne permet pas non plus un contrôle optimal de la transmission lumineuse.

Le polycarbonate jaunit avec le temps s’il ne possède pas de protection contre les UV. Le méthacrylate et le verre ont, quant à eux, la réputation de ne pas s’altérer.
Contrairement au passé (anciens luminaires à diffuseur opalin), les luminaires fermés actuels peuvent présenter des rendements supérieurs à 70 %, voire 80 %.


Mode de pose

Encastré

Les luminaires à encastrer sont utilisés avec un faux plafond démontable.

Pour chaque type de luminaire, il existe différents modèles pouvant s’adapter à différents types et dimensions de faux plafonds.

Luminaires encastrés dans un faux plafond en dalles de laine de roche.

Luminaires encastrés dans un faux plafond fixe (ex : faux plafond en plaques de plâtre).

Dans les plafonds fixes, l’emplacement des luminaires doit être prévu dès la conception. En rénovation, les luminaires encastrés ne seront donc utilisés qu’avec des faux plafonds démontables (ou si le nouveau luminaire a les mêmes dimensions ou couvre l’ouverture dans le plafond).

Apparent

Les luminaires de type apparent sont utilisés avec tous types de plafonds.

En  rénovation, ils sont en principe utilisés lorsqu’on ne dispose pas d’un faux plafond, ou lorsque le faux plafond est fixe (ex : faux plafond en plaques de plâtre).

Suspendu

Photo luminaire suspendu.

Les luminaires peuvent être suspendus au plafond soit par des câbles, soit par des tubes qui contiennent en même temps l’alimentation électrique.

 Cas particulier : les rails industriels

Photo rails industriels.

On trouve chez les fabricants, des luminaires précâblés pouvant se raccorder par encliquetage immédiat sur des rails modulaires. Ils conviennent aussi bien pour les lignes continues de luminaires (luminaires disposés les uns derrière les autres, sans espace entre eux) que pour les lignes discontinues.

LuminaireRail2.jpg (9262 octets)

Il existe des rails précâblés permettant une commande individuelle ou par groupe de luminaires, grâce à des modules adressables intégrés.


Matériaux utilisés pour le réflecteur et les ventelles

Les matériaux utilisés influencent les caractéristiques photométriques des luminaires (rendement, luminance).

D’une manière générale, grâce à un meilleur contrôle de la diffusion de lumière, les optiques miroitées ont des rendements lumineux nettement supérieurs et présentent moins de risques de réflexion sur les surfaces brillantes que les optiques peintes (en blanc ou gris). En effet, les optiques mates présentent une surface ne contrôlant aucune réflexion. Elles sont de ce fait caractérisées par une luminance plus importante.

Parmi les optiques miroitées, on rencontre les réflecteurs spéculaires (aluminium poli ou brillanté), ou semi-spéculaires (aluminium satiné ou martelé). Pour les réflecteurs en tôle peinte en blanc ou en matériau plastique, on parlera de réflecteur diffusant.

    Schéma principe réflecteurs spéculaires, semi-spéculaires.    

Aluminium brillanté

Photo luminaires aluminium brillanté.   

L’aluminium brillanté offre la plus faible luminance propre. Cependant, les réflexions parasites de l’environnement dans le luminaire (on s’y voit presque comme dans un miroir) peuvent être désagréables. En outre, son encrassement est plus rapidement perceptible.

Aluminium martelé

Photo luminaires aluminium martelé.

L’aluminium martelé est surtout utilisé dans l’industrie, car il est nettement moins sensible à l’encrassement que les deux matériaux cités ci-dessus.


Le prix des luminaires

Il nous est IMPOSSIBLE de donner le prix d’achat du matériel d’éclairage.

Le prix remis par le fabricant ou le grossiste sera différent s’il s’agit d’une petite ou d’une grosse commande. Il sera fortement réduit pour un bon client ou pour un client qui représente un marché potentiel important. Il pourra aussi être fort avantageux si le fabricant, en concurrence avec une autre marque, veut absolument le marché.

Si le client n’a pas d’équipe pour placer l’installation, il fait alors appel à un installateur, qui, de la même façon, aura de meilleurs prix pour une marque plutôt que pour une autre.

Dans cette politique de marché, les seuls prix comparables sont les prix bruts.

Les fabricants ont des prix bruts sur lesquels ils accordent une remise. Cette remise peut atteindre 50 %. Chaque intermédiaire prendra sa part sur cette remise. Le prix résultant sera le prix net accordé au client. Suivant le nombre d’intermédiaires, la différence entre le prix brut et le prix net sera plus ou moins importante.

Note : Le prix des luminaires doit toujours être mis en parallèle avec les frais d’entretien et les frais de consommation électrique dans une vision globale d’utilisation.


Les luminaires pour chambre d’hôpital

Le plus souvent, l’éclairage des chambres est réalisé à partir d’une gaine murale à usages multiples (matériel standard et modulaire chez les fabricants). Ce qui facilite l’utilisation de divers dispositifs requis à proximité du lit :

  • éclairage général indirect,
  • éclairage direct de lecture,
  • éclairage d’examen obtenu en combinant éclairage de lecture et général,
  • éclairage de veille,
  • courants forts,
  • courants faibles,
  • fluides médicaux.

Des luminaires semblables existent également non intégrés dans une gaine technique générale. Ils comprennent seulement un éclairage général indirect et une liseuse. Ceux-ci s’adaptent à des centres d’hébergement tels que des maisons de retraite.


Les luminaires pour ambiance explosive

Photo luminaires pour ambiance explosive.  Photo luminaires pour ambiance explosive.

Les luminaires pour ambiance explosive, dénommés aussi -luminaires sont équipés pour éviter des températures excessives et l’apparition d’étincelles à l’intérieur ou sur le matériel électrique ou encore pouvant supporter une explosion interne sans transmission à l’ambiance environnante.

Ces luminaires utilisent par exemple des lampes fluorescentes spéciales à un seul contact électrique de chaque côté de la lampe et fonctionnant sans starter.

Les luminaires doivent répondre aux exigences de la norme EN 50014 et disposer d’un certificat de conformité délivré par un organisme agréé. Les différents modes de protection sont définis par les normes européennes EN 50019, 50018 et 50017. Chaque luminaire doit être spécifiquement adapté à l’ambiance particulière rencontrée (type de gaz ou de poussières déflagrantes rencontrés). Il faut donc vérifier auprès du fabricant si le luminaire choisi répond bien aux besoins spécifiques.


Protection contre les bris de lampe

Dans certains espaces fonctionnels, par exemple des cuisines industrielles, il est souhaitable, pour des raisons de sécurité et d’hygiène, de se protéger contre tout risque de projection provenant du bris d’une lampe.

Cette protection peut être réalisée par exemple grâce à un film synthétique entourant les tubes fluorescents. En cas de bris de la lampe, les morceaux ne s’éparpillent pas. Ces lampes avec film synthétique (PET) ne sont cependant pas recyclables.

Une alternative est de prévoir des luminaires fermés, équipés de sources recyclables (p.ex. lampes fluorescentes sans film synthétique).

Vent

Vent


Le vent en Belgique

Le vent est un déplacement d’air, essentiellement horizontal, d’une zone de haute pression (masse d’air froid) vers une zone de basse pression (masse d’air chaud). Les différences de température entre les masses d’air résultent de l’action du soleil. Le régime des vents en un lieu est représenté par une rose des vents, qui exprime la distribution statistique des vents suivant leur direction. Par définition, la direction d’un vent correspond à son origine.

C’ est un facteur climatique important dans la détermination des besoins en énergie d’un bâtiment. Il influence le taux d’infiltration d’air du bâtiment, ainsi que les échanges de chaleur par convection à la surface de l’enveloppe des bâtiments peu isolés.

Par exemple, si à un certain moment de la journée l’intensité du vent augmente et que sa direction passe à l’ouest, le ciel se couvrira de nuages et le taux d’infiltration d’air du bâtiment augmente. Ainsi, s’il fait froid, les déperditions thermiques et donc les besoins en énergie de chauffage des locaux augmentent.

Cela suppose de connaître d’une part, la fréquence et la vitesse moyenne du vent dans toutes les directions et d’autre part, pour toutes directions confondues, la fréquence des différentes plages d’intensité du vent.

La direction et la vitesse du vent caractérisent celui-ci. La direction du vent en un lieu est donnée par l’orientation d’où il souffle; la vitesse du vent est exprimée en km/h.

Les graphes et tableaux ci-dessous donnent, pour chaque direction du vent, la fréquence en % du temps et la vitesse moyenne, le 15 des mois de mars, juin, septembre et décembre, à Uccle.

Direction

Fréquence
% temps

Vitesse
km/h
N
N N E
N E
E N E
E
E S E
S E
S S E
S
S S O
S O
O S O
O
O N O
N O
N N O
4,2
4,6
7,7
6,6
4,6
2,9
3,3
5,6
7,9
8,4
11,0
9,7
7,7
5,3
4,2
3,6
17,6
17,1
15,6
13,6
12,9
16,6
14,0
16,9
19,8
21,3
22,6
22,3
17,5
16,5
14,7
14,8

Direction

Fréquence
% temps

Vitesse
km/h

N
N N E
N E
E N E
E
E S E
S E
S S E
S
S S O
S O
O S O
O
O N O
N O
N N O
6,2
5,8
7,0
5,4
4,3
2,4
2,5
2,8
4,2
5,3
10,0
9,6
9,2
7,1
8,1
6,6
13,5
13,5
12,4
11,1
9,7
8,5
9,1
10,9
12,3
13,4
15,0
14,4
12,4
11,6
11,1
12,0

Direction

Fréquence
% temps

Vitesse
km/h

N
N N E
N E
E N E
E
E S E
S E
S S E
S
S S O
S O
O S O
O
O N O
N O
N N O
4,2
4,4
6,4
5,9
6,0
3,3
4,3
5,2
5,9
6,7
9,9
9,8
9,0
5,2
4,2
3,7
13,4
11,0
12,0
11,6
10,3
8,8
10,0
11,3
12,1
13,6
13,7
12,6
12,1
11,7
10,3
11,1

Direction

Fréquence
% temps

Vitesse
km/h

N
N N E
N E
E N E
E
E S E
S E
S S E
S
S S O
S O
O S O
O
O N O
N O
N N O
1,3
1,2
4,5
5,4
4,0
3,8
3,4
6,3
10,5
12,8
14,2
12,0
8,8
4,4
3,0
1,7
15,4
17,0
15,6
13,9
11,5
6,3
15,9
17,9
20,2
20,5
22,0
20,5
19,0
18,9
16,7
14,0

Par exemple, la fréquence et la vitesse moyenne du vent est de :

  • 9,7 % et 22,3 km/h pour la direction OSO le 15 mars,
  • 6,4 % et 12 km/h pour la direction NE le 15 septembre,
  • 14,2 % et 22 km/h pour la direction SO le 15 décembre.

Afin de tenir compte de l’intensité du vent à considérer dans les calculs de déperditions thermiques des bâtiments, le tableau ci-dessous donne les fréquences du vent correspondant aux plages de vitesse de 10 en 10 km/h, toutes directions confondues, à Uccle.

Vitesse

Fréquence en % du temps

km/h J F M A M J J A S O N D
0 – 9 27,7 30,7 30,5 31,3 40,8 45,0 49,9 46,4 50,3 43,8 36,8 29,7
10 – 19 33,3 34,1 36,0 38,1 41,1 41 37,9 38,4 37,6 35,2 34,7 32,5
20 – 29 24,0 20,9 20,1 21,8 14,9 11,5 10,2 12,2 10,2 11,5 18,6 22,8
30 – 39 10,0 9,5 0,9 6,7 2,8 2,1 1,7 2,5 1,4 4,1 6,7 10,2
40 – 49 3,6 3,4 3,3 1,8 0,4 0,4 0,2 0,4 0,3 1,2 2,6 3,6
> 50 1,3 1,3 1,1 0,2 0 0 0 0 0 0,2 0,4 1,2

Dans les stations météorologiques les relevés de vent sont effectués à une hauteur standard de 10 m au-dessus d’un terrain plat et découvert. La direction du vent est déterminée par une girouette, et sa vitesse par un anémomètre.

À ce jour, il n’existe pas de relation mathématique établie permettant de déterminer la vitesse et la direction du vent en un lieu et à un moment donnés. C’est ce qui explique la difficulté de prévoir le temps, même à moyen terme! Ceci étant, il est possible de déterminer qualitativement les variations locales du vent.

Le vent en un lieu est dépendant du type d’environnement et des obstacles rencontrés.

> En guise de conclusion

Les vents dominants en Belgique soufflent du sud-ouest, mais aux changements de saisons la fréquence du vent est tout aussi importante du nord-est. Il y a très peu de vent d’orientation nord-ouest ou sud-est.

Les vents du nord-est sont polaires, donc froids et secs, tandis que la direction sud-ouest est celle des alizés chauds. Lorsqu’ils proviennent plutôt du sud ils sont secs, tandis que de l’ouest ils amènent la pluie.

À l’exception de la région côtière, pendant plus de 60 % du temps, la vitesse du vent est inférieure à 20 km/h. Le long de la mer, la vitesse du vent est 70 % plus élevée que dans le reste du pays.


Influence de l’environnement sur le vent

Schéma influence de l’environnement sur le vent.

L’environnement a une grande influence sur la vitesse et la direction du vent.

Puisque celui-ci influence de façon importante le taux d’infiltration d’air du bâtiment et donc la détermination des besoins en énergie du bâtiment, il est essentiel de connaître l’environnement dans lequel le bâtiment va être construit.

La figure ci-dessus donne les variations de la vitesse du vent selon l’altitude et la nature du sol

  • Calcul du facteur de pond. à appliquer sur le taux d’infiltration en fonction de l’environnement dans lequel on se trouve
  • Analyse des paramètres agissant sur le vent et sa vitesse

Calcul du facteur de pondération à appliquer sur le taux d’infiltration en fonction de l’environnement dans lequel on se trouve (méthode utilisée dans Opti)

On distingue 4 classes :

> classe 1 :  bord de mer (–> 2 km de la digue).
> classe 2 :  zone rurale avec bâtiments ou arbres isolés.
> classe 3 :  zone urbanisée, industrielle ou forestière.
> classe 4 : ville (zone de construction d’au moins 10 m de haut sur au moins le quart de la surface).

–> norme NBN B03-002 « actions du vent sur les constructions »
Pour calculer la vitesse du vent à une hauteur bien précise, il faut appliquer la formule

V = Vref λ ln (Z/Zo)

 où,

  • Vref  = vitesse à une hauteur de 10 m
  • Z = hauteur pour laquelle la vitesse est recherchée
  • λ et Zo ont des valeurs différentes en fonction de la classe de la zone.
  Classe λ Zo

1

2

3

4

0.166

0.202

0.234

0.209

0.005 0.07 0.30 1

Or, la vitesse en hiver à Uccle est de 4.7 m/sec à 10 m de hauteur et la hauteur moyenne d’une habitation individuelle = 5 m.

Donc la vitesse du vent à une hauteur de 5 m est de

  • dans une zone de classe 2 :

V = 4.7 x 0.202 ln (5/0,07) = 4.05 m/sec

  • dans une zone de classe 1 :

 V = 4.7 x 0.166 ln (5/0,005) = 5.389 m/sec

  • dans une zone de classe 3 :

V = 4.7 x 0.234 ln (5/0,3) = 3.09 m/sec

  • dans une zone de classe 4 :

V = 4.7 x 0.209 ln 5/1 = 1.58 m/sec

Dans les recherches effectuées par l’AIVC, on retrouve des graphes donnant, en fonction du degré d’étanchéité de l’habitation, le taux d’infiltration en fonction de la vitesse du vent.

Pour une hauteur moyenne de 5 m (c’est-à-dire pour une habitation individuelle)

en zone II, si pour

V = 4.05m/sec, τ = 0.30 vol/h
alors en zone I, V = 5.39m/sec, τ = 0.35 vol/h
en zone III, V = 3.09m/sec, τ = 0.25 vol/h
en zone IV, V = 1.58m/sec, τ = 0.2 vol/h

en zone II, si pour

V = 4.05m/sec, τ= 0.45 vol/h
alors en zone I, V = 5.39m/sec, τ = 0.55 vol/h
en zone III, V = 3.09m/sec, τ = 0.40 vol/h
en zone IV, V = 1.58m/sec, τ = 0.35 vol/h

en zone II, si pour

V = 4.05m/sec, τ = 0.95 vol/h
alors en zone I, V = 5.39m/sec, τ = 1.1 vol/h
en zone III, V = 3.09m/sec, τ = 0.80 vol/h
en zone IV, V = 1.58m/sec, τ = 0.65 vol/h

Donc, le facteur de pondération à appliquer sur le taux d’infiltration en fonction de la classe de la zone sera :

> Si maison étanche, c’est-à-dire tinf < 0.4 vol/h

classe 1 : INF = INF x (0.35/0.30)
classe 2 : INF = INF
classe 3 : INF = INF x (0.25/0.3)
classe 4 : INF = INF x (0.2/0.3)

> Si maison moyennement étanche, c’est-B-dire 0.4 < tinf < 0.8 vol/h

classe 1 : INF = INF x (0.55/0.45)
classe 2 : INF = INF
classe 3 : INF = INF x (0.4/0.45)
classe 4 : INF = INF x (0.35/0.45)

> Si maison non étanche, c’est-à-dire tinf > 0.8 vol/h

classe 1 : INF = INF x (1.1 /0.95)
classe 2 : INF = INF
classe 3 : INF = INF x (0.8/0.95)
classe 4 : INF = INF x (0.65/0.95)

Analyse des paramètres agissant sur le vent et sa vitesse

Les gradients de température principalement créés par l’ensoleillement sont responsables des mouvements d’air. Ils engendrent l’ascension de masses d’air chaud et un appel d’air froid. Divers types d’environnement sont propices à ces phénomènes :

  • les étendues d’eau,
  • les versants de collines,
  • les vallées
  • les villes.

Les étendues d’eau

Les masses d’eau étant plus chaudes que l’atmosphère en hiver et plus fraîches en été, les courants d’air créés par le gradient thermique s’inversent au cours de l’année. Lors des brusques variations de température (nuits fraîches par exemple) les courants d’air peuvent aussi s’inverser au cours d’une même journée.

Les versants de collines

Sur les versants de collines, le soleil favorise un gradient de température et donc des courants d’air durant la journée. De nuit, le gradient s’estompe et puis s’inverse légèrement, de telle sorte que l’air circule dans le sens opposé.

Les longues vallées

Dans les longues vallées, le phénomène expliqué ci-dessus tend à créer un mouvement d’air longitudinal d’autant plus puissant que la vallée est longue et que le gradient de température est élevé. Le dessin ci-contre illustre la complexité des mouvements d’air.

Les villes

La température des villes étant supérieure à celle des campagnes, on y constate un mouvement d’air similaire à celui créé par les masses d’eau. L’appel d’air se dirige vers les villes. De même, en ville, les grands espaces dégagés permettent la création de courants d’air.

Les obstacles constituent diverses obstructions et provoquent des modifications de la vitesse et de la direction du vent. Lorsque le vent rencontre un mur, par exemple, il est obligé de le contourner. La face d’un objet exposée au vent subit une surpression tandis que la face opposée est soumise à une dépression.

De manière générale, le vent étant freiné par les obstacles, lorsque la densité et la taille de ceux-ci sont importants (en ville par exemple), la vitesse du vent est moindre qu’en sites dégagés tels que les champs et les étendues d’eau.

La topographie

La topographie ne constitue pas à proprement parler un obstacle mais elle engendre éventuellement des modifications par rapport aux données générales relatives au vent.

Ces changements s’effectuent à moyenne ou grande échelle. Le relief a pour effet de protéger certains sites mais aussi d’en surexposer d’autres. Par ailleurs, il peut modifier les vents dominants sur des grandes étendues. Ci-contre, deux schémas illustrent le flux de vent rencontrant une colline et une dépression.

Les obstacles au vent peuvent prendre des formes très variées : les constructions forment des écrans permanents tandis que la végétation peut présenter de nombreuses variations de taille (croissance) et d’opacité (saisons).

Certains de ces écrans amovibles ou non peuvent également être utilisés à volonté afin de protéger les espaces extérieurs.

Outre la protection qu’ils offrent, la proximité d’écrans peut occasionner des effets secondaires tels que courants d’air et turbulences.

L’efficacité d’un écran est régie par ses dimensions et sa perméabilité.

La perméabilité de l’écran importe également. Ainsi, les écrans denses provoquent une forte réduction de la vitesse du vent sur une faible profondeur tandis que les écrans perméables réduisent la vitesse du vent dans une moindre mesure mais sur une profondeur plus importante.

La profondeur de la zone protégée est proportionnelle à la hauteur de l’écran : sa taille sera maximale lorsque l’écran aura une longueur équivalente à 11 à 12 fois sa hauteur.

Les plantations à feuilles caduques offrent une meilleure protection estivale qu’hivernale. Leur effet est négligeable durant l’hiver.

Source – Logiciel OPTI Bureaux – Architecture et Climat – juin 2000

Améliorer la maintenance de l’installation frigorifique

Mise au point de la production de froid : GB Aywaille.

Machine frigorifique

Température à la Basse Pression : T°(BP)

La mesure directe de la température d’évaporation est très difficile. On réalise plutôt la lecture de la basse pression BP au manomètre, que l’on traduit la température d’évaporation en fonction du type de fluide utilisé.

Pour connaître la température d’évaporation à partir de la mesure de la basse pression, voici une table de correspondance entre la température et la pression relative mesurée à l’aspiration de la machine frigorifique pour quelques fluides frigorigènes :

Température Pression relative [bar]

[°C]

R22 R134A R404A

R407c

– 30 0,64 0.08 1,07 1,36
– 20 1,43 0,31 2,05 1,79
– 18 1,62 0,43 2,30 2,02
– 16 1,83 0,56 2,56 2,25
– 14 2,05 0,69 2,82 2,50
– 12 2,28 0,84 3,09 2,77
– 10 2,52 0,99 3,39 3,05
– 8 2,78 1,15 3,69 3,34
– 6 3,05 1,33 4,01 3,65
– 4 3,33 1,51 4,36 3,98
– 2 3,63 1,71 4,63 4,32
0 3,95 1,91 5,09 4,68
2 4,28 2,13 5,59 5,06
4 4,63 2,36 5,89 5,46

Détente directe

En détente directe, pour un évaporateur à air, si l’écart entre T°évaporation et la T°air sortie évaporateur > 6 à 10 K, il y a encrassement ou prise en glace permanente et donc chute de rendement. Il est donc nécessaire de procéder à un nettoyage ou un dégivrage.
Si l’écart subsiste après l’opération de maintenance, il faut envisager l’extension de la surface de l’évaporateur.

Détente indirecte par boucle frigoporteur

En détente indirecte, pour un évaporateur à eau glycolée par exemple, si l’écart entre T°évaporation et la T°eau sortie évaporateur > 4 à 6 K, il y a encrassement et donc chute de rendement. Si l’écart subsiste après le nettoyage (en général, un détartrage à l’acide), il faut envisager l’extension de la surface de l’évaporateur.

Quelques réflexions …

La mesure / lecture de la température  peut être effectuée sur le circuit secondaire par thermomètre digital au niveau de doigts de gant par exemple.

On rappelle ici que l’augmentation, si possible, du point de consigne de la température du fluide caloporteur augmente le rendement.

Mesure prise à l’emplacement du thermomètre à aiguille
dont la précision est parfois sujette à caution…

La mesure des températures de départ et de retour de l’eau glycolée est une indication intéressante. En effet, si, à puissance maximale, l’écart est inférieur à 5 K, le débit d’eau peut être réduit (économie électrique + diminution du risque d’érosion).

Intensité absorbée par le compresseur

A puissance nominale, mesurées sur chaque phase, les valeurs du courant à la pince ampèremétrique doivent être peu différentes et proches ou inférieures à celles de la plaque signalétique. On peut forcer le régime de la machine frigorifique pendant cette mesure (en abaissant la demande à l’évaporateur, par exemple).

Quelques réflexions …

L’idéal dans ce domaine est toujours de comparer d’une année à l’autre… Donc il faut noter les valeurs mesurées.

Il vaut en général mieux de ne pas faire confiance aux ampèremètres présents sur la machine.

Pour des compresseurs à plusieurs étages, si l’on passe d’un premier à un second étage et que le courant ne bouge pas, c’est qu’il y a des clapets cassés.

Pression et température de condensation à la Haute Pression : T°(HP)

Action …

La mesure directe de la température de condensation, comme celle d’évaporation, est très difficile. On réalise plutôt la lecture de la haute pression HP au manomètre, que l’on traduit en température de condensation en fonction du type de fluide utilisé. À l’heure actuelle, la double indication (pression-température) est souvent inscrite sur le manomètre pour différents fluides frigorigènes souvent employés.

Température Pression relative [bar]

[°C]

R22 R134A R404A

R407c

16 7,10 4,01 8,80 8,27
18 7,58 4,34 9,3 8,81
20 8,08 4,68 10 9,38
25 9,42 5,61 11,6 10,91
30 10,91 6,66 13,3 12,60
35 12,55 7,82 15,2 14,46
40 14,35 9,11 17,3 16,50
45 16,33 10,53 19,6 18,75
50 18,49 12,10 22 21,20
55 20,84 13,83 24,8 23,87
60 23,40 15,73 26,78
65 26,17 17,80 29,94

Quelques réflexions …

La valeur de la pression varie suivant le système, sauf compresseur à vis : HP-BP = 10 bar.

La variation de la Haute Pression (le plus bas possible, suivant la technologie de fabrication) réduit la consommation électrique.

Ecart de température entre le condenseur et le fluide refroidissant : T°(HP)

Action …

Mesurer l’écart entre la température de condensation et la température du fluide refroidissant. Pour un condenseur air, l’écart entre la température de condensation et la température de l’air à l’entrée doit être de l’ordre de 12 à 15 K à pleine charge. A charge partielle, le delta T° doit diminuer proportionnellement.

Quelques réflexions …

Si ces écarts sont dépassés malgré un détartrage régulier, c’est que le condenseur est trop petit. Or toute augmentation de 1° de cet écart entraîne 3% de consommation en plus.

Pour connaître la température de condensation, lire la haute pression, et se référer tableau de correspondance température/pression du fluide frigorigène (Exemple pour le R22, R134a et R407, …).

Sous-refroidissement

Action …

Mesurer la température de ligne liquide (T°liq), à l’entrée du détendeur, au moyen d’un thermomètre de contact, puis la comparer à la température de condensation T°(HP), en déduite de la valeur de la Haute Pression.

Quelques réflexions …

Sauf pour les détendeurs à capillaire, le sous-refroidissement (qui est la différence T°(HP) – T°(liq)) doit se situer entre 5 et 7 K.

Une augmentation du sous-refroidissement augmente la puissance frigorifique de la machine frigorifique et son efficacité énergétique. Le travail du compresseur reste en effet constant alors que la plage d’évaporation s’accroît. Concrètement, pour une situation type donnée, on a observé 0,8% d’accroissement du COP par degré d’augmentation du sous-refroidissement pour du R-22 et 1%/K pour du R-134a (source : Le froid efficace dans l’industrie – Ademe- France). Si une faible valeur est rencontrée, c’est l’indication :

  • soit d’un manque de fluide frigorigène (fuite ?),
  • soit d’un encrassement du condenseur (mauvaise condensation, donc peu de liquide ?).

S’il s’agit d’un détendeur à capillaire (petites installations du type climatiseur), le sous-refroidissement doit être plus faible car à l’arrêt, il y aura égalisation des pressions Haute et Basse; donc du liquide pénétrera dans l’évaporateur; donc risque de coup de liquide au démarrage si la quantité est trop importante.

Surchauffe

Action …

Mesurer température d’aspiration (T°asp) au moyen d’un thermomètre de contact.

Quelques réflexions …

Pour les détendeurs thermostatiques, la différence entre la T°évaporation(BP) et T°aspiration à l’entrée du compresseur = 6 K à 8 K.

Pour les détendeurs électroniques, la différence entre la T° BP et T° asp = 3 K.

Une réduction de la surchauffe permet une augmentation de la puissance frigorifique, mais :

  • une surchauffe trop faible peut provoquer des coups de liquide au compresseur,
  • une surchauffe trop forte entraîne une usure prématurée des compresseurs par élévation de leur température de refoulement.

Température de refoulement

Action …

Mesurer la température à la sortie du compresseur.

Quelques réflexions …

La température dépend du fluide (pour un condenseur à air : 60 … 70°C). Il est bon d’avoir les données du fabricant.

Si la température de refoulement en sortie de compresseur est élevée, c’est peut être qu’il y a présence d’incondensables (air, eau). Il y a alors risque de dégrader rapidement l’huile…

Test : si la machine est à l’arrêt, le condenseur se met entièrement à la température extérieure (condenseur à air). En mesurant à ce moment la pression, elle doit correspondre à la valeur théorique correspondant à la température du fluide. Si elle est plus élevée, c’est le signe qu’il y a des incondensables dans le circuit (par exemple, un nettoyage à l’azote qui n’aurait pas été bien tiré au vide).

Autres tests

Aspect extérieur des compresseurs et organes associés

Traces de condensation (isolation défectueuse ou pas d’isolation).

A protéger si risque de corrosion avec fuites (eau ou frigorigène) – Éviter les risques de rejet de rouille à l’égout public, etc.

Corps d’évaporateur

Dégradation éventuelle de l’isolation (passage de vapeur d’eau) + absence de corrosion de la surface.

Risque de perforation à long terme avec perte de fluide frigorigène.

Clapets cassés ?

Il s’agit de 2 tests comparatifs à réaliser d’année en année :

  • La mesure du temps de « pump down ». C’est le temps en seconde entre l’arrêt de la vanne magnétique avant le détendeur et l’arrêt du compresseur sur la Basse Pression. Si ce temps s’allonge, c’est l’indication qu’il y a des fuites aux clapets.

 

  • La mesure du temps pour que les pressions s’équilibrent à l’arrêt de la machine. Si les clapets sont cassés, la Haute Pression descend très vite.

Type de frigorigène

Vérification du type de fluide utilisé : CFC , HCFC, HFC, autre …? R 11, 12, R 502 (CFC) interdits / R 22 (HCFC) interdit en 2015 ou avant.

Circuit du frigorigène

Absence de fuites (pas de traces d’huile au sol, corrosion de brasures, etc). Défaut d’étanchéité soupape, perte de fluide à l’atmosphère, dégradation remplacer la soupape si risque de rupture de la couche d’ozone si CFC, HFCF + frais de remplissage.

Bombe aérosol et détecteur électronique.

pH du fluide frigorigène

Couleur de l’indicateur d’humidité sur ligne liquide / test d’acidité sur échantillon d’huile. Si pH acide, vérifier l’étanchéité du circuit, réparer les fuites, changer l’huile, remplacer la cartouche du déshydrateur (ou en installer une) et tirer au vide (de préférence avec de l’azote « R »).

Résistance de carter

Durant l’arrêt des compresseurs à pistons, la température de carter doit être env. 40 °C. En fonctionnement, le carter ne doit pas être froid, il ne doit pas condenser et encore moins givrer. On admet qu’il doit avoir à peu près la température ambiante du local. S’il est trop froid, un réglage s’impose par le frigoriste. Si le carter n’est pas chauffé, risque de grippage au démarrage du compresseur, avec destruction du bobinage du moteur.

Compteurs d’heures (h) compresseurs ou groupe frigo

Existence du compteur (sinon à placer), vérification du fonctionnement + relevés. Période ± 3 000 h/an , valeur courante de 1 250 h à 1 800 h en non modulant.

Compteurs de démarrage (d) compresseurs

Existence du compteur (sinon à placer), vérification du fonctionnement + relevés. Si le total est supérieur à 6 000/mois, vérifier la régulation.

Dimensionnement du groupe frigorifique

Calculer le cycle moyen (h/d) c-à-d quotient des deux valeurs ci-avant. Cela ne fonctionne pas sur les appareils modulants (compresseur à vis, par exemple). Si la valeur est inférieure à 10 minutes, la puissance est à réduire dans la mesure du possible ou la régulation de mise en cascade est mal réglée (voir technologie appliquée).

Niveaux

Ils sont surveillés plus que mesurés. Ce sont :

  • le niveau de frigorigène dans la bouteille accumulatrice de liquide, dans les séparateurs basse ou moyenne pression,
  • le niveau d’huile dans le système d’alimentation en huile de compresseurs en parallèle,
  • le niveau d’eau dans le bac de rétention d’eau de la tour de refroidissement ou du condenseur « évaporatif ».

On contrôlera également :

La qualité de passage du fluide frigorigène dans le voyant liquide : il ne doit pas y avoir de bulles. S’il y a des bulles, cela traduit, dans la plupart des installations, un manque de fluide et donc probablement une fuite.

La présence d’humidité dans le circuit frigorifique modifie la couleur dans le voyant (dry = sec, wet = humide).

La présence d’humidité peut gravement endommager le groupe froid, notamment par la corrosion des vernis sur les enroulements.

Une fuite de fluide provoque un fonctionnement prolongé du compresseur (mais à puissance moindre) et des ventilateurs du condenseur. Le rendement est donc dégradé. Dans les 2 cas, un dépannage rapide par le frigoriste est nécessaire.

Quels paramètres enregistrer ?

Lorsqu’une régulation numérique est mise en place, la question des points de mesure à relever pour la maintenance se pose. Reprenons ici les recommandations citées dans l’ouvrage Le froid efficace dans l’industrie publié par l’Ademe. Elle est donnée à titre de check-list car encore faut-il disposer du temps pour analyser les résultats…!

Pressions

  • pressions du frigorigène : d’évaporation, de condensation, intermédiaire (dans le cas d’un cycle biétagé),
  • pressions différentielles d’huile des compresseurs,
  • pressions de refoulement des diverses pompes : de frigorigène (circuit noyé), de frigoporteur, d’eau, etc.

Températures

  • Du frigorigène : à l’entrée des compresseurs, à la sortie de ceux-ci, à la sortie de la bouteille accumulatrice de liquide, à l’entrée des régleurs, à la sortie des évaporateurs, etc.
  • Des milieux refroidis :
    • températures des chambres froides des cuisines collectives,
    • températures de bacs à liquides refroidis,
    • températures d’entrée et de sortie de l’évaporateur de la boucle d’eau glacée
  • Des milieux de refroidissement : températures d’entrée et de sortie d’eau du condenseur, température de l’air entrant dans un condenseur à air, etc.
  • Du carter du compresseur

Débits

La mesure du débit du fluide frigorigène est peu courante, et c’est souvent dommage, les quelques mesures pratiquées le sont sur l’eau. Le coût relativement faible des capteurs est certainement une explication.

États logiques

  • état de marche ou d’arrêt d’un compresseur,
  • état d’ouverture ou de fermeture d’un robinet électromagnétique ou d’une vanne motorisée,
  • fonctionnement ou non du dégivrage de tel évaporateur, etc.

États analogiques (ou numériques)

  • position, exprimée en fraction de charge, du tiroir de réglage d’un compresseur à vis,
  • degré d’ouverture d’un robinet motorisé, d’un détendeur,
  • nombre de cylindres en fonction dans un compresseur, etc.

Puissances ou consommations électriques

  • de machines sur lesquelles on fait porter l’attention, par exemple pour en optimaliser le fonctionnement : compresseurs, pompes, ventilateurs, etc.

Temps

  • temps de marche d’une machine en vue de l’homogénéisation du temps de fonctionnement de machines en parallèle, etc.

Exemples d’utilisation de ces mesures

  1. La connaissance des pressions et des températures d’entrée et de sortie d’un compresseur sont des indicateurs de son bon fonctionnement. Les valeurs nominales devraient toujours se trouver à proximité de l’équipement, car si la température de refoulement est plus élevée, il y a un risque que les clapets ne soient plus étanches, ce qui nécessite une intervention.
  2. À partir des températures et du débit d’eau traversant le condenseur à eau, on peut déduire la quantité d’énergie échangée. En y ajoutant la température de condensation du fluide frigorigène, on peut connaître le coefficient d’échange thermique du condenseur et le comparer à sa valeur initiale. Si elle décroît fortement, ce sera l’indication d’un entartrage ou de présence de boues à éliminer par un nettoyage de l’échangeur.

Aéro-refroidisseurs ou condenseurs à air

 

Nettoyage des batteries

Dans les condenseurs refroidis à l’air, le principal problème est le nettoyage des batteries, car le genre de construction de ces appareils ne prévoit presque jamais de filtres anti-poussières.

Il est donc nécessaire de dépoussiérer et enlever régulièrement les feuilles mortes et autres déchets, faute de quoi, le débit d’air diminuant, les qualités d’échange diminuent aussi, ce qui entraîne une diminution de la puissance frigorifique et une augmentation de la puissance électrique absorbée. Le serpentin peut être nettoyé à l’aide d’un compresseur à air ou à eau à basse pression (travail à réaliser de préférence par un frigoriste car les ailettes sont peu résistantes mécaniquement).

Une augmentation de 5 K de la température de condensation (suite à l’encrassement) entraîne une augmentation de consommation électrique de 10 à 15 %.

Corrosion

L’habillage de l’équipement contre la corrosion est à protéger pour retarder la mise au rebut et ainsi limiter la production de déchets.

Régulation

Vérifier la bonne régulation de la pression de condensation (enclenchement de la cascade de ventilateurs, pour contribuer à abaisser le plus possible la pression de condensation).


Déclenchements du compresseur par forte température extérieure

Si le compresseur déclenche de temps en temps par période de forte chaleur, c’est suite au pressostat HP (Haute Pression) : la condensation se fait à un trop haut niveau de pression.

Le frigoriste risque malheureusement de diagnostiquer une insuffisance de puissance de l’installation (ce qui est exact) et de proposer un remplacement par un compresseur plus puissant. Mais la nouvelle installation sera alors surpuissante toute l’année…

Si le fabricant l’autorise, il vaut mieux augmenter le seuil de pression de déclenchement du compresseur. La machine frigorifique pourra alors continuer à fonctionner, tout en donnant temporairement une puissance frigorifique plus faible que sa valeur nominale dans des conditions extrêmes de température. Attention toutefois qu’en froid alimentaire il est primordial de respecter les températures de conservation; ce qui signifie que le déclenchement HP ne doit pas se manifester pour des températures classiques en période chaude sous nos latitudes.

On étudiera également si ce n’est pas le condenseur qui est sous-dimensionné par rapport au compresseur : une augmentation de surface de condensation améliorera le rendement toute l’année. Cette situation n’est tolérable que peut de temps sachant qu’une puissance froid insuffisante pendant un laps de temps prolongé entraine la perte des denrées.

Lors d’une panne d’une cascade de compresseurs, on pourra soit redémarrer l’installation avec un seul compresseur (bénéficiant de l’ensemble de la surface du condenseur, il verra la température de condensation fortement diminuer), soit arroser le condenseur…!


Nuisances acoustiques

Si la nuisance sonore est surtout importante aux basses fréquences, il est possible que les machines tournantes (ventilateur du condenseur, moteur du compresseur,…) soient mal équilibrées.

Ce défaut s’accentue avec l’usure des équipements.

Deux solutions pour améliorer la situation :

Diminuer le niveau sonore [Climatisation]

Diminuer le niveau sonore [Climatisation]


Plan d’action

Évaluer sa situation

Évaluer

Après l’analyse de la situation sur le terrain, la logique à suivre est basée sur le type de bruit.

Repérer le type de bruit

Soit le bruit est aérien

Puisqu’il est produit par l’écoulement de l’air et les turbulences qui y sont liées, on peut envisager de réduire la source du bruit, par exemple en diminuant la vitesse du ventilateur, en améliorant l’écoulement dans les bouches, dans les coudes,…

À défaut, puisque ce bruit dispose d’un spectre développé surtout dans les hautes fréquences, il possible d’absorber le bruit par des matériaux fibreux : silencieux, parois de gaines absorbantes,…

Si ce bruit est transmis entre deux locaux, c’est l’isolation phonique de ces parois qu’il faut améliorer.

Soit le bruit est solidien (bruit d’impact)

Puisque ce sont les vibrations des équipements qui sont transmises, la diminution de vitesse permettra également de réduire les vibrations. Certaines sociétés de maintenance peuvent enregistrer les vibrations émises à l’arbre d’un ventilateur et dire si un balourd serait responsable du bruit en cause.

A défaut, on cherchera à couper toute transmission du bruit par le placement d’un matériau résilient entre l’équipement et son environnement : plots antivibratiles, manchettes souples, plancher flottant,…

Idéalement, c’est la coupure du matériau qui empêchera le mieux la transmission du son.

A défaut, il faudra interrompre le matériau dur par un matériau plus souple (dit « matériau résilient « )

Agir à la source du problème

Agir à la source :

  • Placer des supports antivibratiles
  • Limiter le bruit des pompes

Agir à la transmission :

  • Limiter la transmission sonore des tuyauteries
  • Améliorer l’acoustique des conduits d’air
  • Placer un silencieux

Agir au niveau des locaux :

  • Modifier la disposition des locaux
  • Réaliser le doublage acoustique des parois
  • Renforcer l’isolation acoustique des baies vitrées

Placer des supports antivibratiles

Photo supports antivibratiles.

Pour réduire la propagation des vibrations de certains appareils (compresseurs, ventilateurs,…) à la structure du bâtiment, on insère des supports élastiques antivibratiles.

L’ensemble « équipement-support » constitue un système « masse-ressort », soumis aux lois de la mécanique des vibrations, et disposant dès lors d’une fréquence propre.

Pour dimensionner correctement les plots antivibratiles, il faut connaître

  • la fréquence excitatrice liée à la vitesse de rotation du moteur,
  • la masse de l’équipement et sa répartition sur la dalle.

Schéma supports antivibratiles. - 01.

Schéma supports antivibratiles. - 02.

Schéma supports antivibratiles. - 03.

Pour une bonne efficacité, la fréquence propre du système antivibratile doit être 3 à 4 fois inférieure à la fréquence excitatrice. Dans certains cas il sera nécessaire d’alourdir la dalle sur laquelle sont fixés les équipements afin « d’écraser davantage les ressorts » et de garantir ainsi un meilleur amortissement des vibrations.

Exemple.

un ventilateur tournant à une vitesse de rotation de 1 500 tours/minute provoque des vibrations de 25 Hz (puisque rotation de 25 tours/seconde). Les plots devront être calculés sur une fréquence propre de 6 à 8 Hz.

En pratique, on rencontre

  • des ressorts, utilisés pour toutes les fréquences propres mais surtout lorsqu’inférieures à 8 Hz,
  • des plots à base de poudre de liège mélangée à un élastomère, pour des fréquences propres supérieures à 8 Hz
  • des plots à base d’élastomères, pour les fréquences propres supérieures à 12 Hz
  • un système de « dalle flottante », c.-à-d. la construction d’un socle de béton sur un matelas de laine minérale ou de mousse plastique souple, pour les fréquences propres moyennes ou aiguës.

Ce dernier système de dalle flottante est assez difficile à réaliser puisqu’en aucun endroit il ne peut y avoir de contact (raccords de mur, écoulement de sols, tuyauteries, conduits, …). Devant la nécessité d’exercer un contrôle quasi permanent durant les travaux, on préfère parfois la technique des éléments antivibratiles…! Ou alors, un contrôle de la qualité acoustique de la dalle est imposé à la fin des travaux.

Exemples de ponts phoniques par le tuyau d’écoulement et la plinthe.

En général, il sera fait appel à un spécialiste de cette question pour le dimensionnement correct des plots.


Limiter le bruit des pompes

Origines du bruit des pompes

  • Les bruits d’origine hydraulique : c’est la source de bruit la plus importante. On remarque l’effet de sirène qui est dû à l’interaction entre les aubes et les parties fixes. Ce type de bruit est le plus gênant dans les bâtiments, car il se produit dans une zone de fréquences audibles.Lorsque la pression disponible à l’aspiration de la roue est trop faible, un bruit de cavitation apparaît. Il faut dans ce cas veiller à faire fonctionner la pompe avec une pression à l’aspiration suffisante. Lorsque de l’air s’introduit dans le fluide, il se crée des turbulences et des écoulements bruyants au niveau de la pompe. Il faudra veiller à purger correctement le circuit.
  • Les bruits d’origine électromagnétique : ces bruits proviennent du moteur qui transmet des vibrations aux équipements et structures environnantes.
  • Les bruits d’origine mécanique : ces bruits apparaissent au niveau des garnitures mécaniques et des paliers de la pompe, on les appelle balourds. Ils proviennent généralement d’une erreur de montage, d’équilibrage ou d’une erreur de conception de la pompe.
  • Les bruits d’origine aéraulique : ces bruits proviennent du passage de l’air, nécessaire au refroidissement du moteur, dans le ventilateur de la pompe. Il peut s’agir dans certains cas de la source de bruit la plus importante d’une pompe. Le fabricant de pompes doit correctement calculer les grilles d’aspiration et de refoulement de l’air qui peuvent être des obstacles au bon écoulement de l’air et donc générer du bruit.

Transmission du bruit

Une pompe transmet du bruit par trois voies différentes :

  • Par voie aérienne : le moteur de la pompe émet un rayonnement acoustique qui se propage dans le local technique puis dans locaux occupés adjacents.
  • Par voie hydraulique : la pompe génère des variations de pression dans le fluide qui sont transmises le long des canalisations et rayonnent sur les structures environnantes.
  • Par voie solide : les vibrations émises par la pompe se transmettent par contact direct aux différentes structures.

Le niveau de bruit des pompes

Le niveau de puissance acoustique d’une pompe dépend principalement de sa conception, de ses conditions de fonctionnement (débit et pression) et de sa puissance électrique. Aucune norme ne spécifie les caractéristiques acoustiques des pompes.
Il est possible d’effectuer un calcul approximatif du niveau de pression acoustique à 1 m :

Lp = 48 + 10 log Pe [dB (A)]

où,

    • PE est la puissance électrique du moteur [W]

Mise en œuvre

  • Il faut limiter la vitesse du fluide dans la pompe à 1,5 m/s.
  • Il faut soigner la fixation de la pompe en mettant en œuvre un dispositif d’assise souple : placer la pompe sur une petite dalle flottante de 15 cm d’épaisseur, reposant sur des supports élastiques. La dalle flottante aura à peu près trois fois le poids de l’équipement.
  • Il faut équiper l’aspiration et le refoulement des pompes de manchons antivibratoires.

Manchon antivibratoire.

  • Il est également important d’entretenir les pompes, de lubrifier les paliers. L’usure de certaines pièces peut conduire à des vibrations génératrices de bruits.

Limiter la transmission sonore des tuyauteries

Empêcher la transmission des bruits de vibration

Il est utile de réaliser des raccordements souples entre les conduits (fluides, gaz, électricité…) et la machine qui vibrent, afin d’éviter non seulement la transmission des vibrations, mais également le risque de rupture.

Schéma transmission des bruits de vibration.

Pour diminuer la transmission des vibrations des tuyauteries aux parois, on peut introduire des coquilles isophoniques entre la tuyauterie et le collier de fixation. Il est également possible d’utiliser des colliers avec caoutchouc isophonique mais ceux-ci sont moins efficaces que les coquilles isophoniques.

Exemple : pour la fixation des tuyauteries d’eau glacée aux parois du bâtiment, il est de bonne pratique de réaliser les 3 premières fixations après la pompe avec des fixations anti-vibratoires.

Autre exemple : lors du placement d’un split-system, un soin tout particulier doit donc être apporté à la sélection de l’emplacement du condenseur et à son mode de fixation : une coupure élastique doit être prévue entre l’appareil et le mur de fixation afin d’empêcher de mettre en vibration la structure du bâtiment (l’appareil doit bouger lorsqu’on le secoue !). De même, les tuyauteries doivent être raccordées via des raccords flexibles.

Il est également possible de suspendre élastiquement une tuyauterie à un plafond.

Par contre, il faut éviter de placer des tuyauteries sur des parois légères ou les parois séparant les locaux techniques des locaux occupés.

Limiter les bruits de dilatation

Lorsque la force de dilatation des tuyauteries devient trop importante, des frottements apparaissent entre les canalisations et les colliers de support. Ce phénomène de dilatation provoque des claquements bruyants.

Recommandations :

  • Prévoir des points fixes et des compensateurs entre les points fixes.

Compensateur de dilatation.

  • Éviter de bloquer les canalisations à la traversée des parois.

  • En cas de problèmes, desserrer légèrement certains colliers.
  • Éviter les variations brusques de température dans l’installation, par exemple en utilisant des vannes à 3 voies en mélangeuses.
  • Placer des matériaux souples entre les colliers et les tuyauteries, et entre les fourreaux et les tuyauteries.

Diminuer la production de turbulences

Les vitesses admissibles dépendent du tracé et des accessoires utilisés. Si des vitesses élevées peuvent être admises dans les tubes droits, on doit adopter des vitesses plus réduites dans les coudes, les réductions.

Une installation peut créer des turbulences suite aux placements mêmes des équipements : tuyauteries à angle droit, vannes placées trop près les unes des autres,…

Ce deuxième type de raccordement sera de loin préférable.

La présence de bulles d’air dans les circuits est également nuisible, il faut doter l’installation de dispositifs comme purgeurs (manuels ou automatiques), pots de dégazage, séparateur d’air tangentiel.


Améliorer l’acoustique des conduits d’air

Garnir les conduits aérauliques de matériau absorbant

Un conduit provoque toujours une atténuation du son qu’il transporte. Mais celle-ci doit parfois être renforcée par le placement d’absorbants sur les parois internes : généralement, il s’agit de panneaux de laine minérale.

On choisira des panneaux avec protection contre la désagrégation (pour éviter un détachement des fibres du matériau acoustique), par exemple des panneaux de fibres minérales enduits au néoprène, dont l’épaisseur ne doit pas dépasser 0,1 mm sans quoi le pouvoir d’absorption est diminué.

Ces panneaux ont pour avantage de créer simultanément une isolation thermique entre le fluide et les locaux traversés… mais ont pour désavantages d’augmenter les pertes de charge, de retenir les poussières et de favoriser le développement de milieux peu hygiéniques…

Dès lors, on limitera si possible le placement de ces panneaux absorbants au droit des changements de direction (coudes) : c’est là qu’il y a le plus de réflexions de l’onde acoustique sur les parois et que l’absorption sera donc la plus efficace.

Remarque : la gêne acoustique dans un local est souvent due aux mauvaises dimensions des gaines calculées avec des vitesses d’air trop élevées. La question d’une diminution de la vitesse (et donc du débit d’air) doit être posée.

Alternative, on introduira un silencieux acoustique.

Insérer une gaine absorbante entre local et source sonore

Le placement d’une gaine permet l’absorption des bruits par les parois.

Exemple.

Dans un home, les occupants se plaignaient de la transmission du bruit d’une salle de bain à l’autre. Les investigations montrèrent que chaque salle de bain était équipée d’un ventilateur, l’air évacué aboutissant dans une gaine commune. Cette liaison permettait le passage latéral des sons amenant ainsi l’isolement entre salle de bain à 42 dB.

A la place d’un tuyau flexible courant entre le ventilateur et la gaine, on a installé un tuyau flexible amortisseur de bruit. Vu le peu d’espace disponible, on ne put obtenir une réduction que de [TEXTE MANQUANT] dB. La différence était cependant sensible…

Placement de manchettes de compensation

Photo manchettes de compensation.

De même pour éviter la transmission entre le caisson de traitement d’air et les conduits, on pensera au placement de manchettes souples de compensation de part et d’autre du caisson.


Placer un silencieux

Schéma principe du silencieux.

Le placement de silencieux permet d’absorber le bruit véhiculé par le réseau. Si nous en parlons seulement ici, c’est parce qu’il génère des pertes de charge et donc une consommation permanente du ventilateur… Toutes les autres mesures doivent donc être prises au préalable.

Les silencieux doivent encadrer la source sonore (généralement le ventilateur), tant du côté réseau que du côté prise d’air extérieur. Afin d’éviter que le bruit du local technique ne « rentre » dans la gaine après le silencieux, celui-ci sera placé à la sortie du local.

Notons que l’installation d’un silencieux peut être difficile à réaliser sur un réseau de gaines déjà entièrement monté. Les silencieux doivent être placés dans des longueurs rectilignes (trémies, faux plafonds en gyproc) qui sont parfois devenues inaccessibles du fait de l’architecture intérieure du bâtiment. On ne pourra donc pas toujours équiper correctement une installation bruyante déjà existante.

Idéalement, on choisira un silencieux à large bande spectrale, à faible perte de charge et à production de bruit (provoqué par l’écoulement interne de l’air) aussi faible que possible.

Règle de bonne pratique.
On dimensionnera le silencieux de telle sorte que la vitesse de l’air soit limitée à 10 m/s lors du passage entre les baffles acoustiques du silencieux. Si la section d’ouverture du silencieux est de …30 %… à …50 %…, cela induit que la vitesse faciale à l’entrée du silencieux devrait être de …3 m/s… à …5 m/s… environ.

Remarques.

  • Par défaut, on est parfois tenté de placer des silencieux exagérément dimensionnés (donc plus onéreux), qui génèrent tout au long de leur vie des pertes de charge et donc une consommation supplémentaire du ventilateur… Une mesure du niveau sonore existant et une évaluation du niveau à atteindre permettra de dimensionner le silencieux de façon nettement plus précise.
  • Dans le même ordre d’idée, il ne faut pas imposer à l’installateur de conditionnement d’air un niveau de bruit trop sévère dans les locaux, car l’installateur installera simplement un silencieux plus important à la sortie du groupe … et c’est l’installation qui consommera davantage, toute sa vie durant, suite aux pertes de charge excessives…

Modifier la disposition des locaux

De par la localisation des fonctions dans un immeuble, une grande part de l’isolement peut déjà se créer

  • disposition de locaux tampons entre locaux bruyants et locaux calmes (ex : couloir),
  • rassemblement des locaux bruyants (ex : locaux sanitaires et de services),

Dans un bâtiment existant, le déplacement du local de traitement d’air est difficilement réalisable, mais certaines réorganisations internes d’activité sont possibles.

Mais un bâtiment vit, des parois se déplacent,… les critères acoustiques peuvent parfois rentrer en compte dans le choix de la nouvelle disposition des locaux ?


Réaliser le doublage acoustique des parois

Si le son perturbateur est créé par du bruit aérien traversant une paroi, il est possible de doubler celle-ci. On pense tout spécialement aux locaux techniques dont on souhaiterait renforcer l’isolation par rapport au reste du bâtiment.

Si la faute correspond à une insuffisance des éléments de construction, il est possible d’améliorer la situation jusqu’à 10 dB environ, à l’aide d’un panneau rapporté (plafond suspendu constitué de plâtre dépourvu de joint, panneaux de carton-plâtre rapportés devant les parois). Pour que le doublage placé devant le mur puisse faire son effet de cloison double, on privilégiera une fixation indépendante et des joints élastiques. À défaut, une fixation par colle. Au pire une fixation par clous,…

Schéma doublage acoustique des parois.

Exemple.

Une paroi de séparation entre un local technique et un bureau était constituée d’un mur en briques modulaires de 17,5 cm enduit sur les deux faces. Son isolement acoustique initial (frein apporté par la paroi au passage du son) était de R = 48 dB. Le doublage au moyen de panneaux de carton-plâtre avec supports en profilés métalliques (pose indépendante du mur) a permis d’améliorer l’isolement jusqu’à 56 dB.


Renforcer l’isolation acoustique des baies vitrées

Si l’objectif est de se protéger d’un bruit extérieur (bruit de condenseur sur une plate-forme, par exemple), une amélioration de la qualité acoustique des baies peut être envisagée. Et le premier regard doit se porter sur l’étanchéité à l’air (davantage que sur la vitre elle-même). En effet, le bruit passe essentiellement par l’inétanchéité des joints. C’est ce qui fait la médiocre qualité des fenêtres coulissantes…

Le choix des travaux à réaliser sur les ouvertures d’un bâtiment dépend du niveau d’isolement acoustique que l’on désire obtenir.

Conservation des fenêtres existantes

Si l’on ne recherche pas un isolement de façade supérieur à 30 dB(A) et s’il n’y a pas d’entrée d’air spécifique en façade, il suffit la plupart du temps de mettre en place des joints d’étanchéité entre les ouvrants et les dormants.

Remplacement des fenêtres

Il existe une valeur seuil d’isolement au-delà de laquelle on doit changer les fenêtres, ce qui induit un surcoût important. Cette valeur seuil dépend de la surface des fenêtres. Elle se situe généralement aux alentours de 33 dB(A).

Une solution couramment adoptée consiste à conserver les anciens dormants en leur appliquant un traitement ou un renforcement éventuel. On pose alors une nouvelle fenêtre souvent en PVC, en fixant les nouveaux dormants sur les anciens, après la pose de joints préformés et, si nécessaire, l’ajout d’un joint en silicone. La nouvelle fenêtre est munie de double vitrage acoustique et d’une entrée d’air insonorisée. Cette technique a cependant l’inconvénient de réduire la surface vitrée. Ainsi, on obtient un isolement acoustique supérieur à 35 dB(A), à condition d’avoir effectué un traitement acoustique des bouches de ventilation et une mise en œuvre correcte.

Toutefois, pour certaines fenêtres particulières, le remplacement est indispensable quel que soit l’objectif d’isolement. Par exemple, pour une fenêtre coulissante, le simple changement des vitrages n’est souvent pas suffisant pour atteindre l’objectif d’isolement acoustique fixé.

D’autre part, pour les portes-fenêtres, les objectifs d’isolement sont plus difficiles à atteindre, même en cas de remplacement. En effet, la valeur de l’isolement acoustique d’une porte-fenêtre est en général inférieure à celle d’une fenêtre. On observe assez fréquemment un écart moyen de 2 dB(A). En effet, la surface de jointures, et donc de fuites possibles, est plus importante dans le cas d’une porte-fenêtre.

Photo baies vitrées.

Obtention d’un isolement de 40 dB(A) avec une seule fenêtre

L’obtention de cette valeur d’isolement nécessite toujours le remplacement des fenêtres par des fenêtres de très bonne qualité acoustique.

Le vitrage doit avoir un indice d’affaiblissement acoustique de l’ordre de 40 dB(A). Ce vitrage est obtenu à l’aide d’un feuilleté acoustique spécial. La menuiserie de la fenêtre doit comporter une triple barrière d’étanchéité entre l’extérieur et l’intérieur du logement pour les fenêtres en PVC. Un double rang de joints de bonne qualité doit être posé entre l’ouvrant et le dormant.

Pour une pièce aux dimensions standard, c’est-à-dire dont la surface est d’environ 25 m² , avec une fenêtre de 1,5 à 2 m² un isolement de 40 dB(A) est délicat à obtenir s’il y a une entrée d’air. Quelques précautions doivent alors être prises :

  • Les entrées d’air choisies doivent être insonorisées. La valeur de leur coefficient d’affaiblissement acoustique doit être la plus grande possible. Toutefois, il est difficile du trouver sur le marché des entrées d’air de faible encombrement, pouvant être placées dans la menuiserie, ayant une valeur du coefficient d’affaiblissement acoustique supérieur à 42 dB(A). La zone de fonctionnement de la bouche d’entrée d’air choisie doit permettre d’atteindre le débit nominal. En effet, certains systèmes intégrés dans une fenêtre ont une surface d’entrée d’air trop faible pour obtenir le débit nominal imposé par les systèmes d’extraction actuels.
  • L’étanchéité entre le gros œuvre et le dormant doit être de qualité. L’amélioration de l’étanchéité, obtenue par la pose d’un joint mastic de type silicone ou polyuréthane, augmente la valeur de l’isolement acoustique.
  • Il est utile de vérifier et de remettre en état les joints de façade des grands panneaux préfabriqués, surtout s’il y a des entrées d’air parasites.

Pose de survitrage

La pose de survitrage ne conduit pas à une amélioration significative de la performance acoustique. Dans certains cas, le gain obtenu par le survitrage peut atteindre de 2 à 3 dB(A). Il y a lieu de veiller à une bonne étanchéité entre le survitrage et la fenêtre. De plus, la présence de joints de qualité entre l’ouvrant et le dormant de la fenêtre est toujours nécessaire.

Pose de double fenêtre

C’est pratiquement la seule solution technique si l’on veut obtenir un isolement supérieur à 40 dB(A). La pose s’effectue le plus souvent au nu extérieur de la façade, avec ou sans conservation des volets existants. La nouvelle menuiserie est généralement de type vantaux coulissant, en aluminium ou en PVC. Cette solution permet d’atteindre, dans certaines configurations, des isolements proches de 50 dB(A).

Elle est également satisfaisante sur le plan thermique en hiver, mais présente cependant quelques inconvénients :

  • la difficulté de nettoyage, surtout de la face extérieure de la nouvelle fenêtre,
  • les difficultés d’ouverture de la nouvelle fenêtre et d’accès aux persiennes,
  • la nécessité de remplacer les éventuels volets existants, ce qui induit un surcoût important,
  • une certaine diminution de l’éclairage naturel,
  • la difficulté éventuelle d’obtenir les autorisations urbanistiques.

Il faut prohiber la pose d’entrées d’air insonorisées en regard l’une de l’autre pour limiter la création de pont phonique.

Fermeture de balcons et réalisation de loggias

La réalisation de loggias est unanimement appréciée en raison de l’amélioration très nette de l’isolation acoustique et de l’accroissement de la surface utile du bâtiment. Ce type de travaux est facile à réaliser. Mais, une loggia peut conduire à une surchauffe en été.

Le problème de surcharge de la structure et d’un surcoût important. L’aspect de la façade est alors complètement modifié.

21-08-2008 : comparaison du contenu ok ! [sylvie]
Dans la partie « Améliorer l’acoustique des conduits d’air », partie exemple, dernière phrase, le nombre de décibel n’est pas déterminé dans la partie source non plus (version 5).

Free-chilling

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Principe de base

Le principe de base est simple

Lorsque la température extérieure descend sous les 8 à 10 °C, on peut fabriquer de l’eau glacée sans utiliser le groupe frigorifique. L’eau est directement refroidie par l’air extérieur et la machine frigorifique est mise à l’arrêt.

L’économie d’énergie est évidente ! La rentabilité du projet est d’autant plus élevée que les besoins de refroidissement sont importants en hiver et que l’installation s’y prête. Étudions cela en détail.

Qu’est-ce qu’une installation adaptée au free-chilling ?

Au départ, il faut que des besoins de froid soient prévus en hiver.

L’intérêt est augmenté si les échangeurs des unités terminales qui seront choisis travaillent à « haute » température : ce sera le cas de plafonds froids (régime 15-17 °C), de poutres froides ou de ventilos-convecteurs surdimensionnés pour travailler au régime 12-17 °C ou 14-19 °C,… À noter qu’un tel dimensionnement diminue les pertes du réseau et la consommation liée à la condensation de la vapeur d’eau contenue dans l’air des ambiances, ce qui amplifie l’économie d’énergie.

Si l’installation demande une puissance de refroidissement faible en mi-saison ou en hiver (de l’ordre de 50 W/m²), on pourrait faire travailler les plafonds froids au régime 17° – 19 °C, ce qui permet un refroidissement par l’air extérieur tant que la température de l’air est inférieure à 14 °C. On peut alors imaginer une modulation de la température de consigne de l’eau des plafonds froids en fonction de la température extérieure.

Enfin, le projet se présente très favorablement si un condenseur à eau est prévu : on pourra utiliser la tour de refroidissement pour refroidir l’eau glacée directement par l’air extérieur. Dans la tour, grâce à l’évaporation partielle de l’eau, la température de l’air extérieur sera encore diminuée. Ainsi, de l’air à 15 °C et 70 % HR permet de créer de l’eau de refroidissement à 12° (limite basse théorique appelée température « bulbe humide »). Malheureusement, un échangeur sera nécessaire entre le circuit de la tour (eau glycolée) et le circuit d’eau glacée du bâtiment. Une partie de l’avantage est donc perdu…

Le problème du gel…

De l’eau glacée refroidie par l’air extérieur pose le problème du gel dans la tour. La solution la plus courante est l’addition de glycol, mais :

  • le glycol coûte cher,
  • le glycol diminue les capacités d’échange thermique et augmente la densité du liquide, ce qui entraîne une augmentation de puissance des pompes,
  • en général, on limite le circuit glycol au dernier tronçon en contact avec l’extérieur (l’eau de la boucle d’eau glacée n’est pas glycolée car, en cas de vidange, c’est l’entièreté du circuit qui est à remplacer),
  • un échangeur supplémentaire doit alors être prévu, entraînant une consommation électrique liée à sa perte de charge et un écart de température qui diminue la période de fonctionnement du free-chilling…
  • attention lorsque l’on rajoute de l’eau ultérieurement…

Il est aussi possible de placer des cordons chauffants (mais peut-on protéger totalement ainsi une tour ?) ou de prévoir un circuit de chauffage spécifique qui se met en place en période de gel, mais on risque de manger le bénéfice !

Le free-chilling : une solution miracle pour toutes les installations ?

Certainement pas. De nombreuses contraintes apparaissent.
Quelques exemples :

  • Lorsque l’installation travaille à charge partielle, il y a intérêt à ce que la température moyenne de l’eau « glacée » soit la plus élevée possible pour favoriser l’échange avec l’air extérieur. On appliquera donc une régulation des échangeurs par débit variable pour augmenter l’écart de température entre départ et retour.
  • Une tour de 300 kW pèse 3 à 4 tonnes et une tour de 1 000 kW pèse 9 à 12 tonnes, ce qui génère parfois des frais d’adaptation du génie civil.
  •  …

Adapter cette technique nécessite donc toujours une étude particulière (cadastre des énergies de froids prévues avec leur niveau de température, répartition été/hiver, …) pour apprécier la rentabilité.

Mais il est en tous cas impératif d’y penser lors d’une nouvelle installation !


Schémas de réalisation

Différents systèmes de refroidissement par free-chilling sont possibles :

  • via un aérorefroidisseur à air spécifiqueDeux schémas sont possibles :
> Soit un montage en série avec l’évaporateur, où l’aérorefroidisseur est monté en injection (la température finale est alors régulée par la machine frigorifique, qui reste en fonctionnement si la température souhaitée n’est pas atteinte).

> Soit par un montage en parallèle avec basculement par une vanne à 3 voies en fonction de la température extérieure (aucune perte de charge si la machine frigorifique est à l’arrêt mais fonctionnement en tout ou rien de l’aérorefroidisseur).
  • via un appareil mixteCertains fabricants proposent des appareils qui présentent 2 condenseurs : un échangeur de condensation du fluide frigorifique et un aérorefroidisseur pour l’eau glacée, avec fonctionnement alternatif suivant le niveau de température extérieure (attention à la difficulté de nettoyage des condenseurs et aux coefficients de dilatation différents pour les 2 échangeurs, ce qui entraîne des risques de rupture).
  • via la tour fermée de l’installationDans le schéma ci-dessous, l’installation fonctionne sur base de la machine frigorifique. Lorsque la température de l’air extérieur est suffisamment froide, la vanne 3 voies bascule et l’eau glacée prend la place de l’eau de réfrigération du chiller. Dans une tour fermée, l’eau n’est pas en contact direct avec l’air extérieur; c’est un circuit d’eau indépendante qui est pulvérisée sur l’échangeur et qui refroidit par évaporation. Mais le problème de la protection au gel reste posé : il est difficile d’envisager de mettre du glycol dans tout le réseau d’eau glacée (échange thermique moins bon, densité plus élevée donc diminution des débits, …) .
  • via la tour ouverte de l’installationDans ce cas, l’eau glacée est pulvérisée directement face à l’air extérieur. Elle se charge d’oxygène, de poussières, de sable,… Ces impuretés viennent se loger dans les équipements du bâtiment (dont les vannes de réglage des ventilos !). Les risques de corrosion sont tels que cette solution est à proscrire.
  • via un échangeur à air placé devant les orifices d’aspiration d’une tour de refroidissement Ceci permet de réutiliser les ventilateurs de la tour mais crée une perte de charge permanente.
  • via un échangeur à plaques traditionnel L’échangeur se place entre le réseau d’eau glacée et le circuit de la tour de refroidissement. Cette solution est simple, elle minimise la présence du glycol dans le circuit de la tour mais, en plus de l’investissement à réaliser, elle entraîne un écart de température supplémentaire de minimum 2°C dans l’échangeur entre l’eau glacée et l’eau de la tour, ce qui diminue la plage de fonctionnement du refroidissement par l’air extérieur. C’est le choix qui a été fait au Centre Hospitalier du Bois de l’Abbaye.

L’installation de free-chilling au Centre Hospitalier du Bois de l’Abbaye

Monsieur Tillieux, gestionnaire technique de l’hôpital, avait conscience que des besoins de froid existaient durant toute l’année, donc également pendant l’hiver :

  • des cabinets de consultation installés dans les niveaux inférieurs à refroidir en permanence.
  • ainsi que des locaux techniques utilisant le réseau glacée en hiver (salle de radiographie, blocs opératoires, salle informatique,…).

Profitant de la rénovation d’une tour de refroidissement, il adopta la technique du free-chilling sur le circuit d’eau glacée. Il adapta également les émetteurs pour que ceux-ci puissent travailler au régime 12-17°C. Il favorisa le refroidissement nocturne des locaux, ce qui ne crée pas d’inconfort pour les occupants et valorise mieux le free-chilling puisque la température est plus basse la nuit.

En collaboration avec la société de maintenance, il adopta le schéma de principe suivant :

Le schéma de gauche représente le circuit classique de refroidissement de l’eau glacée dans l’évaporateur. L’eau du condenseur est refroidie dans la tour de refroidissement.

Schéma groupe frigo en fonctionnement.Schéma groupe frigo à l'arrêt et free-chiling.

Sur le premier schéma, le groupe frigo est arrêté et l’eau glacée est by-passée dans un échangeur. L’eau de refroidissement est envoyée directement dans la tour de refroidissement.

Un jeu d’électrovannes permet le basculement d’un système à l’autre, dès que la température extérieure descend sous les 8°C. Le dimensionnement de la tour a été calculé en conséquence.

Problème rencontré lors de la mise en route

Lorsque le système basculait du mode « free-chilling » vers le mode « machine frigorifique », celle-ci déclenchait systématiquement !

Pourquoi ? Un condenseur traditionnel travaille avec un régime 27/32°C par 10° extérieurs. Or en mode free-chilling, la température du condenseur est nettement plus basse. La pression de condensation aussi. Le détendeur ne l’accepte pas : il a besoin d’une différence de pression élevée (entre condensation et évaporation) pour bien fonctionner et laisser passer un débit de fluide frigorifique suffisant vers l’évaporateur. Le pressostat Basse Pression déclenche…

Solution ? Une vanne trois voies motorisée a été installée : lors du ré-enclenchement de la machine frigo, le débit d’eau de la tour était modulée pour s’adapter à la puissance de refroidissement du condenseur.

Quelle rentabilité ?

Faute d’une mesure effective, nous allons estimer l’économie réalisée par l’arrêt du groupe frigorifique de 300 kW. Si le fichier météo de Uccle annonce 3.550 heures sous les 8°C, on peut estimer que le refroidissement effectif se fait durant 2.000 heures.

Sur base d’un COP moyen de 2,5, c’est donc 120 kW électriques qui sont évités au compresseur. Une consommation supplémentaire de 5 kW est observée pour le pompage de l’eau au travers de l’échangeur et dans la tour. Soit un gain de 115 kW durant 2 000 heures. Sur base de 0,075 €/kWh, c’est 17 000 € qui sont économisés sur la facture électrique.

L’investissement a totalisé 60 000 €, dont moitié pour la tour fermée de 360 kW, le reste en tuyauteries, régulation et génie civil.

Le temps de retour simple est donc de l’ordre de 4 ans.

Séquences de régulation de la tour

  • si T° < 2°C, échange eau-air non forcé.
  • si 2°C < T°ext < 4°C, échange eau- air forcé.
  • si T°ext > 4°C, échange eau-air humide par pulvérisation.

Réduire les besoins d’eau chaude sanitaire

Réduire les besoins d'eau chaude sanitaire

Le technicien améliore sans cesse la performance,
et l’usager augmente sans cesse les besoins…


Réduire le temps d’utilisation

La réduction de la durée d’utilisation peut être directe : une robinetterie à fermeture automatique (= bouton poussoir) dans les installations publiques permet de diminuer drastiquement la consommation d’eau.

Elle peut être aussi indirecte : une robinetterie thermostatique peut entraîner un gain de temps par un réglage plus rapide de la température de l’eau mitigée.

Le réglage optimum du débit avant celui de la température

Il semble que le facteur numéro 1 de consommation d’énergie soit la quantité d’eau utilisée, avant la température. Donc il faut d’abord chercher à ce que le robinet fournisse juste le débit d’eau nécessaire, et dans un deuxième temps à ce que l’adaptation de la température souhaitée entraîne le moins de consommation d’eau chaude.

L’ergonomie des différents robinets mérite donc une attention particulière, au regard de l’occupation des mains de l’utilisateur. Dans certains cas, les mains étant occupées par un objet (lavage, …), il peut être utile de sélectionner une robinetterie dans l’ouverture est commandée par le genou ou le pied (pédale).

Mitigeur mécanique ou thermostatique ?

Le gain théorique du thermostatique est moins élevé qu’il n’y paraît car la qualité de l’appareil, la méconnaissance de l’utilisateur ou la mauvaise performance de la régulation d’eau chaude peut réduire l’avantage (étude du CSTB-France). Il semble que le mitigeur thermostatique de douche apporte surtout des économies lors du deuxième usage rapproché (rinçage, par exemple). Sur base d’un surcoût moyen de 45 €, le CSTB annonce un temps de retour de 4 ans dans un usage familial. En usage tertiaire, le temps de retour est donc nettement plus faible.

De plus, les thermostatiques intègrent une fonction de sécurité grâce à un bouton « stop » qui limite la température de l’eau mitigée en sortie à 38°C et permet ainsi d’éviter les risques de brûlure (très utile en milieu fréquenté par des enfants).

Pour augmenter les économies, certains thermostatiques sont équipés d’un bouton « éco » : un geste spécifique est nécessaire pour obtenir un débit plus élevé.

Photo bouton bouton "éco".

Une amélioration du confort

Le thermostatique amène un confort supplémentaire en terme de stabilité de température, même lorsque la production instantanée entraîne des fluctuations de température de l’eau chaude.

Le placement de mitigeurs thermostatiques est donc à recommander, mais sans oublier d’informer l’utilisateur de son usage.

Comportement des usagers

Il ne faut pas perdre de vue en effet que ces mélangeurs peuvent demander une sensibilisation de l’utilisateur.

Sont-ils au courant du budget de l’eau chaude du bâtiment (en moyenne 5 € par m³ ? Connaissent-ils le principe du mitigeur thermostatique ? …

Une sensibilisation des usagers sera toujours la bienvenue, en se rappelant que Coca-Cola nous bombarde toujours de publicité alors que nous sommes bien au courant de la merveilleuse saveur de ce breuvage. Ils connaissent l’effet de répétition.

A nous de nous en inspirer pour ne pas nous décourager dans nos campagnes !

Pour favoriser l’usage préférentiel de l’eau froide pour se laver les mains, il est plus aisé de n’ouvrir que l’eau froide avec un mélangeur qu’avec un mitigeur. Aussi, certains fabricants proposent des mitigeurs avec une manette un peu particulière. En effet, la tête céramique est conçue pour que la position centrale corresponde en fait à la position « pleine eau froide » au lieu de la position « eau mitigée ».


Réduire la pression

Une pression trop importante donne naissance à une vitesse excessive qui provoque une consommation importante, du bruit dans les canalisations et une fatigue prématurée des équipements (d’où un risque accru de fuites).

Le placement d’un réducteur de pression permet de réduire la pression à un niveau voulu. Il se place chaque fois que la pression statique d’alimentation dépasse 3 bars dans une adduction domestique (à l’entrée de l’installation, après le compteur).

Réducteur de pression d’eau.

En théorie, le gain en débit varie comme la racine carrée de la pression : si la pression chute au quart, le débit chute de moitié. Mais en pratique, si la pression est forte, l’usager réduit de lui-même le débit d’eau, si bien que l’économie est moins importante.

Remarque : attention au cas où la production d’eau chaude serait réalisée par un petit appareil gaz instantané. Il est parfois nécessaire d’avoir un débit d’eau suffisant pour enclencher le chauffage de l’eau et la réduction des pressions risquerait d’empêcher ce fonctionnement. On testera au préalable la sensibilité de l’appareil à ce niveau.

La protection des équipements contre les fortes pressions et donc la limitation des fuites est par contre bien réelle.

« Réduire la pression nous paraît essentiel, pour éviter le gaspillage, bien sûr ».

Réduire le débit

Remplacement des anciennes robinetteries

Les débits des anciennes robinetteries de puisage sont de 30 à 50 % supérieurs à ceux de modèles modernes. Les investissements consentis s’amortissent dans une période de 5 à 10 ans, suivant la fréquence d’utilisation. Si l’ancienne robinetterie n’est pas étanche, le temps de retour sera encore plus cour

On peut encore trouver des vieilles pommes de douches à …30… litres/minute. Un tel équipement sera remplacé par des pommes modernes du type …8… litres/minute.

Placement de mitigeur avec butée

Ce type de robinetterie s’utilise comme un mitigeur classique. Toutefois, un point « dur » ou une butée délimite les 2 zones de fonctionnement : une zone économique (de 0 à 6 litres/min environ) et une zone de confort (jusqu’à environ 12 litres/min).

Photo mitigeur avec butée.

Le surcoût de cette technique est négligeable et donc le temps de retour est immédiat.

Placement de « mousseurs »

Il s’agit d’un régulateur de débit qui réduit la section de passage en fin de robinetterie et/ou qui crée un mélange air/eau. Il participe en même temps à la performance acoustique du robinet. Il permet par exemple de réguler un débit maximum de 6 ou 8 litres/minute. Un mousseur revient environ à 5 €.

Photo "mousseurs".

Il reste à juger de l’opportunité de réduire le débit en fonction de l’usage : réduire le débit à un lavabo, oui, mais réduire le débit à l’évier de la vaisselle où le personnel mettra alors plus de temps pour remplir une casserole d’eau chaude, peut-être pas …

On rencontre aussi ce type de réducteur de débit dans des « douchettes économes » : soit une manette permet de réduire le débit, soit un effet de « nuage d’eau » est créé. Attention au fait que ce type de douchette peut accélérer le phénomène d’aérosolisation, et donc une sensibilité plus grande à la contamination par la légionelle.

Photo "douchettes économes".

Attention également au fait que ces équipements terminaux modifient la courbe de réglage en température. La mise en place d’une perte de charge supplémentaire diminue « l’autorité » de la vanne. Si l’évolution est au départ linéaire, la perte de charge finale limite la zone de réglage de la température sur une bonne partie de la plage angulaire.

Problème commun à tous ces équipements : le calcaire !

L’entartrage de ces équipements est un problème si l’eau est particulièrement chargée en calcaire. Un entretien régulier des équipements (vinaigre, produit de type « Viakal », …) ou un adoucissement de l’eau avant son chauffage peut être nécessaire.

Les douchettes avec picots sont donc à privilégier : un simple grattage des picots permet alors de décoller les dépôts.


Réduire les fuites

Dans la Région de Charleroi, une commune a placé tous ses bâtiments (administration, écoles, …) en télégestion par un installateur de la commune. Comme une entrée libre est souvent disponible sur le régulateur numérique de l’installation de chauffage, le signal du compteur d’eau de chaque bâtiment y a été greffé. Un suivi automatique était dont réalisé sur la consommation d’eau. Si deux jours de suite, la consommation de nuit était jugée anormale par l’ordinateur, le service technique de la commune en était informé.

Une diminution drastique de la consommation d’eau s’en est suivie, particulièrement dans les écoles !

La fuite d’eau la plus courante est liée aux WC. Elle est généralement visible par le filet d’eau liée au trop plein dans le réservoir. À défaut, il est possible de fermer le robinet d’arrêt pour observer si le niveau d’eau diminue dans le réservoir.

Mais elle n’entraîne pas de consommation énergétique. Il n’en est pas de même au niveau de certains équipements :

Mélangeur sensible aux impuretés

L’élément sensible est généralement la tête, qu’elle soit à clapet (attention au serrage trop fort lors de la fermeture) ou céramique (sensible aux impuretés). On détecte le problème par le goutte-à-goutte persistant, même lorsque le robinet est fermé.

Remplacement de la cartouche.

Idéalement, il faudrait poser un filtre en amont de l’installation pour éliminer les particules qui pourraient nuire au bon fonctionnement de la robinetterie.

Pour ce qui est du remplacement, une tête céramique coûte en moyenne 10 € et un joint pour une tête à clapet coûte en moyenne 3 €. On vérifiera l’état du siège pour faire un rodage éventuel.

Robinet d’arrêt

Les robinets d’arrêt sont également assez sensibles au tartre. Il est conseillé de les manœuvrer régulièrement (1 fois par mois) afin d’éviter l’apparition de fuites (généralement situées au niveau du joint presse étoupe) lors d’une action après une longue période sans manœuvre.

Groupes de sécurité des ballons électriques

Ces appareils doivent être situés à l’amont immédiat des ballons électriques qu’ils protègent. Ils permettent d’éviter une montée en pression à l’intérieur du ballon due à la dilatation de l’eau provoquée par une élévation de température. Des évacuations ponctuelles de petites quantités d’eau sont donc normales lors de la période de chauffage. Il faut par contre surveiller que la soupape ne soit pas bloquée en position ouverte à cause de particules de tartre. L’évacuation automatique vers l’égout peut masquer longtemps ce problème…

Si tel est le cas, il faut vidanger le ballon pour procéder au nettoyage ou au remplacement du groupe.

D’une manière générale, il est conseillé de les manœuvrer régulièrement pour éviter le risque d’entartrage (1 fois par mois).

« Repassage » de l’eau froide dans l’eau chaude

Il arrive régulièrement que lors d’une défectuosité de la tête des mitigeurs ou des mélangeurs, l’eau froide, pour une question de pression, passe dans la conduite d’eau chaude et refroidisse la boucle d’eau chaude (présente dans le tertiaire). Il s’ensuit :

  • Une augmentation de la consommation d’énergie pour rattraper la perte de température de l’eau chaude.
  • Un risque de prolifération des légionelles vu que la température de la boucle d’eau chaude risque de se trouver dans la zone de température de développement optimal des méchantes bestioles (25-45°C).

Pour pallier à ce problème, il y a lieu d’essayer d’égaliser les pressions d’eau chaude et froide à tous les étages du bâtiment et d’essayer de détecter les émetteurs défectueux (en général, la sous-boucle d’eau chaude devient de plus en plus froide au fur et à mesure des soutirages d’eau chaude par les émetteurs voisins à celui défectueux).


Supprimer l’eau chaude dans les sanitaires de bureaux

Dans la conception des immeubles récents, il est très fréquent de ne plus apporter d’eau chaude dans les sanitaires des espaces bureaux, logistiques, où l’activité est peu salissante.

Alors, pourquoi ne pas déconnecter les installations existantes ?

Si de plus une boucle de circulation est associée à ce réseau, une économie très importante s’en dégagera.

Si l’option est prise de déconnecter l’eau chaude d’un point de puisage, attention toutefois à la création de bras mort où des foyers de légionelles peuvent se développer.

Il est impératif d’appliquer l’une des deux méthodes suivantes :

Conservation de la conduite d’amenée d’eau chaude

Le placement d’une vanne de sectionnement le plus près possible du collecteur d’eau chaude ou de la boucle secondaire (si présente) permet d’éviter la création d’un bras mort tant redouté.

Enlevement de la conduite inutilisée

La suppression pure et simple de la conduite d’alimentation en eau chaude du point de puisage paraît excessive (coûts important). En effet, il faut :

  • de toute façon vidanger une partie de l’installation et placer une vanne de sectionnement;
  • enlever la conduite depuis le point de puisage jusqu’à la vanne d’arrêt.

Cependant, dans les grandes installations sanitaires, le démantèlement ordonné des conduites des points de puisage permet de garder une certaine clarté par rapport à la maintenance du réseau hydraulique (à étudier au cas par cas selon la modularité de l’activité tertiaire).

De toute façon, quelle que soit la méthode adoptée, il faut utiliser un code de repérage à la fois sur site et sur les plans hydrauliques de manière à garder une situation bien à jour.

Améliorer la production d’eau chaude sanitaire

Renforcer l’isolation du ballon de stockage

Autrefois, comme mesure d’économie d’énergie, on aurait proposé de diminuer la température de l’eau pour limiter les pertes de tout le réseau. Passer de 60°C à 45°C permet de diminuer les pertes de l’ordre de 30 %. De plus, avec des températures d’eau inférieures à 60°C, les risques d’entartrage et de corrosion diminuent fortement.

Mais la gestion de la légionelle impose aujourd’hui de privilégier un stockage à une température minimale de 60°C, surtout si des douches sont présentes sur le réseau (la légionelle se transmet par inhalation de micro-gouttelettes).

Tout particulièrement, on examinera si le fond du ballon est isolé (parfois l’isolation ne couvre que les parties verticales), car à cet endroit, la stagnation d’eau tiède est propice au développement de la bactérie. Une isolation urgente s’impose

A priori, un stockage à haute température ne génère pas en soi une consommation énergétique élevée… pour autant qu’une isolation renforcée limite drastiquement les pertes.

Évaluer

Pour plus d’infos sur la rentabilité de l’isolation d’un ballon accumulateur.

Concevoir

Pour plus d’infos sur le choix de l’isolation d’un ballon accumulateur. !

La mise en œuvre nécessite un certain soin. Dans une campagne de mesures sur site, l’EDF a constaté que les pertes réelles dépassent souvent le double de la valeur obtenue par calcul théorique. La mise en œuvre pas toujours aisée de l’isolation en jaquette souple génère des courants convectifs non contrôlés (c.à.d. un effet de cheminée entre le ballon et l’isolant). Le calorifuge sous tôle galvanisée est plus hermétique.

Et les pertes augmentent avec le vieillissement de l’isolant.

L’intention de départ était louable…


Améliorer la stratification des températures

Il est difficile d’améliorer la stratification des températures dans un ballon existant (voir techniques d’évaluation de la stratification). En pratique, une intervention ne se justifie que dans un cas assez critique : celui d’un ballon placé horizontalement.

Il est cependant également possible de renforcer l’isolation des tuyauteries de raccordement et de la boucle de circulation, pour limiter les thermo-circulations d’eau parasites.


Réduire le volume du réservoir d’eau chaude

Lorsque la capacité des ballons est trop élevée et qu’il en existe plusieurs, la mise hors service d’un ballon est alors justifiée pour limiter les pertes par les parois.


Si une telle situation se rencontre systématiquement en fin de journée,
il y a intérêt à couper l’alimentation du 3ème ballon.

Calculs

Pour évaluer les pertes énergétiques d’un ballon non utilisé.

Concevoir

Pour dimensionner l’installation nécessaire,

Décentraliser la production d’eau chaude

Pour 2 litres d’eau utiles, 4 restent dans la tuyauterie…

S’il existe des points de puisage à faibles besoins et forts éloignés de la production centrale, il peut être avantageux de prévoir des petits chauffe-eau individuels : soit des instantanés gaz, soit des petits accumulateurs électriques. Cela permet d’augmenter le confort (diminution du temps d’attente) et de diminuer les pertes (pertes de l’eau chaude « qui reste » dans les tuyauteries).

Évaluer

Pour évaluer la rentabilité de la décentralisation.

Produire près du consommateur…

L’arrivée des préparateurs instantanés gaz avec cheminée « ventouse » permet aujourd’hui de reposer la question de l’emplacement du préparateur d’eau chaude sanitaire. Production en centrale de chauffe en sous-sol, à grande distance des utilisateurs, avec une chaudière surdimensionnée en été ? Ou au contraire, des préparateurs décentralisés proche des points de soutirage. On peut sans danger faire circuler une conduite de gaz dans le bâtiment.

On peut ainsi imaginer, lors d’une rénovation du système, que des productions différentes soient réalisées pour des groupes d’utilisateurs différents (un réseau « cuisine et buanderie », un réseau « sanitaires », par exemple). Cela permet notamment de générer des réseaux avec des températures différentes.

Il est également possible de disposer d’accumulateurs électriques décentralisés. Mais attention, dans le bilan, on tiendra compte qu’il s’agit souvent de courant électrique de jour (dont le prix du kWh est 2 à 3 fois plus élevé que le prix du kWh thermique…), sauf si une horloge est placée sur son alimentation.

...mais multiplier la puissance installée.
La décentralisation apporte un inconvénient : la puissance de chauffage totale à installer sera augmentée puisqu’en chaque lieu de puisage, on doit prévoir le débit d’eau maximum. Lorsque l’installation est centralisée au contraire, un effet de foisonnement a lieu. Par exemple, un ballon de stockage centralisé fournira l’eau des douches à un autre moment que l’eau de la vaisselle : les volumes à stocker ne doivent pas être additionné.


Placer un capteur solaire à eau chaude

La pose des capteurs solaires pour préchauffer l’eau chaude sanitaire est aujourd’hui une technique qui est arrivée à maturité; maturité technique et financière.

Les applications solaires les plus intéressantes économiquement se retrouvent parmi les établissements consommant de grandes quantités d’eau chaude : les hôpitaux, les piscines et les établissements d’accueil social (maisons de repos, centres d’accueil pour personnes handicapées, …), les internats, grands hôtels, centres de vacances, immeubles de plus de 15 logements, restaurants d’entreprise,…

A tout le moins, si une rénovation de la production d’eau chaude sanitaire est à l’ordre du jour, si une toiture plate ou à inclinaison sud est disponible, une étude de préfaisabilité s’impose. Des petits logiciels Excel vous permettent de faire le point rapidement.

Concevoir

Pour plus de détails sur les coûts, la rentabilité d’un projet, les outils d’aides à la décision.

Études de cas

Pour parcourir un exemple audit solaire établi pour le home La Charmille à Gembloux.

De nouveau, on prendra en compte que le chauffage de l’eau chaude sanitaire par un système solaire risque de ne pas être suffisant pour élever la température moyenne de l’eau sanitaire à une valeur suffisante (55-60°C) afin d’éviter de se trouver dans la plage de prolifération des légionelles. Il est donc nécessaire de considérer les systèmes solaires comme un moyen de préchauffage de l’eau sanitaire en complément d’une production classique.


Produire l’eau chaude avec une pompe à chaleur ?

Il est possible de produire de l’eau chaude sanitaire au moyen d’une pompe à chaleur. Différentes technologies sont possibles. De la chaleur « gratuite » sera extraite d’une source (air extérieur, nappe phréatique, …) et sera communiquée au ballon d’eau chaude.

L’avantage est mesuré par le COP (Coefficient de Performance) de la pompe à chaleur : un COP de 3 signifie qu’il faut donner 1 kWh électrique au compresseur pour fournir 3 kWh de chaleur dans le ballon d’eau chaude. Au passage, 2 kWh auront donc été pompés sur la source.

Rentabilité du projet ?

Une telle amélioration est surtout rentable si la situation de départ est une installation de production d’ECS électrique. La consommation électrique pourra être divisée par le COP. Ainsi, dans le programme de promotion des économies d’énergie suisse « Ravel », on annonce un COP annuel de 3 pour une pompe à chaleur Air-Eau et de 4,5 si la pompe capte l’énergie dans le sol (ce dernier chiffre nous paraît exagéré puisqu’une campagne de mesure faite par l’Université de Mons sur des installations de chauffage de bâtiments révèle des COP annuels de l’ordre de 2,5 à 2,9).

Mais attention, ces chiffres ne s’appliquent que si le chauffage de l’eau est limité à 50°C. Si le stockage est prévu à 60°C, une batterie électrique doit fournir le complément avec de l’électricité directe (–> COP = 1); ce qui est le cas lorsqu’on considère qu’une température de production d’eau de 60 °C est nécessaire pour éviter la prolifération des légionelles.

Imaginons le chauffage d’1 m³ de 10 à 60°C par une pompe à chaleur air-eau.

L’énergie nécessaire au chauffage de 10 à 50°C par la PAC sera de :

Énergie = 1 m³ x 1,163 kWh/m³ x (50 – 10) / 3 = 15,5 kWh

L’énergie complémentaire pour passer de 50 à 60°C sera de :

Energie = 1 m³ x 1,163 kWh/m³ x (60 – 50) = 11,6 kWh

Le COP moyen annuel est alors de :

COP = Energie produite / Energie fournie
= [1 m³ x 1,163 kWh/m³ x (60 – 10)] / [15,5 + 11,6]
= 2,15

On sera donc très attentif aux instructions fournies par le constructeur. Ceci d’autant plus qu’il n’existe pas de standard de mesure des performances d’une PAC, du moins pour en évaluer son rendement saisonnier. Il faut bien analyser

  • Pour quelle température de la source le COP est fourni ?
  • Jusqu’à quelle température l’évaporateur peut extraire la chaleur de la source ?
  • Jusqu’à quelle température le condenseur peut chauffer le ballon ?

On aura également tout intérêt à conserver une température d’eau dans le ballon la plus basse possible (45°C par exemple). Mais ceci suppose un réservoir suffisamment grand. Par ailleurs, cela peut aller à l’encontre de la protection anti-légionelle. Au minimum, on prévoiera une montée temporaire de chauffage à 70°C par une résistance électrique toutes les semaines ou tous les 15 jours.

Sources particulières

Le placement d’une pompe à chaleur doit surtout s’envisager s’il existe une source particulière de chaleur disponible dans le bâtiment (air extrait ? process ? four ?…). Par exemple, refroidir (et déshumidifier par la même occasion) une buanderie surchauffée et produire ainsi de l’eau chaude sanitaire : coup double !

Il faut par contre éviter de placer une pompe à chaleur pour « récupérer la chaleur disponible en cave » :

  • D’abord, parce qu’il est plus logique d’éviter les pertes qui sont à l’origine de cette chaleur (chaudière, tuyauteries, …) que de les récupérer (il suffira d’ailleurs de changer de chaudière pour perdre la source !).

 

  • Ensuite, parce qu’un niveau de température élevé ne traduit pas forcément une quantité de chaleur importante (cela peut traduire une mauvaise ventilation de la cave, par exemple).

 

  • Enfin, parce qu’une partie de cette chaleur est déjà récupérée par le plancher du rez de chaussée.

Concevoir

Pour plus d’info sur le choix et la mise en place d’une pompe à chaleur pour la préparation d’eau chaude sanitaire.

Désolidariser chauffage de l’eau chaude et chauffage du bâtiment ?

Dans certaines installations, le chauffage de l’eau chaude sanitaire est combiné au chauffage du bâtiment.

L’eau chaude sanitaire est alors un utilisateur au même titre que la batterie de chauffe du groupe de préparation d’air. Elle bénéficie du rendement de production saisonnier de l’ensemble, ce qui est bénéfique.

En dehors de la période de fonctionnement du chauffage, la question se pose de l’opportunité de découpler ce système et de passer, par exemple, à un système de production d’eau chaude indépendant à l’électricité ?

Il est difficile de trancher ce débat dans l’absolu. Voici les arguments de part et d’autres.

Arguments favorables au découplage

Le rendement de production de l’eau chaude sanitaire peut se dégrader en été :

  • si la chaudière est maintenue en température en permanence sur son aquastat,

 

 

  • si la chaudière est beaucoup trop puissante par rapport aux besoins de l’eau chaude sanitaire (les cycles de fonctionnement du brûleur seront courts et les démarrages fréquents, ce qui est synonyme de mauvaise combustion),

 

  • si l’ensemble du réseau primaire doit être maintenu en température uniquement pour le chauffage de l’eau sanitaire.

Un rendement inférieur à 20 % est alors tout à fait possible…

On peut envisager la possibilité de greffer une résistance électrique sur le ballon accumulateur. Tout particulièrement si les besoins d’eau chaude sont faibles (mais peut-être qu’alors un simple ballon près de la cuisine suffit ?).

En rénovation, tout dépendra des performances de la production combinée existante.

Par exemple, l’association CEDICOL a réalisé une mesure sur site (source : magazine « L’entreprise », mars 90) dont il ressort un rendement saisonnier annuel de production d’eau chaude de 71 % et un rendement d’été de 49 % :

La production de cette installation domestique est, en été, de 186 litres d’eau chaude par jour.

L’installation comprend une chaudière au fuel de 27 kW alimentant un ballon de stockage de 160 litres. La chaudière est régulée en température glissante avec une priorité sanitaire. Cela signifie qu’entre deux demandes du ballon, la chaudière redescend en température.

Durant l’été 88, la chaudière à consommé 189 litres de fuel (soit 1 880 kWh) pour produire 24 180 litres d’eau chaude (soit 939 kWh). Le rendement de production en été est donc de 939 / 1 880 kWh = 49 %.

Pour l’ensemble de l’année, le système produit 42 150 litres d’eau chaude avec un rendement saisonnier de 71 %.

Séparer la production d’eau chaude en été, et produire cette dernière au moyen de l’électricité permettrait de gagner :

1 880 [kWh] x (1 – 49 % / 93 %) = 890 [kWh]

Le gain financier est de :

  • Facture d’été en production combinée : 189 [litres] x 0,2116 [€/litres] = 40 [€]
  • Facture d’été en production séparée électrique : 990 [kWh] x 0,044 [€/kWh] = 44 [€]
  • Perte : 4 [€/an]

On se trouve dans la situation la plus favorable de production combinée, avec une chaudière fonctionnant en température glissante. Dans le cas d’une ancienne chaudière restant à température constante tout l’été (de 70°C, par exemple), il n’est pas rare d’avoir des rendements de production inférieurs à 20 % en été !

Dans ce cas, le bilan serait alors le suivant :

  • Consommation en fuel d’été : 1 880 [kWh] x 49 [%] / 20 [%] = 4 606 [kWh] ou 460 [litres fuel]
  • Gain énergétique : 4 606 [kWh] x (1 – 20 % / 93 %) = 3 616 [kWh]
  • Facture d’été en production combinée : 460 [litres] x 0,2116 [€/litres] = 97 [€]
  • Facture d’été en production séparée : 990 [kWh] x 0,044 [€/kWh] = 44 [€]
  • Gain : 53 [€/an]

La solution du ballon électrique est cependant à éviter s’il existe une boucle de circulation mal isolée générant des pertes permanentes élevées :

En effet, l’eau froide de retour perturbe la stratification des températures dans le ballon. Plusieurs situations peuvent se produire : soit l’eau chaude n’est plus assurée, soit le thermostat s’enclenche pour réchauffer le ballon, soit un réchauffage de boucle maintient la température à son niveau. Mais ceci génère un chauffage électrique de jour assez coûteux.

Arguments favorables au maintien de la production combinée

Si la chaudière est suffisamment performante, la question du maintien de la production de chaleur combinée se justifiera la plupart du temps. Après tout, le prix de l’énergie électrique est double de celui de l’énergie thermique, en moyenne.

On peut dès lors envisager des alternatives :

  • La première est de limiter au maximum la puissance de chaudière utilisée :
    • vérifier le bon fonctionnement en cascade des chaudières et en particulier des vannes d’isolement motorisées des chaudières,
    • si les chaudières ne sont pas équipées de vannes d’isolement motorisées, mettre les chaudières inutiles en été à l’arrêt et fermer manuellement leur vanne d’isolement,
    • vérifier la bonne régulation des allures de brûleur de manière à favoriser le fonctionnement de la chaudière en petite puissance.
  • La deuxième consisterait à fractionner la puissance de chauffe et à installer une petite chaudière en cascade dont la puissance convient pour le chauffage de l’eau chaude sanitaire en été. Elle sera utile également pour les relances de début de journée en mi-saison, évitant ainsi la mise en température de la chaudière principale.
Exemple théorique.

Comparons les pertes d’une installation combinée et d’une chaudière propre à la production d’eau chaude sanitaire.

Hypothèse : il s’agit d’une installation équipant un home pour personnes agées. La consommation globale en eau chaude du bâtiment est estimée à 1000 m³ d’eau à 60°C par an. Le besoin énergétique pour chauffer cette eau est de :

1,16 [kWh/m³.°C] x 1000 [m³/an] x (60 [°C] – 10 [°C]) = 58 000 [kWh/an]

dont 38 400 [kWh/an] durant la saison de chauffe et 19 600 [kWh/an] en été.

Installation combinée : une chaudière de 650 kW moderne ayant un coefficient de perte à l’arrêt (à 70°C) de 0,3 % de la puissance chaudière. Cette chaudière reste en permanence à une température de 70°C, été comme hiver, pour produire l’eau chaude sanitaire. Elle alimente en permanence un collecteur de distribution de 20 m (DN 100). En été, son rendement de combustion baisse de 2 % suite à un fonctionnement par de nombreux cycles courts (la puissance de l’échangeur sanitaire étant nettement inférieure à la puissance de la chaudière). Il passe de 92% à 90%.

Installation séparée : une chaudière de 500 kW pour le chauffage et une chaudière de 150 kW pour la production d’eau chaude sanitaire. A 70°C, ces deux chaudières ont le même coefficient de perte à l’arrêt que la chaudière de 650 kW. La chaudière de chauffage est régulée en température glissante (température moyenne de 43°C) et arrêtée en été. Ses pertes à l’arrêt sont ainsi réduites à 0,1 %. La chaudière de 150 kW est, elle maintenue à 70°C toute l’année.

Pertes

Installation combinée
[kWh/an]

Installation séparée
[kWh/an]

Différence
[kWh/an]

En hiver (5 800 h/an)

Pertes de combustion 38 400 [kWh/an] x (1 – 0,92)
= 3 072 [kWh/an]
0 [kWh/an]
Pertes à l’arrêt de la chaudière « chauffage » 0,003 x 650 [kW] x 3 925 [h/an] / 0,92
= 8 320 [kWh/an] (*)
0,001 x 500 [kW] x 4 000 [h/an] / 0,92 = 2 174 [kWh/an] 6 146 [kWh/an]
Pertes à l’arrêt de la chaudière « eau chaude » 0,003 x 150 [kW] x 5 500 [h/an] / 0,92 = 2 055 [kWh/an] – 2 055 [kWh/an]
Pertes du collecteur « chauffage » 16,7 [W/m] x 20 [m] x 5 800 [h/an] / 0,92
= 2 106 [kWh/an]
7,7 [W/m] x 20 [m] x 5 800 [h/an] / 0,92 = 971 [kWh/an] 1 135 [kWh/an]
Pertes d’hiver 3 072 [kWh/an] + 8 320 [kWh/an] + 2 106 [kWh/an] = 13 498 [kWh/an] 3 072 [kWh/an] + 2 174 [kWh/an] + 2 055 [kWh/an] + 971 [kWh/an] = 8 272 [kWh/an] 5 226 [kWh/an]

En été (2 960 h/an)

Pertes de combustion 19 600 [kWh/an] x (1 – 0,90)
= 1 960 [kWh/an]
19 600 [kWh/an] x (1 – 0,92)
= 1 568 [kWh/an]
392 [kWh/an]
Pertes à l’arrêt de la chaudière « chauffage » 0,003 x 650 [kW] x 2 935 [h/an] / 0,90
= 6 359 [kWh/an]
6 359 [kWh/an]
Pertes à l’arrêt de la chaudière « eau chaude » 0,003 x 150 [kW] x 2 860 [h/an] / 0,92 = 1 399 [kWh/an] – 1 399 [kWh/an]
Pertes du collecteur « chauffage » 16,7 [W/m] x 20 [m] x 2 960 [h/an] / 0,90 = 1 098 [kWh/an] 1 098 [kWh/an]
Pertes d’été 1 960 [kWh/an] + 6 359 [kWh/an] + 1 098 [kWh/an] = 9 417 [kWh/an] 1 568 [kWh/an] + 1 399 [kWh/an] = 2 967 [kWh/an] 6 450 [kWh/an]

Sur l’année

Bilan global – pertes totales 22 915 [kWh/an] 11 239 [kWh/an] 11 676 [kWh/an] ou 1 168 [m³gaz/an]

L’installation d’une chaudière combinée entraînerait donc une surconsommation d’environ 1 200 m³ de gaz par an ou une dépense complémentaire d’environ 275 € par an.

(*) Justification des heures prises en compte :
La saison de chauffe dure 5 800 [h/an]. La chaudière de 650 kW tourne 1 800 h/an pour le chauffage et 100 h/an pour l’eau chaude sanitaire (75 en saison de chauffe et 25 en été). La chaudière reste donc chaude sans que son brûleur ne fonctionne durant 3 925 h/an. La chaudière de 500 kW tourne 1 800 h/an pour le chauffage et est en attente chaude 4 000 h/an. La chaudière de 150 kW tourne 400 h/an (dont 100 h en été.

  • La troisième consisterait à limiter l’enclenchement de la chaudière dans le temps. En effet, si la demande peut être couverte facilement par une ou deux relances de la chaudière sur la journée, une horloge peut imposer les plages horaires durant lesquelles le réchauffage du ballon est autorisé. Par exemple : de 5 à 7 heures du matin et de 16 à 18 heures en fin de journée. Ainsi, on évitera de multiples remises en route de la chaudière tout au long de la journée !
  • Enfin, puisqu’il s’agit de besoins d’été, ils peuvent également être couverts presque totalement par une installation de capteurs solaires. Le moment est alors bien choisi pour étudier la faisabilité d’un tel investissement. Mais il faudra s’assurer que le système de chauffage dispose Dun mode « veille » très économe lorsque le soleil est actif.

Une campagne de mesure ?

On le voit, le choix est totalement dépendant de la situation locale.

Il est possible d’évaluer plus précisément sa situation en mesurant la consommation de combustible l’été et la quantité d’eau chaude consommée. À défaut de disposer d’un compteur d’eau spécifique sur le départ d’eau chaude, on pourra faire une évaluation grossière sur base des débits des équipements sanitaires (autant de douches à 40 litres/douche, etc…).

Très approximativement, on retrouvera le rendement de production de l’eau chaude par les formules :

Énergie utile [kWh] = Nbre de m³ à 60°C x 1,163 [kWh/m².K] x (60 – 10) [K]

Energie fournie [kWh] = Nbre de m³ de gaz ou de litres de fuel x 10

Rendement = Energie utile / Energie fournie

Exemple : s’il a fallu 6 500 m³ de gaz pour produire 220 m³ d’eau chaude à 60°C, le rendement de production est de :

220 x 1,163 x (60 – 10) / 6 500 x 10 = 20 %

A comparer avec les rendements de production des systèmes neufs et avec le coût d’un nouveau système.

En général, décider de désolidariser l’eau chaude sanitaire sous entend de se poser la question d’une rénovation plus fondamentale de la production de chaleur.

Concevoir

Pour plus d’informations sur la conception d’une installation d’eau chaude sanitaire.

Intégrer une priorité eau chaude sanitaire

Conflit entre chauffage du bâtiment et chauffage de l’eau chaude sanitaire

Si la chaudière réalise à la fois le chauffage du bâtiment et le chauffage de l’eau chaude sanitaire, un conflit de température apparaît :

  • Pour augmenter le rendement d’une chaudière, il est intéressant de travailler à basse température, surtout s’il s’agit d’une chaudière récente (dite à « très basse température » ou à condensation). Par exemple, la température de l’aquastat sera adaptée en fonction de la température extérieure afin de ne chauffer qu’à la température minimale nécessaire.
  • Pour réchauffer l’eau chaude sanitaire, une température minimale d’eau de chauffage à 65 ou 70°C est nécessaire (par exemple pour réchauffer un ballon de stockage à 60°C). Temporairement, par mesure de précaution anti-légionelle, une montée de l’eau du ballon de stockage à 70°C est même parfois organisée.

Régulation avec « priorité eau chaude sanitaire »

Pour éviter de maintenir en permanence les chaudières à haute température, il est possible de mettre en place une régulation du type « priorité eau chaude sanitaire » : la chaudière ne monte en température qu’au moment du réchauffage du ballon. En principe, le ou les autres circulateurs des circuits de chauffage peuvent alors éventuellement être arrêtés (l’inertie du bâtiment est suffisante).

C’est une technique courante dans le domestique. On comprend qu’elle ne puisse s’appliquer dans le tertiaire que si la production d’eau chaude sanitaire est faible par rapport au chauffage du bâtiment :

  • Ce sera tout particulièrement le cas lorsque l’eau chaude est stockée dans un ballon dont la contenance en eau est telle que la chaudière n’est sollicitée que 2 ou 3 fois par jour.
  • À l’opposé, on ne pourra appliquer cette technique en présence d’un échangeur à plaques instantané qui doit pouvoir réagir au quart de tour !

L’intérêt de la « priorité sanitaire » est d’autant plus important :

  • Que la chaudière présente des pertes à l’arrêt élevées. On pense ici tout particulièrement aux chaudières gaz atmosphériques dont l’échangeur est en communication ouverte avec la cheminée. Il faut que ces chaudières soient toujours maintenues à la plus basse température possible (température définie par leur conception et donc par le fabricant).

  • Que la chaudière alimente le ballon d’eau chaude aussi en été. Dans ce cas, la régulation permettra d’arrêter totalement la chaudière (température retombant à 20°C) sauf durant les périodes de chauffage de l’eau sanitaire.

Des relances intempestives du chauffage de l’eau sanitaire à limiter par une horloge

Si l’on constate que la demande peut être couverte facilement par une ou deux relances de la chaudière sur la journée, il est utile, en plus de la priorité sanitaire, de greffer une horloge sur la régulation pour imposer les plages horaires durant lesquelles le réchauffage du ballon est autorisé. Par exemple : de 5 à 7 heures du matin et de 16 à 18 heures en fin de journée. Ainsi, on évitera de remettre la chaudière en route pour le puisage d’un seau d’eau ! C’est surtout avantageux en été, bien sûr, mais ce l’est également en hiver puisque la température moyenne d’une chaudière régulée en fonction de la température extérieure est de 43°C sur la saison de chauffe.

Cette technique a fait l’objet d’une simulation sur une installation ECS domestique (consommation de 45 m³ à 55°C). Voici les rendements obtenus (source « Chauffage et production d’ECS » – M. Rizzo – Éditions Parisiennes) :

Chauffage de l’ECS constant

Chauffage de l’ECS programmé

Été

44 % 66 %

Hiver

69 % 80 %

Année

59 % 75 %

Soit un gain moyen annuel de 21 % sur la consommation relative à la production d’eau chaude.

On peut tester manuellement cette technique en été, en coupant la chaudière au matin et en observant « jusque quand » la réserve d’eau chaude assure les besoins du bâtiment.

Alternative

S’il est difficile de planifier les périodes de chauffage de l’eau chaude, il est possible d’obtenir un effet similaire en régulant le ballon au moyen d’un thermostat à fort différentiel situé en partie haute (au moins au 2/3 de la hauteur). Ce thermostat arrête la pompe de circulation du réchauffeur quand on atteint la valeur désirée, généralement 60 à 65°C et remet le chauffage en service quand l’eau tombe à 40/45°C.


Remplacer la veilleuse par un allumage électronique ?

La veilleuse consomme en pure perte environ 120 m³ de gaz par an, soit un coût d’environ 40 € par an. On a même parlé de veilleuse consommant 300 m³/an, mais alors il s’agit d’un très vieux chauffe-eau dont la veilleuse ressemble à un chalumeau !

Un allumage électronique est certainement plus performant, mais l’investissement n’est sans doute pas rentable sur des appareils existants.

À défaut, on peut imaginer (?) de couper cette veilleuse durant les périodes où la consommation d’ECS est nulle (WE, vacances,…).


Récupérer l’énergie au condenseur de la machine frigorifique ?

La machine frigorifique évacue de la chaleur vers l’extérieur. Or la production d’eau chaude sanitaire demande une fourniture de chaleur, au contraire. L’idée de récupérer la chaleur de l’un au bénéfice de l’autre est attirante.

En pratique, pour le groupe frigorifique, chauffer l’eau sanitaire de 10 à 30°C est très efficace, effectivement. Par contre, chauffer l’eau de 30 à 60°C est difficile. Sous prétexte de récupération, la machine frigorifique finit par avoir un très mauvais rendement : le compresseur doit augmenter son taux de compression pour atteindre les hautes températures !

Cette technique est donc à privilégier pour les installations où la demande d’eau chaude sanitaire est très importante (hôtels, restaurants, hôpitaux, homes,…) et pour lesquels on assurera le préchauffage de l’eau sanitaire, sans perturber le cycle de la machine frigorifique. De l’ordre de 20 à 25 % de la puissance frigorifique peuvent être alors récupérés.

Schéma 1 : un échangeur thermique parcouru par le fluide frigorigène est inséré au bas d’un ballon d’eau chaude.

Par effet de cheminée, la chaleur sera donnée à la zone la plus froide du ballon puis communiquée à l’ensemble du réservoir. L’échangeur est équipé d’une double paroi de sécurité, selon DIN 1988.

Schéma 2 : un ballon intermédiaire à double échange est intégré comme interface

On peut également prévoir un système à double échange : deux échangeurs sont intégrés dans un même ballon (1). Le premier échangeur est celui du condenseur de la machine frigorifique, le deuxième est le serpentin de préchauffage de l’eau chaude sanitaire.

Un appoint en série est prévu (2).

Schéma 3 : en présence d’une boucle de distribution

Le régulateur de température de départ de la boucle utilise l’appoint lorsque le niveau de température du ballon est insuffisant.

Améliorer

Motivé ? Alors, découvrez plus de détails sur le fonctionnement côté machine frigorifique en cliquant ici !

Supprimer les pertes vers l’égout du groupe de sécurité

En amont d’un chauffe-eau, un groupe de sécurité est prévu, équipé d’une soupape de sûreté. Il se peut que cette soupape laisse échapper de l’eau chaude vers l’égout.

Il peut être utile de placer un récipient entre l’échappement et l’égout pour évaluer l’importance de ce phénomène car il est fortement amplifié la nuit, ce qui est plus difficile à percevoir.

Si l’accès est impossible, peut être est-il possible de s’en rendre compte via le compteur d’eau la nuit ?

Si l’écoulement est sporadique

Cet écoulement correspond à la dilatation de l’eau lors du chauffage : la pression monte et l’excédent d’eau est évacué vers l’égout. A chaque remontée en température du ballon (soit pratiquement chaque nuit pour un ballon électrique), 1/30 de la capacité du boiler est évacuée par la soupape de sécurité. Par tranche de 100 litres de réservoir, cela représente annuellement plus d’un m³ d’eau chaude expédiée à l’égout.

Si la soupape de sécurité est ainsi constamment sollicitée, elle finit par s’entartrer et perdre, dans un goutte à goutte permanent, une quantité d’eau chaude 10 à 20 fois plus importante.

D’autant plus que, sur le plan réglementaire, un groupe de sécurité qui est chaque jour sollicité ne peut plus être considéré comme un organe de sécurité, mais bien comme un organe de régulation. Par souci de sécurité, il devrait donc être complété par une deuxième soupape de sécurité. Cela peut faire sourire, mais le directeur de l’école de Court St Etienne qui a vu son ballon d’eau chaude traverser la toiture et retomber près de la gare ne souriait pas !

Il s’agit là d’un mauvais usage d’un équipement de sécurité.

Nous pensons qu’il est très utile de placer un vase d’expansion hermétique sur l’arrivée d’eau froide sanitaire. Ces vases sont disponibles en capacités de 8 à 500 litres, à sélectionner via les tables fournies par les constructeurs.

Exemple de dimensionnement pour un ballon de 100 litres.

Hypothèses : eau froide à 10°C, eau chauffée à 65°C, pression d’alimentation en eau à 4 bars max, pression de tarage de la soupape de sécurité à 7 bars, facteur de pression 0,375 entre 4 et 7 bars (formule de Boyle-Mariotte).

Dilatation de l’eau entre 10 et 65°C : 0,0195 litre/litre

Volume du vase d’expansion :

0,0195 x 100 / 0,375 = 5,2 litres

On installera donc un ballon de 8 litres prégonflé à 4 bars.

(source : Installateur 02/99).

Si l’écoulement est permanent

Les soupapes de sécurité sont tarées à 7 bars. Si la pression du réseau dépasse cette valeur (fond de vallée, remontée classique de la pression du réseau durant la nuit), ou si le réglage de la soupape est défectueux, il est possible que ces pertes soient pratiquement permanentes.

La solution consiste à placer un réducteur de pression sur l’arrivée d’eau. C’est bien sur l’arrivée générale de l’eau dans le bâtiment qu’il faut le placer car son montage sur la seule production d’eau chaude sanitaire entraînerait un déséquilibre des pressions entre les réseaux d’eau froide et d’eau chaude, empêchant alors le bon fonctionnement des robinetteries.


Si chauffage électrique, chauffer l’eau la nuit

Étant donné le coût de l’électricité, une horloge ou une télécommande sur le réseau du distributeur commanderont la charge durant les heures creuses (la nuit ou le WE).

Ceci suppose que le volume de stockage est supérieur au puisage journalier. À défaut, on risque de tomber à court d’eau chaude en fin de journée, lors de puisages très importants.

Pour éviter cela, il est possible :

  • Soit d’augmenter la température de l’eau du ballon (ce qui implique des pertes permanentes supplémentaires et la nécessité d’un bon mitigeur à la sortie pour éviter tout risque se brûlure).

 

  • Soit de dédoubler le ballon (l’avantage de l’électricité est de pouvoir décentraliser la production). Si certains points de puisage sont fort éloignés du ballon, on y gagnera à réaliser cette solution.

 

  • Soit d’équiper l’appareil d’une deuxième résistance : l’élément chauffant inférieur assure la charge nocturne à bas tarif, alors que l’élément chauffant supérieur couvre les demandes de pointe en eau chaude durant la journée, soit environ le 1/3 supérieur du ballon. L’enclenchement simultané des deux résistances n’est généralement pas autorisé en raison de la puissance cumulée.


Si chauffage électrique, délester le chauffage de l’eau en période de pointe

Si le fonctionnement de jour est malgré tout nécessaire, le placement d’un délesteur interdira l’enclenchement de l’appareil en période de pointe.

Le ballon d’eau chaude électrique est l’équipement électrique idéal pour un délestage : il représente une puissance assez élevée et sa coupure ne gêne pratiquement pas la production d’eau chaude. Il faut se rendre compte que le délesteur n’intervient que 2 à 3 fois par jour, au moment de la pointe de puissance du bâtiment (généralement entre 11 et 13 heures). Il coupera par exemple l’alimentation électrique durant 5 minutes sur le quart d’heure. L’essentiel est qu’il soit coupé lorsque la friteuse fonctionne, par exemple.

Comme il ne s’agit pas d’une production instantanée, l’utilisateur ne s’apercevra de rien.

Techniques

Pour plus de détails sur le placement d’un délesteur.

Découvrez l’amélioration de la production d’eau chaude sanitaire qui a été réalisée au centre de Hemptinne.

Évaluer l’efficacité environnementale et énergétique de la distribution

Évaluer l'efficacité environnementale et énergétique de la distribution 


Impact environnemental et sur la sécurité

Impact environnemental

L’utilisation des fluides frigorigènes dans les bâtiments n’est pas sans risque sur la santé et la sécurité des occupants. En effet, ils peuvent représenter un risque en raison de leur :

Norme NBN EN 378-1

La norme NBN EN 378-1 traitant des « Systèmes de réfrigération et pompes à chaleur – Exigences de sécurité
et d’environnement – Partie 1: Exigences de base, définitions, classification et critères de choix » est une norme utilisée plutôt pour la conception, la fabrication, l’installation, le fonctionnement et la maintenance des installations frigorifiques. Cependant, elle nous donne aussi une idée précise dans l’évaluation des risques liés à l’utilisation de ces fluides.


Détente directe pour groupe incorporé

Le refroidissement par détente directe intervient lorsque le transfert de chaleur « utile » au niveau de l’évaporateur terminal est assuré par le fluide frigorigène lui-même.

Le groupe frigorifique incorporé consiste en un regroupement des différents constituants de l’installation frigorifique au sein ou à la proximité immédiate du meuble réfrigérant, de la chambre froide, … En d’autres termes, les organes principaux tels que le compresseur, le condenseur, le détendeur et naturellement l’évaporateur font partie de la même entité. Cette solution est intéressante plus spécifiquement pour les commerces de détail. Ce sont en général des petites puissances. (quelques centaines de W à quelques kW de puissance au compresseur par exemple).

Environnement

Les groupes frigorifiques incorporés ont besoin, pour fournir leur puissance frigorifique, de peu de fluide frigorigène vu la proximité des équipements et, par conséquent, la faible quantité de tuyauterie de distribution.

L’impact sur l’environnement est donc réduit !

Énergie

Les meubles frigorifiques à groupe incorporé ne sont en général pas équipés de systèmes d’optimisation du cycle de froid par exemple de détendeur électronique ou de compresseur à vitesse variable; leur coût serait trop important par rapport à la puissance frigorifique fournie. De plus, les condenseurs incorporés ne fonctionnent pas de manière optimale puisque dans une ambiance chaude (placée dans la zone de vente ou cloisonnée dans un espace insuffisamment ventilé).


Détente directe pour production centralisée

La détente directe n’implique pas nécessairement la proximité du compresseur par rapport aux condenseurs, détendeur et évaporateur. Dans les superettes, les moyennes et grandes surfaces, on retrouve souvent des installations à détente directe avec :

  • une production centralisée (ensemble compresseur-condenseur) sur le toit ou dans un local annexe à la surface de vente.

  • et l’ensemble détendeur-évaporateur au sein du meuble frigorifique.

  

En production centralisée, la détente directe nécessite une mise en œuvre, une exploitation et une maintenance professionnelle. En effet, les distances entre la production et les équipements consommateurs de froid peuvent être importantes. Le risque d’impact négatif avec l’environnement et l’efficacité énergétique croît fortement avec cette distance.

Environnement

Cela va de soi, plus les longueurs de tuyauterie de distribution sont importantes, plus la quantité de fluide frigorigène est importante. Il en résulte que le risque de fuites de réfrigérant est important. À titre d’exemple, le Ministère de l’Écologie et du Développement Durable Français a établi le tableau qui suit en matière d’émissions fugitives de fluide frigorigène dans l’atmosphère.

Installations concernées 0 Type d’installation Taux d’émissions fugitives en fonction de la charge nominale
2001 2002 2003 2004
Hypermarchés Détente directe 30 % 30 % 30 % 22 %
Supermarchés 22 % 22 % 25 % 18 %
Commerces de proximité Groupe de condensation 10 % 10 % 10 % 10 %
Groupe hermétique Méthodologie non applicable

Source : Méthodologie spécifique pour les projets de Réduction des émissions de HFC par substitution de fluide et/ou changement d’installation frigorifique dans le froid commercial, agroalimentaire, …; ÉcoSecurities/CITEPA pour le compte du Ministère de l’écologie et du développement durable français.

Énergie

Pertes de charge dans l’installation : description

Dans les commerces où la production centralisée est présente, l’efficacité énergétique de la distribution se résume à réduire au maximum les pertes de pression (ou perte de charge) en ligne entre :

  • le condenseur souvent situé en toiture et le détendeur du meuble frigorifique (on parle de conduite liquide) dans la zone de vente;
  • l’évaporateur du meuble et l’aspiration du compresseur situé, lui aussi, en toiture ou dans un local annexe.

Les pertes de charge existent de par :

  • l’importance du nombre de coudes, raccords, prises de pression, filtres, … qui constituent la distribution (on parle de pertes de charge « singulières »;
  • les grandes longueurs de tuyauterie de la distribution (on parle ici de pertes linéaires dues au frottement du fluide dans les conduites).

La trop grande importance des pertes de charge de distribution entraîne, entre autres, une chute de la production frigorifique et une baisse de rendement du compresseur.

Pertes de charge dans l’installation : conduites d’aspiration

Outre les problèmes de retour d’huile dans les conduites d’aspiration vers la production (optimisation de la vitesse des gaz de retour vers le compresseur), les pertes de charge doivent être limitées pour ne pas augmenter le travail du compresseur et, par conséquent, dégrader le COP de la centrale de froid.

Isolation des conduites d’aspiration (après l’évaporateur).

Dans la pratique, on considère que les valeurs des pertes de charge doivent être limitées en fonction de la température d’évaporation suivant l’application. Le tableau suivant reprend des valeurs pratiques de référence :

Température d’évaporation [°C] Pertes de charge [kPa]
– 10 20
– 30 15
– 40 5

L’augmentation des pertes de charge oblige le compresseur à fournir un travail de compression plus important.

En plus de la limitation des pertes de charge, il est souhaitable d’isoler les conduites d’aspiration surtout lorsque les lignes « gaz » sont très longues. En effet, les conduites non isolées au contact de l’air ambiant de la zone de vente vont échanger plus de chaleur et nécessairement la température des gaz d’aspiration sera plus élevée provoquant aussi une augmentation du travail du compresseur.

Le manque d’isolation de la conduite d’aspiration oblige le compresseur à fournir un travail de compression plus important.

Pertes de charge dans l’installation : conduites de liquide

De manière à éviter le phénomène de « flash gaz », entre d’autres termes la revaporisation partielle du liquide à la sortie du condenseur par réchauffe au contact des températures d’ambiance de la zone de vente, il est nécessaire de bien isoler les conduites liquides. Cette mesure permet aussi de ne pas dégrader le COP des machines frigorifiques dans le sens où l’échange thermique de l’évaporateur se trouve limité (voir le schéma ci-dessous).

Le manque d’isolation de la conduite liquide passant dans des ambiances chaudes augmente le risque de « flash gaz » et réduit la puissance frigorifique disponible à l’évaporateur.


Circuits frigoporteurs

Le refroidissement est indirect lorsque le transfert de chaleur « utile » n’est pas directement assuré par le fluide frigorigène. En d’autres termes, l’échange de chaleur entre le meuble, la chambre ou l’atelier frigorifique et l’évaporateur de la centrale de production de froid s’effectue par l’intermédiaire d’une boucle de fluide frigoporteur. Les fluides frigoporteurs les plus utilisés sont l’eau glycolée (34 %), le CO2, l’ammoniac NH3, …

     

Centrale de froid source : DelHaize.

Environnement

Avantages

De par les réglementations de plus en plus draconiennes, quant aux taux de rejet des fluides frigorigènes dans l’atmosphère, des solutions comme l’utilisation de boucles intermédiaires de fluides frigoporteurs sont une approche intéressante. Le fluide frigorifique étant confiné au niveau de la centrale de production, sa quantité (charge en fluide frigorigène) est limitée et le taux d’émissions fugitives réduit.

Installations concernées 0 Type d’installation Taux d’émissions fugitives en fonction de la charge nominale*
2001 2002 2003 2004
Hyper ou supermarchés Frigoporteur 10 % 10 % 12 % 8 %
* pour les systèmes à frigoporteur: on considère la charge nominale en fluide frigorigène.

Énergie

Avantages

  • Comme la production peut être centralisée en dehors de la zone de vente (zone publique), l’utilisation de fluides frigorigènes énergétiquement plus efficaces mais toxiques et/ou inflammables tels que l’ammoniac ou le propane est possible.
  • Le dégivrage par fluide frigoporteur des évaporateurs des évaporateurs terminaux est sensiblement simplifié. Quant au temps de dégivrage, il est réduit; ce qui permet d’améliorer le bilan énergétique global de l’installation.
  • De par la taille faible du circuit frigorifique, les pertes de charge étant réduites, l’énergie consommée à la production s’en retrouve réduite.

Inconvénients

  • La production de froid par frigoporteur fait appel à un évaporateur intermédiaire; ce qui suppose deux chutes de température. Pour en tenir compte, le fluide frigorigène doit avoir une température d’ébullition plus faible que dans une application à détente directe.
  • Des pompes sont nécessaires pour assurer la circulation du fluide frigoporteur. La mise en mouvement du fluide par les pompes demande de l’énergie qui se transforme en chaleur cédée au frigoporteur. Sachant que la puissance absorbée par une pompe est définie par la formule ci-dessous, on peut estimer à quelle valeur s’élèvera la perte d’énergie non seulement en consommation au niveau du moteur électrique de la pompe mais aussi au niveau de la chaleur cédée par la pompe au fluide qu’il faudra refroidir.

Ppompe  = q volumique x Δp [W]

Où :

  • q volumique : débit volumique [m³/s];
  • Δp : la hauteur manométrique totale [N/m² ou Pa]

Débits de ventilation dans les locaux annexes

Débits de ventilation dans les locaux annexes


Suivant les fabricants

Les débits indiqués ci-dessous sont soit des débits à extraire, soit des débits à pulser selon que le local présente des risques d’odeurs ou est considéré comme un local « sale » (selon l’arrêté royal relatif à l’hygiène générale des denrées alimentaires) ou non.

Ils nous ont été communiqués par un fabricant.

Local

Taux de renouvellement horaire (1/h) Débit (m³/h)

Préparation froide

3 à 5

Légumerie

5 et 10 (*)  –

Pâtisserie

15  –

Boucherie

10  –

Stockage produits secs et boissons

3  –

Réserve vin

1  –

Stockage vaisselle

1  –

Local déchets

5 à 7  –

Local entretien

5  –

Self-service : comptoir bain-marie

100

Self-service : par chariot chauffant

50

Restaurant

6 à 8

Cafétéria

8  –

(*) : Pour les cuisines industrielles, il est demandé un extracteur à 2 vitesses assurant en temps normal un taux de renouvellement de 5 et en cas d’épluchage d’oignons un taux de 10.


Suivant la norme prEN 16282

Zones Débits [m3/h par m2]
Préparation de la viande 25
Préparation du poisson 25
Préparation de la volaille 25
Préparation des légumes 25
Réserve sèche 6
Réserve à pain 6
Réserve non-alimentaire 6
Pièces pour le personnel Voir annexe C3 de la PEB
Vestiaires, WC et douches Voir annexe C3 de la PEB
Local à poubelles 6
Distribution des repas chauds 60

Choisir un système de toiture plate

Choisir un système de toiture plate


Quels sont les critères de qualité d’une toiture plate ?

Une toiture plate de bonne qualité doit :

Etre étanche (même au droit des raccords) à la pluie, à l’air et à la neige

  • La membrane d’étanchéité doit avoir été correctement posée par des spécialistes et suivant les prescriptions du fabricant.
  • La membrane d’étanchéité sera de préférence multicouche.
  • Les raccords doivent être conformes aux règles de l’art, et les remontées d’étanchéité doivent être suffisamment hautes.
  • Les pontages des joints actifs doivent être adaptés aux mouvements.

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Pour choisir la membrane d’étanchéité, cliquez ici !

Evacuer les eaux de pluie et de fonte de neige

  • Les pentes doivent être suffisantes.
  • Les évacuations des eaux pluviales doivent être correctement dimensionnées.
  • L’eau de pluie doit pouvoir déborder sans risque et visiblement en cas d’obstruction des évacuations.

Isoler thermiquement les locaux et la structure du bâtiment

  • L‘isolation doit être suffisamment performante (épaisseur et résistivité thermique).
  • L’isolation doit être continue.

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Pour choisir l’isolant thermique, cliquez ici !

Résister aux contraintes mécaniques au niveau de toutes les couches (support, isolant, étanchéité, protection)

  • La toiture doit résister aux charges d’utilisation (charges permanentes, charges mobiles, charges localisées, charges réparties).
  • La toiture doit être capable de supporter la neige.

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Pour déterminer la résistance à l’écrasement de l’isolant existant, cliquez ici !
  • La toiture doit être prévue pour son usage (circulable pour les véhicules, pour les piétons, pour l’entretien, …)

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Pour déterminer la protection nécessaire, cliquez ici !
  • La toiture doit résister au vent.

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Pour déterminer l’accrochage nécessaire, cliquez ici !

Résister aux agents physiques et chimiques extérieurs

  • La membrane d’étanchéité doit résister à l’érosion éolienne et hydraulique.
  • La toiture doit résister aux chocs thermiques et au gel.
  • La membrane d’étanchéité doit résister aux rayonnements ultra-violets (UV) ou être protégée de ceux-ci.
  • La membrane d’étanchéité doit être adaptée pour résister à la pollution chimique acide de l’environnement extérieur auquel elle est exposée.

Techniques

Pour connaître les caractéristiques des différentes membranes d’étanchéités, cliquez ici !

Ne permettre aucune condensation interne

  • Le pare-vapeur doit être continu.
  • La toiture doit être étanche aux courants d’air.

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Pour vérifier le bon choix et la bonne pose du pare-vapeur, cliquez ici !

Etre facile à entretenir et à réparer

améliorer 

Pour savoir en quoi consiste l’entretien de la toiture plate, cliquez ici !

Subsidiairement, isoler phoniquement les locaux de l’environnement extérieur


Quand réaliser une toiture chaude ?

Lorsque l’isolant est pris en sandwich entre 2 étanchéités (le pare-vapeur en dessous et la membrane au-dessus), on appelle cela une toiture chaude.

Schéma toiture chaude.

A utiliser le plus souvent possible
C’est actuellement la technique la plus utilisée.

On préférera la toiture chaude à la toiture inversée pour sa facilité d’entretien, particulièrement lorsque l’environnement est fortement boisé (chute des feuilles, germination et développement de plantes).

On préférera également la toiture chaude lorsque le lestage du complexe isolation-étanchéité n’est pas possible à cause du manque de portance du support.

Avantages

  • Risque de condensation interstitielle facilement maîtrisable par le choix d’un pare-vapeur adéquat et pour les cas les plus difficiles d’un isolant étanche à la vapeur d’eau (verre cellulaire).
  • Possibilité d’utiliser des matériaux isolants à la conductivité thermique  très faible (ex : PUR)
  • Entretien facile.
  • Charge pondérale réduite (pas besoin de lester).
  • Remontées verticales d’isolant possibles autour des obstacles.
  • Si le support de toiture est massif, l’inertie thermique est préservée.
  • Protection et préservation de l’isolant par la membrane de l’étanchéité.
  • Protection du bâtiment (contraintes thermiques, dilatation, gel,…)

Inconvénients

  • Encombrement important pour des niveaux d’isolation élevés.
  • Séchage impossible de l’isolant en cas d’infiltration.

Quand réaliser une toiture inversée ?

Lorsque l’on pose l’isolant au-dessus d’une toiture existante, on réalise une toiture inversée.

Schéma toiture inversée.

Le principal avantage de la toiture inversée est la protection thermique de la membrane d’étanchéité et l’absence de dégradation importante de l’isolant en cas de fuite.

Alors que la toiture chaude est réalisable dans tous les cas, la toiture inversée n’est possible que :

  • Lorsque les rives du toit sont suffisamment hautes pour déborder d’au moins 5 cm la face supérieure de l’isolant.

  • Lorsque la forme de la toiture n’est pas trop compliquée (impossibilité de réaliser des remontées de l’isolant d’une toiture inversée).

  • Lorsque le support a une masse d’au moins 300 kg/m² (+/- 13 cm de béton armé) afin de parer au risque de condensation du fait de l’eau de pluie froide.
    L’eau qui s’infiltre sous l’isolant entraîne des déperditions calorifiques. Le déphasage entre le début des précipitations et la chute maximale de la température en sous-face du plafond augmente en fonction de l’inertie thermique qu’offre le support. Si celle-ci est importante, la suspension de la fonction isolante ne se fait sentir que très progressivement et retarde l’apparition de la condensation de surface. Dans le cas contraire, le risque augmente.
    Les toitures inversées de type léger (tôles profilées par exemple) sont sujettes après quelques minutes à des phénomènes de condensation en sous-face lorsque des précipitations coïncident avec des humidités relatives élevées à l’intérieur du local.

Avantages

  • Pas de risque de condensation interstitielle (l’isolant doit être posé en une seule couche)
  • Protection de la membrane d’étanchéité des variations thermique et des rayons UV. (NB : les membranes d’étanchéité actuelles résistent parfaitement à ces contraintes)
  • L’isolant (étanche à l’eau) ne risque pas d’être gorgé d’eau en cas de fuite à travers la membrane d’étanchéité.
  • Si le support de toiture est massif, l’inertie thermique est préservée.
  • Protection du bâtiment (contraintes thermiques, dilatation, gel,…).

Inconvénients

  • Performances thermiques de l’isolant réduites (mouillé). Nécissité donc d’augmenter l’épaisseur d’environ 20% pour compenser.
  • Encombrement encore plus  important que la toiture chaude pour des niveaux d’isolation élevés. Dans ce cas on préconisera plutôt la toiture mixte : superposition  toiture chaude + toiture inversée.
  • Les remontées verticales autour des obstacles ne sont pas possibles. À ces endroits la technique de la toiture chaude doit être appliquée.
  • Poids important dû au lestage que doit supporter la construction.
  • Entretien difficile à cause du lestage. Pente maximale de 5°.

Quand réaliser une toiture combinée ?

Lorsqu’une isolation est rapportée au-dessus d’une première couche isolante, on parle de toiture combinée .

Schéma toiture combinée.

On adoptera cette technique lorsqu’une valeur d’isolation élevée est exigée et que l’épaisseur de l’isolant à mettre en place est importante.

La couche inférieure d’isolant sert également sur certains supports à faciliter la pose de l’étanchéité.

Avantages

  • Protection de la membrane d’étanchéité contre les chocs thermiques et le rayonnement ultraviolet, et de ce fait, ralentissement de son vieillissement.
  • Diminution des risques de condensation sous la membrane d’étanchéité en cas de précipitation lors de conditions climatiques intérieures sévères.
  • Protection du bâtiment des variations de température, et par conséquent, des dilatations et contraintes thermiques, du gel et des condensations.

Inconvénients

  • Ce système n’est conseillé que lorsque des couches d’isolation très épaisses sont nécessaires.
  • Entretien plus difficile que pour une toiture chaude non lestée.

Quand isoler par l’intérieur ou isoler le faux plafond ?

Toiture froide.

Isolation sous le support.

Faux plafond isolant.

A éviter !

La pose d’un pare-vapeur continu est difficile, si bien que la vapeur d’eau de l’ambiance risque de former de la condensation dans la toiture. De plus, le support est soumis aux chocs thermiques.

Enfin, il sera très difficile d’éviter les ponts thermiques au droit des murs de support de la toiture.

Schéma ponts thermiques.

Avantages

Aucun.

Inconvénients

  • Condensation : l’isolation d’une toiture plate par ce système provoque presque inévitablement de la condensation interne. Cette condensation peut entraîner l’altération de l’isolant et la suppression de son efficacité, la pourriture des planchers, le gel des matériaux, le décollement ou le ramollissement des matériaux agglomérés, le développement de moisissures, etc.
  • Chocs thermiques : un toit plat sans isolation thermique est déjà fortement sollicité par les variations de la température en sa partie supérieure. Les tensions thermiques sont cependant tempérées par la chaleur provenant de l’intérieur du bâtiment. À cause de la position de l’isolant du côté intérieur, les variations thermiques sont augmentées, et le support ou le béton de pente subissent donc des chocs thermiques importants et peuvent se fissurer. Il peuvent également entraîner des désordres dans les parois latérales contiguës et dans la membrane d’étanchéité.
  • Ponts thermiques : la pose de l’isolant sous la toiture sans interruption est difficile à cause des murs porteurs intérieurs. Les interruptions provoquent des ponts thermiques qui entraînent l’apparition de condensation de surface locale.

Quand réaliser une toiture légère isolée à l’intérieur de la structure ?

Schéma toiture légère isolée à l'intérieur.

Cette technique est délicate et nécessite une bonne maîtrise des phénomènes de condensation par un choix adéquat du freine vapeur et du matériau isolant. Cette technique ne convient pas pour des climats intérieurs très humides (Classe IV). La toiture ne peut pas être lestée ou à l’ombre pour permettre un séchage de l’isolant en été.

Avantages

  • Encombrement réduit. L’espace occupé par la structure est utilisé pour placer l’isolant. Cela permet donc d’augmenter l’épaisseur de la couche isolante.
  • Utilisation possible de matériaux hygroscopiques organiques comme de la cellulose

Inconvénients

  • Gestion délicate de la condensation interstitielle.
  • Faible inertie thermique de la toiture

Que faire si un faux plafond est nécessaire ?

Si le faux plafond est ajouré et n’est pas isolé, il ne contribue en rien à l’isolation thermique du complexe de toiture. Il ne provoquera aucun problème de condensation.

Schéma condensation.

Si le faux plafond est muni d’un matelas isolant, il risque d’y avoir de la condensation sur la face inférieure du support de la toiture dans certaines conditions d’utilisation des locaux sous-jacents. L’isolation du faux plafond doit idéalement être évitée.

Schéma, isolation du faux plafond doit idéalement être évitée.

Toutefois, si pour des raisons d’efficacité acoustique le matelas isolant ne peut être évité, on s’arrangera pour que son épaisseur soit la plus faible possible, et on rapportera sur la toiture une épaisseur d’isolation supplémentaire pour déplacer le point de rosée au-dessus du pare-vapeur.

La somme des résistances thermiques des couches situées sous le pare-vapeur ne peut excéder 30 % de la résistance thermique globale, sinon le point de rosée risque de se trouver sous le pare-vapeur avec comme conséquence, de la condensation interne.

Connaître les paramètres principaux [ventilation]


Débits

Annexe C3 de la PEB

En région wallonne, depuis le 1er mai 2010, tous les bâtiments neufs et assimilés doivent répondre à des exigences particulières. Les bâtiments non résidentiels (hors habitation et appartement) doivent respecter l’Annexe C3 de la PEB (elle-même basée sur la norme européenne EN 13 779:Ventilation dans les bâtiments non résidentiels – Spécifications des performances pour les systèmes de ventilation et de climatisation.  Celle-ci impose une qualité d’air au moins égale à la catégorie INT 3 (débit minimum de 22 m³ par heure et par personne).

De plus, elle impose un taux d’occupation minimum (m² par personne) à prendre en compte pour le dimensionnement en fonction de l’usage de la pièce.

Pour déterminer le débit d’air neuf minimal à assurer dans chaque local, il faut donc multiplier le taux d’occupation (de conception ou minimum imposé) par le débit de ventilation (INT 3 minimum).

Finalement, il faut respecter un débit de conception minimal pour les sanitaires : 25m³/h par wc ou urinoir ou 15m²/h par m² de surface si le nombre de wc n’est pas connu lors du dimensionnement. un débit de 5m³/h par m² est à définir pour les douches et salles de bain avec un minimum de 50m³/h

L’Arrêté royal fixant les exigences de base générales auxquelles les lieux de travail doivent répondre (anciennement RGPT)

La dernière version de cet Arrêté royal ne prescrit plus un renouvellement d’air minimum par travailleur mais stipule que la concentration de CO2 doit resté inférieur à 900 ppm dans des locaux de travail normaux. Ainsi, l’exigence est placée sur le résultat attendu et plus le moyens. Pour atteindre ce résultat, si on considère qu’une personne expire 20 litres de CO2 par heure cela induit une renouvellement d’air de 25 m³/h par personne pour un air extérieur à 400 ppm de base. Les débits « exigés » sont donc assez bien augmentés ! Mais attention à tenir compte du taux d’absence, pour une salle de réunion par exemple.

litre de CO2 émis par personne

Source : SPF Emploi, Directive pratique « Qualité de l’air intérieur dans les locaux de travail », version du 2 mai 2019 ((https://emploi.belgique.be/sites/default/files/content/documents/Bien-être%20au%20travail/Fichiers%20thémes/Directive%20pratique%20Qualité%20de%20l’air%20intérieur%20dans%20les%20locaux%20de%20travail%20%281%29.pdf))

Équilibre amenée d’air neuf – évacuation d’air vicié

Le débit total pour l’alimentation correspond à la somme des débits d’alimentation de conception du bâtiment et, de même, le débit total pour l’évacuation correspond à la somme des débits d’évacuation du bâtiment.

Dans les bâtiments tertiaires (immeubles de bureaux, écoles, …), on retrouve souvent une grande quantité de locaux dits « à pollution non spécifique » (bureaux), par rapport au nombre de sanitaires. Dans ce cas, le débit d’air neuf à introduire dans le bâtiment est nettement plus important que les débits à extraire recommandés dans les sanitaires.

Ni la norme NBN D50-001 (relative aux logements), ni la réglementation wallonne n’imposent d’équilibrer les débits d’extraction et d’amenée d’air. C’est cependant le moyen de garantir que les débits d’air neuf prévus soient effectivement introduits dans le bâtiment : l’air ne rentrera pas s’il ne peut sortir !

La norme et la réglementation doivent donc être considérées comme une ligne de conduite reprenant les exigences minimales à respecter. Les débits de conception doivent être au minimum identiques au débits exigés mais peuvent être augmenter pour équilibrer le système.

On peut par exemple fixer des débits d’extraction supplémentaires, pour correspondre au débits d’alimentation, dans des espaces sans débits minimum recommandés comme les cagibis, dressing, locaux techniques, réserves et stockage, etc.).

Dans la mesure du possible, il faut donc essayer d’équilibrer les débits d’amenée et d’évacuation d’air, tout en laissant un léger surplus d’amenée d’air par rapport à l’extraction pour maintenir le bâtiment en surpression et éliminer les entrées d’air parasites. Pour donner un ordre de grandeur, on peut imaginer le critère suivant, fixant un rapport entre le débit de pulsion et d’extraction à atteindre :

(débit de pulsion – débit d’extraction) < (n x volume du bâtiment)

où n est le taux d’infiltration d’un bâtiment. On peut alors imaginer que l’excès de pulsion d’air pourra s’échapper du bâtiment par les inétanchéités.

Il faut cependant éviter de trop surdimensionner les extractions sanitaires sous peine de risque de courants d’air et d’inconfort dans ces derniers. On peut, dès lors :

  • Disposer des évacuations d’air complémentaires dans les circulations ou des locaux annexes comme des réserves, …

Extraction dans les sanitaires et les couloirs.

  • Équiper les locaux demandant des débits d’air neuf plus importants (salles de séminaire, salles de réunion) de leur propre extraction.

Extraction dans les sanitaires et les salles de réunion.

Ces deux pistes ont également comme avantage de permettre un meilleur contrôle de la distribution de l’air dans le bâtiment et de s’assurer que le cheminement de l’air ne soit pas aléatoire.

En dernier recours, un déséquilibre peut être assumé. Pour autant qu’il n’excède pas trop la capacité d’évacuation d’air par les inétanchéité, il n’aura pas d’impact majeur sur la capacité du réseau de pulsion à assurer le débit minimum attendu. La distribution d’air dans le bâtiment sera par contre difficile à prévoir, puisqu’elle dépendra de la distribution des inétanchéités de l’enveloppe. Des phénomènes de courant d’air peuvent aussi survenir lors d’ouvertures de portes ou fenêtres.

Études de cas

Un tel système de ventilation sans équilibrage a été mis en œuvre dans le bâtiment PROBE du CSTC à Limelette.

Perte de charge de base

La méthode principale de dimensionnement des réseaux de ventilation mécanique consiste à fixer une perte de charge linéaire constante (par exemple : 1 Pa/m) dans le tronçon le plus défavorisé.

À partir de cette valeur, en tenant compte du débit véhiculé par chaque branche du réseau et de la pression nécessaire au niveau des bouches, on pourra calculer pour chaque tronçon :

  • la section du conduit,
  • la vitesse de l’air,
  • la perte de charge.

Les pertes de charge de tout le réseau (conduits rectilignes, coudes, tés, …) sont alors additionnées aux pertes de charge des accessoires (batteries, filtres, prise d’air, ….) pour dimensionner le ventilateur.

Remarquons que, pour simplifier le calcul des réseaux complexes, on peut aussi se fixer une perte de charge dans tout le réseau et en déduire directement les diamètres des conduits. Le réseau ainsi constitué ne sera pas directement équilibré et devra être équipé d’organes de réglage.

Améliorer

Pour en savoir plus sur l’équilibrage des réseaux de distribution : cliquez ici !

Comme on le voit, c’est le choix de la vitesse ou de la perte de charge de départ qui conditionne le diamètre des conduits, donc, les pertes de charge totales, la consommation du ventilateur et l’investissement final.

Un compromis doit être trouvé entre consommation et investissement.
Exemple : le réseau suivant doit véhiculer un débit total de 12 600 m³/h.

Concevoir

Pour visualiser le dimensionnement complet de ce réseau suivant les méthodes de la perte de charge et de la vitesse constante, cliquez ici !

Voici les résultats du dimensionnement du réseau suivant la méthode de la perte de charge linéaire constante et suivant la méthode de la vitesse d’air constante :

Méthode de la perte de charge linéaire constante dans le tronçon le plus défavorisé (de A à a)

Perte de charge linéaire de base choisie [Pa/m]

0,5 1 1,5
Vitesse d’air max [m/s]. 6,7 8,85 10,4
Vitesse d’air min [m/s]. 4,49 5,93 6,97
Hauteur manométrique du ventilateur [Pa]. 176 208 240
Consommation (pour un fonctionnement de 3 000 h/an) [kWh/an]. 2 835 3 352 3 869
Facture énergétique  (à 0,16 €/kWh) [€/an]. 453,6 536,3 619
Surface de conduits [m²]. 114 101 94
Investissement (à 27,5 €/m²) [€]. 3 122,6 2 773 2 589,9
Coût sur 10 ans [€]. 7 658,6 8 136 8 779,9
Coût relatif entre les solutions. 100 % 106 % 115 %

Par cet exemple, on constate que la valeur de 1 Pa/m choisie comme base de dimensionnement, peut être considérée comme une valeur maximum que l’on peut préciser dans le cahier des charges, les 6 % de différence avec la solution basée sur 0,5 Pa/m étant tempérée par le coût de l’argent sur 10 ans, qui n’est pas pris en compte ici.

Ordres de grandeur et recommandations

Un moyen de vérifier la qualité énergétique du dimensionnement est de comparer les vitesses d’air ou les pertes de charge obtenues dans les différents tronçons aux valeurs suivantes :

  • Vitesses maximums couramment admises pour limiter la production de bruit dans les conduits :
Vitesses maximales admissibles au niveau du bruit dans un réseau de distribution d’air [m/s]
Types de local Conduit principal* Dérivation Grille, bouche Entrée d’air
Chambre. 7 2-4 0,5-2 1
Bureau. 7 2-4 1-2 1

* dépend de la distance des locaux occupés par rapport à la gaine principale.

  • Vitesse maximum de l’air dans les conduits de ventilation imposée, dans certains cantons suisses, pour des raisons d’économie d’énergie. Notons que ces vitesses correspondent à une perte de charge de base inférieure à 1 Pa/m :
Vitesse maximum de l’air autorisée dans le canton de Zurich
Débit maximum Vitesse maximum de l’air
< 1 000 [m³/h] 3 [m/s]
< 2 000 [m³/h] 4 [m/s]
< 4 000 [m³/h] 5 [m/s]
< 10 000 [m³/h] 6 [m/s]
> 10 000 [m³/h] 7 [m/s]
  • Pertes de charge maximum recommandées par SIA (Société suisse des ingénieurs et architectes) pour l’ensemble d’un réseau de ventilation, ce qui comprend la pulsion, l’extraction et l’éventuelle récupération de chaleur :
Recommandations SIA V382/3 : pertes de charge totales du système
Pour toutes les installations. 1 200 [Pa]
Pour les installations énergétiquement très performantes. 900 [Pa]
À titre de comparaison, en moyenne dans les anciennes installations. 1 500 à 2 000 [Pa]

Paramètres de confort

Dans un nouveau projet, il est également important d’émettre des exigences en terme d’acoustique, de vitesse et de température d’air à respecter dans les zones de travail pour éviter que l’occupant ne condamne la ventilation pour des raisons d’inconfort. Ces exigences ont notamment une influence importante sur le choix des bouches de pulsion.

Bruit

Pour se prémunir des désagréments acoustiques liés aux installations de ventilation mécanique, il faut préciser dans le cahier des charges de la nouvelle installation, les exigences acoustiques que l’on désire obtenir dans les locaux, sachant que plus elles sont élevées, plus le silencieux sera important et donc les pertes de charge également.

Les exigences acoustiques peuvent être symbolisées par le niveau NR (Noise Rating) :

Exigences acoustiques
NR 20 – 30 Condition de séjour, de repos, de sommeil dans les chambres, …
NR 30 – 35 Bonnes conditions d’écoute dans les bureaux de direction, consultation, …
NR 35 – 40 Conditions d’écoute normales dans les grands bureaux, restaurants calmes, …
NR 40 – 45 Conditions d’écoute modérées dans les laboratoires, restaurants, …

On peut également imposer, dans les locaux, le niveau de pression acoustique maximum généré et/ou transmis par le système de ventilation. Voici les critères de conception proposés par la NBN EN 13779 (2007): Ventilation dans les bâtiments non résidentiels – Exigences de performances pour les systèmes de ventilation et de conditionnement d’air : suivant le type de bâtiment ou de local :

    Type de bâtiment Type de local  

Niveau de pression acoustique en dB(A)

Plage type
Valeur par défaut
Résidentiel salle de séjour 25-40 32
chambre 20-35 26
Établissements dédiés aux enfants
écoles maternelles, crèches 30-45 40
Lieux publics auditoriums 30-35 33
bibliothèques 28-35 30
cinémas 30-35 33
tribunaux 30-40 35
musées 28-35 30
Lieux commerciaux magasins de détail 35-50 40
grands magasins 40-50 45
supermarchés 40-50 45
grandes salles d’ordinateurs 40-60 50
petites salles d’ordinateurs 40-50 45
Hôpitaux couloirs 35-45 40
salles d’opération 30-48 40
salles de consultation 25-35 30
chambre de nuit 20-35 30
chambre de jour 25-40 30
Hôtels accueil 35-45 40
salles de réception 35-45 40
chambres (pendant la nuit) 25-35 30
chambres (pendant le jour) 30-40 35
Bureaux petits bureaux 30-40 35
salles de conférence 30-40 35
bureaux paysagés 35-45 40
bureaux compartimentés (cabines) 35-45 40
Restauration cafétéria 35-50 40
restaurants 35-50 45
cuisines 40-60 55
Écoles salles de classe 30-40 35
couloirs 35-50 40
gymnases 35-45 40
salle des professeurs 30-40 35
Sport stades couverts 35-50 45
piscines 40-50 45
Général toilettes 40-50 45
vestiaires 40-50 45

Vitesse et température d’air

Pour éviter les sensations de « courant d’air » ou de « masse d’air » dans la zone d’occupation, la diffusion de l’air doit respecter les performances suivantes (issues de la norme DIN 1946 et de la pratique) :

Grandeurs à respecter

Où ?

Combien ?

Vitesse de l’air. Zone d’occupation
(à 1,8 m de haut).
max : 0,2 m/s.
Le long des murs
(à 1,8 m de haut).
max : 0,4 m/s.
Écart de température dans l’ambiance. Zone d’occupation. max : + 1,5°C (chauffage).
Zone d’occupation. max : – 1°C (en refroidissement).

Hydraulique

Hydraulique


A quoi sert un circulateur ? Notion de perte de charge

Pour que de l’eau avance dans une conduite, il faut qu’elle soit soumise à une différence de pression.

On peut dire que la pression plus forte au point A « pousse » l’eau vers la pression plus faible au point B.

Le déplacement de l’eau va s’accompagner de frottements qui engendre une perte de pression. On peut dire que la chute de pression entre les points A et B correspond aux frottements du fluide sur les parois de la canalisation. Elle est appelée la « perte de charge » du point A au point B.

Dans un circuit fermé, l’eau circule de A vers B parce que la pression au refoulement de la pompe est supérieure à la pression à l’aspiration.

PA – PB = perte de charge du réseau entre A et B = hauteur manométrique du circulateur.

Le gain de pression ainsi fourni par le circulateur est appelé sa « hauteur manométrique« . Cette hauteur manométrique du circulateur ne peut que correspondre à la perte de charge entre A et B.


Répartition du débit entre plusieurs circuits – Notion d’équilibrage

Le débit fourni par le circulateur doit se répartir entre 3 circuits identiques (dont les débits nécessaires sont les mêmes). On imagine également pour le calcul que la perte de charge dans chaque tronçon (AC, CD, DE, FG, GH et HB) est de 1 mCE (ou 0,1 bar) (dans un dimensionnement de réseau, on choisit une perte de charge constante par m de tuyau).

Si au point A, la pression est de 2,6 bar, elle sera de 1,9 bar au point B, pour que l’eau se mette en mouvement avec le débit voulu.

Si l’eau circule de A à F, c’est qu’il règne une différence de pression entre ces 2 points de 0,4 bar. Si l’eau circule de D à G, c’est grâce à une différence de pression de 0,3 bar.

Voici une première incohérence : dans le radiateur 1, la perte de charge est de 0,1 bar, ce qui lui donne son débit correct, mais elle est de 0,3 bar dans le radiateur 2. Il y a donc plus de débit dans le radiateur 2 que dans le radiateur 1, alors que les 2 radiateurs sont identiques. Le circuit est déséquilibré et il y aura surchauffe dans le local 2 ou manque de chaleur dans le local 1.

Il faut donc ramener la chute de pression dans le radiateur 2 à 0,1 bar pour que celui-ci délivre la même puissance que le radiateur 1. Cela s’effectue au moyen d’un robinet d’équilibrage sur lequel on créera une perte de charge de 0,2 bars.

Une situation semblable se pose pour le radiateur 3 pour lequel le robinet d’équilibrage devra créer une perte de charge de 0,4 bar.

Ce réseau est ainsi correctementéquilibré et un débit identique passe dans chaque radiateur.


Courbe caractéristique du réseau de distribution

La résistance du réseau de distribution dépend d’une part de sa configuration (longueur et forme des conduits, changements de direction, obstacles comme les vannes, les corps de chauffe, les filtres, …) et d’autre part de la vitesse de l’eau qui y circule. En effet, la résistance, ou autrement dit les pertes de charge, représente le frottement de l’eau dans les conduits. Ce dernier augmente avec la vitesse de l’eau.

Pour chaque type de circuit, on peut ainsi tracer une courbe qui représente la perte de charge en fonction du débit d’air, image de la vitesse.


Point de fonctionnement

Si l’on branche un circulateur sur un circuit de distribution, il stabilisera son débit à une valeur pour laquelle la pression qu’il fournit équivaut à la résistance du circuit. Ce point est le seul point de fonctionnement possible. Il correspond à l’intersection de la courbe caractéristique du circulateur et du circuit. Il définit la hauteur manométrique et le débit fournis par le circulateur lorsque, fonctionnant à une vitesse donnée, il est raccordé au circuit considéré.


Règles de similitude

Variation des grandeurs caractéristiques d’un circulateur lorsqu’on modifie sa vitesse à partir d’un point de fonctionnement donné

q/ q= n1 / n2

Légende :

q = débit volume [m³/h]

n = vitesse de rotation [tr/min]

p = gain de pression [mCE ou bar]

P= puissance sur l’arbre [kW]

p/ p= (n1 / n2)² = (q1 / q2
Pw1 / Pw2 = (n/ n2)³ = (q/ q2

Choisir le système de dégivrage de la machine frigorifique d’une chambre froide

Précautions à prendre au niveau du choix de l’enceinte et du groupe d’une chambre froide

Au niveau de la configuration de l’enceinte et pour éviter au mieux la formation de givre sur l’évaporateur, il est préférable que celui-ci soit situé loin de l’entrée par laquelle est amené l’air chaud et humide.

Exemple.

La chambre froide est installée chez un grossiste en fruits et légumes. L’évaporateur de la chambre froide se situe comme sur le dessin ci-après :

La porte est ouverte toute la journée pour permettre aux clients (des petites supérettes) de venir faire leurs achats, des bandes en plastique sont installées pour limiter les pertes frigorifiques.

La température d’évaporation étant de -8° un dégivrage est nécessaire. La proximité de la porte favorise les entrées d’air à température moyenne de 20°. Cet air chaud est aspiré par l’évaporateur et du givre apparaît très vite sur la batterie.

Un dégivrage est nécessaire toutes les deux heures alors que dans d’autres conditions seuls 3 à 4 dégivrages par 24 heures seraient suffisants.

Pour éviter des consommations importantes d’électricité et une régulation qui apporterait toujours des soucis, il a été prévu d’arrêter la production frigorifique toutes les deux heures tout en laissant tourner les ventilateurs de l’évaporateur. On dégivre 10 minutes uniquement grâce à la température ambiante de l’air.

En ce qui concerne l’installation, pour faciliter et optimiser les opérations de dégivrage, on choisit, de préférence, une installation avec :

  • Une vanne magnétique sur le circuit frigorifique (juste avant l’évaporateur).
    Cette vanne va permettre d’arrêter le cycle du fluide frigorigène lors d’un dégivrage : lors d’un dégivrage, l’alimentation électrique de la vanne magnétique est coupée. La vanne se ferme. La Basse Pression au compresseur descend et le compresseur s’arrête dès que le niveau réglé sur le pressostat Basse Pression est atteint.
    Quand il n’y a pas de vanne magnétique, le compresseur est directement arrêté électriquement (contacteur). Mais dans ce cas, une migration de réfrigérant peut se produire et encore continuer à s’évaporer, ce qui peut poser problème.
  • Des manchons souples placés à la sortie du ventilateur de l’évaporateur si la technique de dégivrage produit de la chaleur sur l’évaporateur. Lors d’un dégivrage, lorsque la ventilation est à l’arrêt, ce manchon retombe et se rabat sur la surface de pulsion du ventilateur. Une barrière physique est ainsi créée autour de la chaleur produite dans l’évaporateur pour dégivrer l’évaporateur.
    Ces manchons souples en fibre polyester sont encore appelés « shut up ».


Précautions à prendre au niveau de l’utilisation de l’enceinte d’une chambre froide

Une organisation rationnelle des interventions dans les chambres froides peut être source d’économies d’énergie substantielles. On peut regrouper les interventions et laisser les portes ouvertes pendant un temps le plus court possible.

Il y aura ainsi moins d’air humide qui entrera à l’intérieur de l’enceinte. Au niveau économies d’énergie, on gagne ainsi sur trois plans :

  • au niveau de l’énergie nécessaire pour dégivrer,
  • au niveau de l’énergie nécessaire au refroidissement et au séchage de l’air humide qui entre dans l’enceinte,
  • au niveau de l’énergie nécessaire pour éliminer les quantités de chaleur accumulées dans les évaporateurs au moment des dégivrages, dont le nombre et la durée peuvent diminuer.
Exemple.

Soit une chambre froide négative de dimensions intérieures :
L = 4 m, l = 4 m, h = 3 m.

L’air à l’extérieur de la chambre a les caractéristiques suivantes :
t° = 28°C, HR = 80 %.

L’air intérieur a les caractéristiques suivantes :
t° = -18°C, HR = 50 %.

La chambre est « sollicitée » pendant 12 h/jours.

Il y a 10 interventions par heure, pendant chacune d’elle la porte est laissée ouverte pendant 30 secondes.
Avec cette utilisation, l’énergie électrique nécessaire pour le dégivrage est de 15,6 kWh/jour.

Avec une meilleure organisation, le personnel n’ouvre plus la porte que 5 fois par heure et ne la laisse plus ouverte que 6 secondes par intervention.
L’énergie électrique nécessaire pour le dégivrage n’est plus que de 3,9 kWh/jour soit une économie de 11,7 kWh/jour.
Avec un prix moyen de 0,11 € du kWh, cela représente une économie de 11,7 [kWh] x 0,11 [€] 260 [jours], soit 350 € par an pour une seule chambre froide.

Il faut ajouter à cette économie, l’énergie gagnée sur le refroidissement et le séchage de l’air entrant dans la chambre froide, ainsi que sur le givrage de la vapeur qu’il contient.
En effet, dans le premier cas, le renouvellement d’air de la chambre est de 61 volumes par 24 h; l’énergie frigorifique nécessaire pour traiter cet air est de 109,6 kWh pour le refroidissement et le séchage, dont 46,9 kWh pour le givrage.
Dans le second cas, le renouvellement n’est plus que de 6,2 volumes par 24 h et l’énergie nécessaire n’est plus que de 11 kWh (refroidissement et séchage), dont 4,7 kWh pour le givrage.

Avec un COP global moyen de 2,5 et un coût moyen de 0,115 € du kWh électrique, cela représente une économie supplémentaire de :

((109,6-11) [kWh] / 2,5) x 0,11 [€] x 260 [jours], soit 1179 € par an.

Dans cet exemple, on n’a pas diminué le nombre de dégivrages dans le cas où il y a moins de vapeur qui entre dans la chambre. Cela représente, en fait, une économie supplémentaire, car il faut moins d’énergie pour refroidir les masses métalliques des évaporateurs, chauffées lors des dégivrages.

Remarque : vu la remarque ci-dessous, cet exemple sert plus à montrer qu’il y a de grosses possibilités d’économies par une utilisation rationnelle de la chambre froide qu’à donner des chiffres exacts. En effet, la masse de l’évaporateur ainsi que le nombre de dégivrages ont été encodés de manière arbitraire.

Calculs

Si vous voulez estimer vous même les possibilités d’économiser de l’énergie grâce à une utilisation rationnelle de votre chambre froide, cliquez ici !

Mais ATTENTION : ce tableau doit être utilisé avec beaucoup de précautions !

En effet, les résultats dépendent de paramètres introduits par l’utilisateur. Or ces paramètres ne sont pas toujours connus et dépendent eux-mêmes du résultat des calculs.

Par exemple :

  • La masse des évaporateurs est une donnée arbitrairement introduite par l’utilisateur. Or elle dépend d’une série de paramètres qui ne sont pas dans le tableau (et notamment la puissance frigorifique totale). Il est donc a priori très difficile de choisir une valeur correcte pour la masse des évaporateurs.
  • Le nombre de dégivrages est aussi une donnée arbitrairement introduite par l’utilisateur.
    Or, il dépend de la masse de givre piégée sur les ailettes des évaporateurs, de l’écartement de ces ailettes, de la surface d’échange des évaporateurs (c’est-à-dire de leurs dimensions) qui conditionne l’épaisseur moyenne de givre déposé sur les ailettes.

Il faut aussi se rappeler que le rendement d’un évaporateur baisse au fur et à mesure que du givre vient se placer dans les interstices entre les ailettes.
Cela veut dire que si on diminue artificiellement le nombre de dégivrages, on diminue évidemment l’énergie nécessaire pour les dégivrages parce qu’il faut moins souvent chauffer les masses métalliques, mais on diminue aussi le rendement des évaporateurs (et donc de la machine entière) avec le grand danger d’avoir des évaporateurs bourrés de glace, ce qui provoquera finalement l’arrêt de la machine.

En fait, cela revient à dire que le calcul des machines frigorifiques doit être un calcul intégré où les éléments du bilan frigorifique ne peuvent pas toujours être envisagés séparément, comme c’est le cas ici avec ce tableau…; il s’agit d’un calcul itératif !


Choix de la technique de dégivrage

Le réchauffage de la batterie pour assurer la fusion du givre peut se faire de diverses façons :

  • par résistance chauffante,
  • par introduction de vapeurs refoulées par le compresseur,
  • par aspersion d’eau sur la surface externe, givrée, de la batterie,
  • par circulation d’air.

Les deux premières méthodes citées ci-dessus sont les plus courantes :

Par résistance chauffante

Des résistances chauffantes sont imbriquées dans les tubes en cuivre qui composent la batterie de l’évaporateur. Leur position et leur puissance sont étudiées par le fabricant de manière à répartir uniformément la chaleur produite à l’ensemble de la batterie.

Avantages, inconvénients et choix

C’est une méthode simple, très répandue pour les unités de puissance moyenne.
Elle n’est pas dénuée de divers inconvénients : la consommation se fait en électricité directe, et donc à un prix élevé en journée, surtout si la période de dégivrage a lieu durant la pointe quart-horaire du mois.

Précautions

Dans les équipements frigorifiques des grandes cuisines, la place disponible fait souvent défaut et la tendance des architectes est de sélectionner du matériel très compact. D’autre part, les budgets sont de plus en plus étroits, ce qui ne facilite pas la sélection de matériel de qualité.

Cependant pour assurer un bon fonctionnement du dégivrage à long terme, certaines précautions sont à prendre :

  • Les résistances n’ont pas une durée de vie éternelle. Elles doivent être remplacées en cas de défaillance. Lors de l’installation de l’évaporateur, il ne faudra donc pas oublier de tenir compte de leur longueur (généralement la longueur de l’évaporateur) et laisser l’espace nécessaire pour permettre de les extraire de leur  » doigt de gant « .
  • Toutes les résistances sont fixées à l’aide de fixation ad hoc dans la batterie. Il importe de fixer également les nouvelles qui seraient introduites après un remplacement.En effet, si les résistances ne sont pas bien fixées, les dilatations produites lors du chauffage et du refroidissement peuvent faire bouger les résistances et les faire sortir de leur position avec comme conséquence de ne plus chauffer uniformément la batterie.

Par introduction de vapeurs refoulées par le compresseur

Cette technique, encore appelée dégivrage par « vapeurs chaudes » ou par « gaz chauds », consiste à inverser le cycle et à faire fonctionner l’évaporateur, le temps du dégivrage, en condenseur.

Avantages, inconvénients et choix

L’inversion de cycle est très économique, notamment car les vapeurs chaudes sont directement introduites dans les tubes avec des températures très élevées. Les temps de dégivrage sont donc très courts : parfois quelques secondes suffisent.

Néanmoins, cette méthode complique le réseau des conduites frigorifiques : des éléments supplémentaires tels que la vanne à 4 voies (qui sert à l’inversion de cycle), vannes magnétiques pour couper les circuits, etc. viennent s’ajouter à l’installation.

Ainsi, elle est surtout utilisée dans les installations industrielles.

Dans les équipements frigorifiques des grandes surfaces, il n’y a que les machines à glaçons (lit de glace en poissonnerie), quand il en existe, qui sont parfois munies d’un système d’inversion de cycle pour démouler les glaçons.

Par aspersion d’eau sur la surface externe, givrée, de la batterie

Avantages, inconvénients et choix

Cette technique est parfois utilisée pour des enceintes froides à des températures voisines de 0°C et pour des enceintes demandant une humidité élevée (chambres de conservation de fruits). La consommation d’eau, fluide de plus en plus coûteux, est un inconvénient.

Par circulation d’air de la chambre

De l’air provenant soit de l’intérieur de la chambre même, soit de l’extérieur, est envoyé sur l’échangeur. Dans le premier cas, le dégivrage est très lent. Dans le second, il faut isoler l’évaporateur de la chambre, ce qui n’est pas pratique.

Avantages, inconvénients et choix

L’inertie des produits stockés doit être suffisante à maintenir l’ambiance dans une fourchette de température acceptable. C’est donc une technique qui n’est pas à utiliser pour des chambres froides qui sont quasi vides juste avant le réapprovisionnement.

La première de ces méthodes a l’avantage de récupérer totalement l’énergie frigorifique stockée dans la glace. De plus, seule une horloge est nécessaire pour interrompre la production frigorifique. Elle ne tombe donc jamais en panne.

En général, cette méthode est utilisée avec une température de chambre supérieure à 0°C et lorsque les enceintes ne sont pas trop sollicitées par des ouvertures de portes. Mais la pratique montre que certains régulateurs « intelligents » utilisent également ce système lorsque la température est fortement négative, grâce au fait qu’en dessous de -5°C la structure de la glace est très différente (beaucoup plus poudreuse et donc moins collante : une sublimation est alors possible).

Remarque : cette technique est celle utilisée par un fabricant qui propose une régulation intelligente des dégivrages.


Choix de la régulation du dégivrage

Le dégivrage est une source de consommation d’énergie :

  • Par l’apport de chaleur nécessaire à la fusion du givre (effet utile).
  • Suite à l’échauffement, suivi du refroidissement, de la masse métallique de la batterie (effet nuisible).
  • Par le réchauffement partiel, suivi de la remise en température de la chambre froide, une partie de la chaleur que nécessite le dégivrage ayant été perdu dans cette enceinte (effet nuisible).

Il existe donc une fréquence optimale de dégivrage pour minimiser l’énergie dépensée par cette opération :

  • Trop fréquents, ils sont effectués alors qu’une faible quantité de givre s’est déposée sur la surface froide, l’effet utile est insuffisant devant les effets nuisibles qui l’accompagnent.
  • Trop peu fréquents, la masse excessive de givre présente sur la batterie diminue l’efficacité énergétique de la machine frigorifique.

Choix du type de régulation

Pour les petites enceintes, une régulation par horloge peut suffire. Mais mal utilisée, cette régulation peut conduire à des aberrations énergétiques : qu’il y ait présence ou non de glace, le dégivrage est enclenché à l’heure programmée, la durée du dégivrage est fixe, quelle que soit la présence effective de glace.

Ainsi, en fonction des conditions d’exploitation des enceintes froides (peu ou beaucoup d’ouvertures de portes), les agents d’exploitation devront modifier la fréquence des dégivrages par le réglage des horloges, et une sonde de fin de dégivrage doit permettre à l’installation de redémarrer plus rapidement que la période fixée.

Cependant ils ne doivent, en aucun cas, intervenir sur la séquence. Certaines d’entre elles, interne des opérations de dégivrage si elles sont mal conduites, peuvent créer des écarts de pression intolérables entre l’intérieur et l’extérieur des chambres froides.

Pour les plus grandes enceintes, il est indispensable, au niveau énergétique, que la séquence des dégivrages réels se rapproche au mieux de la séquence utile. On utilise pour cela une régulation électronique intelligente de dégivrage. De tels systèmes permettent des économies substantielles.

Il en existe au moins deux sur le marché :

  • Le premier système de régulation électronique intelligent permet d’espacer la séquence de dégivrages initialement programmés s’il n’a pas détecté de phase de fusion suffisamment longue durant les 10 dernières opérations de dégivrage programmées.
  • Le second système de régulation électronique intelligent détecte la présence de glace à partir de deux sondes de température (l’une mesure la température ambiante de la chambre, l’autre est placée dans les ailettes de l’évaporateur). L’explication de ce principe ne nous a pas été détaillée.Chez ce fabricant, le critère d’arrêt du dégivrage classique est une température d’évaporateur de 10°C. Cela semble élevé, mais c’est, semble-t-il, une sécurité par rapport à l’absence totale de glace.En plus de cette détection de givre, ce système choisit un dégivrage par circulation d’air de la chambre chaque fois que la température intérieure le permet. Ce qui est très intéressant au niveau énergétique puisque non seulement il ne faut pas produire de la chaleur pour le dégivrage, mais qu’en plus, toute l’énergie latente contenue dans la glace sera restituée à l’ambiance.Un dégivrage classique par résistance chauffante n’aura lieu que lorsqu’il n’est pas possible d’attendre la fusion de la glace par l’air ambiant.

Quel que soit le système de régulation intelligente, la souplesse de ces appareils par rapport aux thermostats mécaniques permet d’affiner les réglages et de proposer des fonctions complémentaires :

  • alarmes,
  • possibilité de faire fonctionner le congélateur avec une consigne abaissée de 5°C la nuit (pour bénéficier du courant de nuit),
  • possibilité de délester durant la pointe 1/4 horaire,

D’après le fabricant du second système ci-dessus, l’investissement (+/- 1 625 €) est amorti en moins d’un an.

Exemple.

Une chaîne de supermarchés belge a adopté ce système pour l’ensemble de ses chambres froides depuis 2 ans. Un des responsables techniques nous a confirmé que l’investissement a largement été amorti sur cette période en regard des économies d’énergie apportées (plus de 20 % de la consommation de la chambre). Une généralisation de ce système à l’ensemble des points de vente est programmée.

De plus, ces systèmes peuvent tout à fait s’adapter sur des installations existantes.

Lors de la pose d’un système de régulation de dégivrage, il est important de l’adapter au mieux à la chambre froide et à son utilisation. Il appartient au frigoriste de bien poser au client les questions pour comprendre son mode de travail et de câbler la régulation la plus appropriée.

Autres précautions…

Pour optimiser le dégivrage, le frigoriste ne doit pas oublier de prévoir deux temporisations dans les étapes de dégivrage :

  • Après l’opération de dégivrage proprement-dite, il faut prévoir une temporisation avant l’ouverture de la vanne magnétique (permettant à la production frigorifique de reprendre). Cette précaution permet d’assurer l’égouttage.
  • Ensuite, il faut prévoir une deuxième temporisation avant la remise en fonctionnement des ventilateurs de l’évaporateur. Cette temporisation permet à la batterie d’atteindre une température moyenne inférieure ou égale à celle de l’enceinte. À défaut, la remise en route prématurée des ventilateurs peut envoyer de la chaleur dans la chambre froide et/ou des gouttelettes d’eau encore présentes.

Il veillera aussi à prévoir un système de sécurité qui arrête le dégivrage dès qu’une température ambiante excessive est atteinte. Cette sécurité doit, par exemple, être accompagnée d’une alarme qui prévient le personnel du problème.

Cette précaution est d’autant plus importante que les produits stockés sont coûteux.

Exemple.

Il est déjà arrivé qu’un contacteur qui commandait les résistances électriques de dégivrage d’une enceinte stockant des crustacés, du caviar, etc. reste bloqué et que du chauffage soit diffusé toute la nuit dans la chambre avant que le personnel ne s’en aperçoive le lendemain matin.


Évacuation des condensats

Il faut prévoir un raccordement de décharge pour l’évacuation des condensats ou des eaux de dégivrage.

Dans les chambres froides négatives, pour éviter le gel, les tuyaux qui évacuent les condensèrent doivent être calorifugés, voir chauffés. L’évacuation par le haut à l’aide d’une pompe de relevage offre l’avantage d’éviter les passages de tuyaux à l’intérieur de l’enceinte (en général, l’évaporateur est suspendu au plafond). De façon générale, il faut chercher à sortir les condensats par le chemin le plus court de la chambre froide vers l’extérieur de manière à éviter tout souci.

L’exploitation devra toujours veiller à la bonne évacuation des eaux de dégivrage, et donc maintenir toujours libre de givre non fondu le bac de collecte de ces eaux. Elle doit également veiller au bon état de la conduite d’évacuation et de son système de chauffage (pour les chambres à températures négatives).

L’écoulement des condensats est primordial pour assurer de parfait dégivrage. Un bac de condensats qui ne se vide pas va provoquer très rapidement la prise en glace de la batterie par simple conduction entre l’eau et les ailettes.

Mesurer la tension électrique

Mesurer la tension électrique


Le voltmètre

Un voltmètre mesure la tension existante aux bornes d’un appareil. On branche donc le voltmètre en le plaçant en parallèle (ou en dérivation) à l’appareil.

Dans un réseau monophasé, on mesure entre la phase et le neutre une tension d’environ 220 à 240 Volts.

Dans le réseau triphasé, elle est également de 220 V entre une phase et le neutre (ou la mise à la terre), mais entre deux phases elle est de 380 à 415 Volts.


Le contrôleur de tension

Un testeur (parfois monté sur un tournevis) permet bien de contrôler la présence d’une tension, mais non sa valeur. Le principe consiste à faire passer un faible courant au travers d’une lampe. Mais cette lampe ne s’allume qu’à partir de 80 à 100 V.

Schéma principe contrôleur de tension.

Partout où l’on peut s’attendre à une tension de retour (par exemple dans les câblages de commande d’une armoire électrique), il faut employer le voltmètre.


Appareil intégré à l’installation électrique

Bien sûr il est possible d’intégrer un voltmètre traditionnel à une installation fixe mais l’idée est plutôt ici d’utiliser des appareils délivrant un signal analogique standard de type 4 – 20 mA ou 0 – 10 V, proportionnel à la tension mesurée. Ces appareils peuvent alors être raccordés à la régulation d’une installation, et permettre un suivi en continu.

    

Le convertisseur (ou transducteur)

Pour la mesure sur des réseaux de forte puissance, il est associé à un transformateur de tension.

L’ analyseur de réseau

La mesure de la tension n’est alors qu’une des grandeurs électriques fournies par cet appareil. Il intègre un microprocesseur permettant l’affichage de valeurs moyennes ou la mémorisation des valeurs de pointe.

Il fonctionne de manière autonome mais peut être raccordé à une régulation locale.

Eté 2008 : Brieuc.
22-08-2008 : 1er passage de mise en page [liens internes, tdm, en bref !, rapide passage général sur la mise en page de la feuille] – Sylvie
24-09-2008 : WinMerge ok – Sylvie

Réparer la protection de l’étanchéité

Réparer la protection de l'étanchéité


Comment réparer les protections légères ?

Les protections légères sont fixées directement sur la membrane d’étanchéité, ce sont :

  • soit une couche de paillettes d’ardoise,
  • soit une couche de peinture,
  • soit une feuille métallique.

Elles peuvent avoir été usées ou altérées.

Évaluer

Pour évaluer l’état de la protection légère.

Il est essentiel que cette protection reste en bon état pour éviter une dégradation de la membrane elle-même.

Le tableau ci-dessous indique en fonction du type de protection, les réparations possibles.

Type de protection

Réparations possibles

Paillettes d’ardoise Petites surfaces abîmées : collage de nouvelles paillettes
Grandes surfaces abîmées : brossage des paillettes non adhérentes et application d’une couche de peinture anti-UV compatible avec la membrane.
Peinture Nouvelle couche de peinture
Feuille métallique Petites surfaces abîmées : collage de rustines en membrane surfacée métallique
Grandes surfaces abîmées : enlèvement des parties mal fixées et application d’une couche de peinture anti-UV compatible avec la membrane.

Comment réparer les protections lourdes ?

Comme les protections légères, les protections lourdes protègent la couverture des rayons UV. En outre, par sa masse, elle assure la résistance au vent de celle-ci et la protège des agressions mécaniques.

Ce sont :

  • soit du gravier,
  • soit des dalles sur plots,
  • soit des dalles complexes isolantes,
  • soit des chapes en béton ou en mortier recouvertes ou non de dalles,
  • soit de l’asphalte coulé.

Il est donc essentiel que la protection lourde couvre toute la surface à protéger. Elle doit également rester propre pour éviter le développement en son sein d’organismes nuisibles pour la toiture elle-même ou l’environnement. En outre, elle ne peut en se dégradant, devenir elle-même une menace de blessure pour les membranes (dalles ou chapes cassées)

Évaluer

Pour évaluer l’état de la protection lourde en gravier.

Le tableau ci-dessous indique en fonction du type de protection, les réparations possibles.

Type de protection

Réparations possibles

Gravier Remise en place, nettoyage, enlèvement des végétations.
Dalles sur plots Remplacement des dalles ou des plots cassés, nettoyage sous les dalles, réglage des niveaux.
Dalles drainantes Remplacement des parties cassées ou manquantes.
Dalles complexes isolantes Remplacement des parties cassées ou manquantes.
Chape avec ou sans dallage Ragréage des joints et parties abîmées.
Asphalte coulé Ragréage des joints et parties abîmées.

Rénover partiellement ou complètement l’installation ?

Rénover partiellement ou complètement l'installation ?


Avant tout définir ses objectifs

Diminuer les consommations On cherche d’une part à diminuer la puissance installée tout en garantissant un éclairement suffisant. Le choix se portera sur le type d’éclairage et sur le matériel (lampe, luminaire, ballast) ayant la meilleure efficacité énergétique. D’autre part, la fourniture d’éclairage sera adaptée aux besoins réels en fonction de l’occupation et de l’apport en éclairage naturel.
Diminuer le coût d’entretien Les performances des lampes et luminaires doivent rester valables le plus longtemps possible. Le choix des lampes à longue durée de vie est une chose mais il faut que le luminaire garantisse les performances dans le temps (c’est crucial en éclairage extérieur). De plus, un entretien rapide peut être exigé afin de diminuer les coûts importants liés à la main-d’œuvre.
Améliorer le confort et la sécurité des occupants Le confort traduit la sensation de bien-être et donne à un aménagement son aspect convivial ou purement fonctionnel. Le choix et l’implantation des luminaires sont les facteurs principaux qui agissent sur le confort visuel ; mais il ne faut pas écarter la couleur de la lumière émise, le niveau d’éclairement et la couleur des parois.

Si l’objectif de la rénovation est l’amélioration d’un confort lumineux, il est possible que les consommations électriques ne diminuent pas suite à la rénovation.

La puissance installée peut rester sensiblement identique mais la meilleure efficacité des lampes ou des luminaires et un emplacement plus adéquat de ces derniers permettra d’atteindre le niveau d’éclairement recommandé et d’éliminer les problèmes de réflexions, d’ombres ou d’éblouissement.

En fonction du type de local, les choix technologiques liés à la rénovation seront guidés par les priorités suivantes :


Se donner les moyens : rénovation complète ou rénovation partielle ?

Le choix entre ces deux modes de rénovation résulte d’un compromis entre le coût d’investissement, l’économie escomptée et l’amélioration du confort.

Rénovation partielle : remplacer les organes énergivores

Il s’agit de remplacer les éléments peu performants : soit les lampes, soit les ballasts, soit les optiques sans trop « toucher » à l’installation existante. En d’autres termes, tant que l’on ne démonte pas les luminaires, leurs câbles d’alimentation, leur commande/gestion, la rénovation peut être considérée comme partielle.

En ce qui concerne le remplacement des lampes, ce mode de rénovation est peu onéreux et rapide. Cependant, il n’est pas forcément le plus rentable. Il ne permet pas de prendre en compte tous les critères d’un éclairage de qualité (consommation minimum et confort maximum). De plus, pour certaines sources lumineuses comme les LED, la photométrie de la lampe n’est pas nécessairement adaptée au luminaire.  Par exemple, le remplacement d’un tube fluorescent par un tube LED, indépendamment d’une efficacité lumineuse controversée, ne garantit aucunement la même distribution du flux lumineux que l’ancien luminaire. C’est sans compter que le tube LED risque aussi de rendre les ailettes de défilement inefficaces et, par conséquent, de générer un éblouissement non négligeable. Enfin, actuellement, le placement d’un tube LED dans un luminaire existant (originalement prévu pour lampe fluorescente) a comme conséquence que les marquages ENEC  et CE ne sont plus valables.

Donc attention et prudence ! A prendre au cas par cas.

Une installation d’éclairage professionnelle nécessite une solution professionnelle.

Le remplacement des ballasts, des optiques, …, n’est pas nécessairement un gage de « success story » ; du moins pour les rénovations dans des bâtiments de faible taille. Cette opération demande souvent une main d’œuvre non négligeable qui annihile la rentabilité escomptée.

Pour les bâtiments de grande taille où les installations d’éclairage sont proches ou semblables, le « relighting » peut être envisagé. Il est impératif de s’adresser à des bureaux d’étude spécialisés ou directement à des fabricants capables de proposer une solution sur mesure.

Par exemple, un fabricant pourra proposer de remplacer des luminaires à tube fluorescent d’ancienne génération par une platine entièrement équipée :

  • du tube type T5 ;
  • du ballast électronique « dimmable » ou pas ;
  • du pré câblage.

Seule la connexion en la platine et l’alimentation dans le luminaire est à réaliser ; donc peu de main d’œuvre nécessaire.

Remarque : en éclairage extérieur, remplacer seulement une partie des luminaires (lampe, optique ou ballast) s’applique très peu.  En effet, les réflecteurs des luminaires extérieurs sont généralement conçus pour une position bien précise du brûleur de la lampe. Un changement de lampe peut donc réduire le rendement du luminaire. De plus, les anciennes installations ne présentent plus nécessairement les qualités requises en matière de sécurité électrique, d’étanchéité et de rendement.


Rénovation complète

Le remplacement complet des luminaires est plus onéreux, mais conduit généralement à une plus grande économie d’énergie. Il permet d’élargir la sélection des appareils et de réaliser des choix mieux adaptés aux besoins.
Des contraintes subsistent toutefois :

  • Si on modifie le faux plafond, tout est permis ou presque.
  • Si on ne peut modifier le plafond, le nombre de luminaires, leur dimension et leur forme sont souvent figés figés (éventuellement une « carrosserie » adaptée sur mesure à prévoir en fonction des ouvertures existantes).
  • Si on peut modifier le réseau électrique, l’insertion de commandes/gestions supplémentaires permet de prendre en compte des besoins locaux différents.
    Note : Il existe des systèmes de gestion qui ne nécessitent pas de câblage supplémentaire  (gestion par luminaire, interrupteurs infra-rouge…).

Concevoir

Pour savoir comment concevoir un nouveau projet d’éclairage.

Calculs

Divers programmes de calcul permettent une comparaison économique sommaire des différentes possibilités de rénovation.

Découvrez ces exemples de « relighting » : les cours de tennis du tennis club de Waterloo, la rénovation de l’ILV, le bâtiment principal du CSTC à Limelette et deux locaux (bureaux) au CSTC.

Gestion des bâtiments de la Ville de Mons

Tous les gestionnaires que nous avons pu rencontrer et ayant fait le choix d’une GTC sont satisfaits et, à refaire, referaient le même investissement vu la facilité de la maintenance et les économies d’énergie réalisées.

Le Fonds des bâtiments scolaires de la Communauté Française gère ainsi avec satisfaction ses bâtiments scolaires des provinces de Namur, de Liège et du Brabant wallon (depuis plus de 20 ans). La commune de La Louvière étend progressivement son réseau aux différents bâtiments communaux …

Pour être concret, voici l’expérience de Monsieur Michel De Smet, responsable de l’électromécanique de la ville de Mons. Déjà en 1995 la GTC avait montré son efficacité. C’est encore le cas aujourd’hui en 2016.

« Nous gérons près de 160 bâtiments, c’est-à-dire environ 120 chaufferies sur l’ensemble du territoire communal.  Le service chauffage occupe 6 chauffagistes et 1 contremaître.

Nous disposons d’un système de télégestion couvrant actuellement 35 bâtiments de la Ville de Mons et nous en sommes très satisfaits. D’autres raccordements sont prévus.

Nous avons été favorisés par l’existence de plusieurs régulateurs d’une même marque déjà en place dans les chaufferies, ce qui nous a permis de n’investir que dans :

  • le câblage des contacts d’alarme,
  • le placement de l’interface,
  • le placement de la ligne téléphonique.

Les interventions sont réalisées par nos services internes.

Nous avons raccordé prioritairement les chaufferies :

  • facilement adaptables (régulateur compatible),
  • importantes en volume de bâtiment chauffé,
  • les plus éloignées du centre de Mons (parfois l5 ..20 km).

Nous avons démarré avec une installation « pilote » pour tester le logiciel et nous tester.

En fait, c’est la mise en service d’un régulateur qui demande du temps, car nous analysons son fonctionnement (sur base d’historiques et nous ajustons les paramètres). Nous avons ainsi pu détecter bon nombre d’anomalies, de sondes qui ne fonctionnaient pas correctement, de sondes dont le raccordement était inversé (sonde 1 sur circuit 2 et inversement, …).

La plus grande économie provient de ce qu’on a pu supprimer beaucoup de dérogations locales : l’utilisateur mettait l’installation en fonctionnement continu … et oubliait de la reprogrammer. À présent, il doit nous téléphoner pour que nous puissions programmer le chauffage, en vue d’une réunion le soir ou d’une fête le samedi.

Cette adaptation a suscité quelques réactions (il n’est pas facile de passer de 23°C à 21 °C !) mais le pli est pris.

Nous découvrons également des problèmes hydrauliques (déséquilibrages d’installation, insuffisance de certains circulateurs, …) maintenant que notre gestion est plus fine.

Une sauvegarde des paramètres de réglage est possible, si bien qu’après le test d’une nouvelle solution jugée inadéquate, nous pouvons toujours revenir aux anciens paramètres.

Après cette phase de mise en service, les interventions sont rares. Si les personnes se plaignent, c’est que très souvent il y a eu une modification physique locale : nouveau percolateur placé sous une sonde, affiche collée sur une sonde, …

La suppression progressive des conciergeries nous posait problème; à présent, l’alarme antigel automatique nous protège de tout risque.

L’interprétation correcte d’une alarme demande une connaissance physique de l’hydraulique de l’installation ! Ici, au bureau, nous connaissons nos bâtiments.

Un gros bâtiment, sous contrat avec une société de maintenance, a été également raccordé sous télégestion. Cela nous a permis de mieux contrôler leur travail.

Nous connaissons l’emploi du temps de nos ouvriers (entre le temps de déclenchement de l’alarme et de remise en ordre de l’installation). Et plus question de mettre l’installation en dérogation à défaut d’avoir trouvé la panne.

Notre charge au bureau a augmenté puisque nous reprenons une part de la résolution du problème, mais globalement le travail est beaucoup plus efficace.

Nous n’avons pas de contrat de maintenance avec la société de régulation, mais elle répond à nos questions si nécessaire.

Nous constatons une chute assez significative des consommations. Un bilan précis a été établi en fonction des degrés-jours à l’aide d’un tableur Excel dont voici ci-dessous deux extraits. L’année de la mise en service du nouveau système de régulation et de télégestion apparaît au premier coup d’œil ! »

École communale – rue du rossignol.

Groupe scolaire Limoges-Festinov.

Choisir un système convectif sur boucle d’eau froide : ventilo-convecteurs ou poutres froides

ventilo-convecteurs ou poutres froidesventilo-convecteurs ou poutres froides


Domaine d’application

Les émetteurs convectifs sur boucle d’eau sont parmi les systèmes de refroidissement les plus fréquemment rencontrés. On rencontre aujourd’hui particulièrement 2 technologies : les ventilo-conveteurs et les poutres froides.

On rencontre le ventilo-convecteur comme émetteur :

  • Dans les installations de climatisation devant assurer à la fois des besoins de chaleur en hiver et des besoins de refroidissement en été; ainsi, on les rencontre classiquement en allège de fenêtre des locaux, pour casser le froid du vitrage en hiver et compenser les apports solaires importants en été dans les bureaux, les commerces, les restaurants, les salles informatiques, les chambres d’hôtel,…
  • Dans les installations de chauffage pour lesquelles on souhaite une relance très rapide; une salle des fêtes, une salle de conférence, … dont le chauffage est intermittent, seront utilement équipés de ventilo-convecteurs.
  • Dans les installations de chauffage irriguées par de l’eau à basse température; les circuits raccordés à une source géothermale, à une pompe à chaleur, à un capteur d’énergie solaire,… sont valorisés par les ventilo-convecteurs qui augmentent la puissance de l’échange.

On rencontre plus particulièrement le ventilo-convecteur « 4 tubes » dans les bâtiments dont les besoins simultanés sont différents d’un local à l’autre : une cafeteria, un local informatique, des bureaux, des salles d’archives,… et le tout sur une même façade !

Le ventilo « 2 tubes – 2 fils » est une solution qui peut à la limite convenir lorsque le bâtiment est neuf et particulièrement bien isolé. Les apports internes (éclairage, bureautique, personnel,…) sont tels que le chauffage ne doit être enclenché qu’en période de gel, par exemple. Mais il sera utile de demander au bureau d’études une évaluation précise des coûts d’exploitation prévus pour le bâtiment…

C’est souvent la solution choisie par les promoteurs : le prix de revient du bâtiment est moindre. Quant à l’exploitation, ce n’est plus leur affaire … !

La possibilité de faire du chaud et du froid avec le même appareil, son prix de revient très raisonnable suite aux faibles surfaces des échangeurs, la facilité de la régulation local par local, l’efficacité du transport thermique par eau, … fait du ventilo-convecteur un best-seller de nos bâtiments climatisés !

Les poutres froides sont, en quelque sorte, des convecteurs de chauffage qui ont été placés au plafond pour faire du froid !

Photo poutres froides.  Photo poutres froides.

Il s’agit de tuyauteries parcourues par de l’eau glacée, serties d’ailettes pour favoriser l’échange convectif. Elles sont placées au plafond ou intégrées dans le faux plafond.

On distingue les poutres « actives » ou « dynamiques » (effet d’induction créé par l’air neuf) des poutres « passives » (convection naturelle uniquement) . Cet échangeur travaille sous un faible écart de température, suite à la condition de non-condensation. Sa puissance frigorifique varie selon la largeur de la poutre, la présence d’induction, l’écart de température,…

Ce produit étant à la mode, la Belgique voit son parc de poutres froides s’agrandir d’année en année, principalement dans les bureaux. Cette technique s’adapte à la construction nouvelle, mais aussi en rénovation grâce au fait de ne pas devoir percer des parois pour le passage de gainages d’air volumineux.

Les éjecto-convecteurs, sorte d’intermédiaire entre les deux précédents, est une technique des années 70 qui n’est plus guère rencontrée aujourd’hui.

Techniques

Pour connaître en détail les caractéristiques technologiques et le fonctionnement des ventilo-convecteurs, cliquez ici !

Techniques

Pour connaître en détail les caractéristiques technologiques et le fonctionnement des éjecto-convecteurs, cliquez ici !

 Techniques

Pour connaître en détail les caractéristiques technologiques et le fonctionnement des poutres-froides, cliquez ici !

Avantages des émetteurs convectifs sur boucle d’eau

Ventilo-convecteurs et poutres froides partagent certains avantages, mais se distinguent pas d’autres.

Dans les deux cas, on bénéficie de :

  • La séparation entre la fonction ventilation des locaux (air neuf hygiénique) et l’apport thermique (apport de froid) est un gage de bonne régulation.
  • La possibilité de faire du chaud et du froid avec le même appareil, et avec une puissance relativement élevée.
  • Le système ne demande que le percement de trous pour le passage de tuyauteries d’eau. En rénovation de bâtiments, on évite ainsi l’encombrement des gainages à air de grandes dimensions… De plus, il est possible de récupérer l’ancienne installation de chauffage.
  • Une efficacité du transport thermique par eau :. Le transport du froid vers les locaux par de l’eau glacée (pompe) est environ dix fois moins énergétique que le transport par de l’air froid (ventilateur).
  • Une facilité de régulation, local par local, et donc un bon confort pour les utilisateurs : une régulation souple puisque réalisée tant via le débit d’eau que le débit d’air. un arrêt possible de l’équipement, localement, un mode de régulation très accessible par les utilisateurs, une liaison possible des différents appareils par bus de communication, ce qui permet une régulation globale de qualité par GTC.
  • Ces systèmes ne font intervenir qu’un seul corps de métier. Le plafond froid combine lui deux compétences : la pose de faux plafonds et la pose de tuyauteries. L’ensemble est plus complexe à gérer, d’autant que l’oeil est très sensible à la planéité des plafonds.

Le ventilo-convecteur a en outre comme avantage :

  • Un prix de revient raisonnable, surtout pour le système 2 tubes-2 fils, suite aux faibles surfaces des échangeurs à débit d’air forcé, et au faible coût de pose, (à noter que le prix de l’appareil dépend peu de la taille de l’échangeur et qu’il est donc possible de le surdimensionner au départ pour tenir compte d’un éventuel accroissement des charges futures).
  • Une facilité de placement : placement aisé en allège lorsque les hauteurs sous plafond ne permettent pas l’intégration d’un faux plafond, la possibilité de placer le ventilo en hauteur et de libérer la place au sol.
  • Une intégration possible d’une prise d’air neuf à l’arrière de l’équipement.
  • Une fiabilité de l’appareil (qui constitue un grand classique de la climatisation) et donc une longue durée de vie; ce n’est pas la Rolls de la clim, … mais une bonne Peugeot, quoi !
  • Dans le cas des systèmes 4 tubes :
    • La souplesse d’utilisation est totale puisque chaque ventilo est autonome : un local peut être refroidi lorsque son voisin est chauffé…
    • La possibilité de récupérer la chaleur extraite dans un local pour la fournir au local en demande.
    • Plus de circuits de zones, de vannes de commutation, … la régulation est plus simple et le service de maintenance ne s’en plaindra pas !

Par contre, la poutre froide a l’avantage de :

  • Le bruit est limité, pour autant que l’air neuf ne soit pas pulsé à trop haute vitesse (attention aux systèmes actifs).
  • La préparation d’eau glacée à une température de 15°C environ permet la sélection d’une machine frigorifique avec un excellent coefficient d’efficacité frigorifique (ou « COP frigorifique »). Cette propriété n’est tout à fait effective que si une machine frigorifique est spécifiquement prévue pour l’alimentation en eau froide des plafonds. Elle est en partie perdue si la même machine frigorifique est utilisée pour préparer l’air neuf déshumidifié …
  • Cette température élevée permet d’imaginer, durant une bonne partie de l’année, un refroidissement direct de l’eau glacée dans un aéro-refroidisseur ou dans une tour de refroidissement en toiture, en by-passant ainsi la machine frigorifique. Cette technique est généralement appelée « free-chilling ». La consommation liée au froid se résume à l’alimentation des pompes de circulation ! La présence d’une source d’eau froide naturelle peut également être mise à profit (rivière, lac, …).
  • L’encombrement au sol est nul !

Désavantages des émetteurs convectifs sur boucle d’eau

En termes d’inconvénients, dans les deux cas :

  • L’hygrométrie n’est pas contrôlée dans les locaux, ce qui peut poser problème d’un air trop sec en hiver.
  • La difficulté d’assurer un confort thermique correct est réelle, notamment sans courants d’air dans la zone de travail,… Une poutre statique génère une « coulée » d’air froid très désagréable sur les personnes situées sous les poutres. Elle ne peut a priori se placer que dans les locaux de grande hauteur. Par contre, la poutre dynamique semble plus confortable, car elle induit un mélange avec l’air ambiant plus élevé et donc une température de l’air plus homogène. Cependant, à l’intersection entre les flux d’air créés par deux poutres voisines parallèles, les deux flux d’air risquent de tomber sur la tête d’un utilisateur ! Le ventilo-convecteur quant à lui peut générer des courants d’air froids.
  • Curieusement, la facilité de fabrication et de pose peut devenir un inconvénient, surtout en marché public où le prix constitue le critère de sélection : la qualité des équipements fournis et la qualité de l’installation sont très variables !

 Le ventilo-convecteur a en outre comme désavantage de :

  • Lorsqu’un appareil de mauvaise qualité est installé (sous-dimensionnement des échangeurs, vitesse élevée du ventilateur, …), le bruit sera l’élément le plus négatif de cet équipement. Le niveau sonore peut être compris entre 35 et 65 dB, selon la qualité constructive, la vitesse du ventilateur et l’âge de l’équipement.
  • Le ventilo dont une prise d’air est réalisée en façade est une solution peu adaptée aux critères de confort actuel ! Ses performances thermique et acoustique sont faibles. Sans oublier le risque de gel…
  • Dans le cas des systèmes 2 tubes : Les besoins doivent être similaires dans les différents locaux d’une même zone; autrement dit, le nombre de zones doit être suffisamment élevé, si on ne souhaite pas de conflits en mi-saison pour le passage du chaud au froid !
  • Dans le cas des systèmes 4 tubes :
    • Le coût d’installation est plus élevé puisque les ventilos contiennent deux échangeurs, les circuits sont dédoublés, de même que le nombre de vannes, de circulateurs,…
    • L’encombrement est également plus important (ventilos plus volumineux et gaines techniques plus larges).
    • Durant toute une partie de l’année, il faut maintenir en fonctionnement les deux réseaux; les pertes énergétiques de ces réseaux ne sont pas négligeables…
  • Dans le cas des systèmes 2 tubes – 2 fils : Le coût d’exploitation est certainement le point noir de ce système…

La poutre froide a, elle, comme désavantages :

  • Le coût d’installation est élevé, du moins en rapport à la puissance frigorique fournie.
  • La puissance frigorifique reste limitée par rapport aux systèmes traditionnels. Ou du moins, placer des poutres dans les plafonds risque de générer des problèmes d’inconfort si bien que la densité maximale admissible reste faible.
  • Dans le cas des poutres dynamiques, il est courant de pulser un débit d’air supérieur à celui strictement nécessaire pour assurer l’air neuf hygiénique dans les locaux. Autrement dit, pour assurer la puissance de refroidissement demandée par le local, l’air primaire pulsé passe bien souvent de 1 renouvellement horaire à deux renouvellements. Le débit d’air total brassé est alors de l’ordre de 5 (3 renouvellements d’air secondaire sont induits). Or c’est de l’air neuf qui est ainsi doublé, ce qui va générer une consommation supplémentaire très élevée durant la vie du bâtiment.
  • La poutre dynamique est très semblable à l‘éjecto-convecteur dans son mode de fonctionnement. On peut donc lui faire les mêmes nombreux reproches. Il est d’ailleurs très curieux que l’éjecto-convecteur, écarté du marché, car ne convenant plus aux besoins de souplesse des locaux, revienne aujourd’hui, sous une forme plus complexe encore en matière de maintenance : dans le plafond ! Le prix d’investissement justifie-t-il de refaire les mêmes erreurs ?
  • L’encrassement des poutres demande un entretien régulier, pas toujours aisé lorsqu’on ne souhaite pas interrompre l’activité des personnes.


Choix du régime d’eau

Dans le cas des poutres froides, le circuit est alimenté au régime aller-retour de 15°C – 17°C (on parle d’eau froide), pour limiter les risques de condensation dans l’émetteur. Dans le cas des ventilo-convecteurs par contre, le régime peut être plus bas (6°C-12°C – on parle d’eau glacée).

Choisir une température d’eau glacée la plus haute possible

Plus la température de l’eau glacée est basse, plus l’inconfort des occupants augmente (température d’air très basse). De plus, la consommation des ventilos-convecteurs augmente :
Car la chaleur latente de l’air captée augmente.
En effet, si la température de la boucle d’eau glacée est inférieure à la température de rosée de l’ambiance et l’humidité de l’air se condenseront inutilement.

Il est donc utile de dimensionner les ventilos sur base d’un régime de température élevé. Par exemple : départ 12°C – retour 16°C, départ 12°C – retour 18°C, …

Dimensionner les installations avec un régime 6°C – 12°C va permettre de sélectionner des échangeurs plus petits (delta T° plus élevé par rapport à l’ambiance), donc moins chers à l’investissement, mais nettement plus coûteux à l’usage.

En fait, lorsque le bureau d’études dimensionne au régime 6°C – 12°C, il voit dans le catalogue du fabricant la part de chaleur latente captée par rapport au sensible.

Exemple : la sélection d’un ventilo-convecteur.

Le catalogue d’un fabricant prévoit :

Régime 6/12°C, ambiance à 27°C et 46 % HR :

Puissance frigorifique totale : 3,40 kW
Puissance frigorifique sensible : 2,35 kW

On constate que 1,05 kW est consacré à la déshumidification de l’air ambiant, soit 31% de la puissance totale. À ce moment, la consommation de l’appareil est majorée de 31 % !

Voyons pour le régime 12/18 (pour le même appareil) :

Régime 12/18°C, ambiance à 27°C et 46 % HR :

Puissance frigorifique totale : 1,58 kW
Puissance frigorifique sensible : 1,58 kW

La déshumidification n’a plus lieu. Mais l’échangeur ne produit plus que 1,58 kW utile… Il faudra augmenter la surface d’échange de 49 % pour atteindre les 2,35 kW du régime 6/12.

On rétorquera que la déshumidification est parfois nécessaire en plein été. Effectivement, mais c’est le rôle du groupe de préparation d’air hygiénique de déshumidifier l’air, avec un contrôle basé sur la sonde de reprise d’air. Le ventilo agit lui sans aucun contrôle. On le voit bien puisque le catalogue part d’une humidité ambiante de 46 %, qui n’est pas à déshumidifier. Le ventilo le fera quand même !

De plus, suite à la condensation sur les ailettes, les poussières adhèrent aux parois et l’échangeur s’encrasse plus rapidement.

> Car le rendement (ou COP) de l’installation frigorifique diminue.

Au régime 7°C – 12°C, la température moyenne de l’évaporateur est plus basse qu’au régime 12° – 17°C. Le compresseur a plus de mal à travailler et le COP de l’installation en est légèrement dégradé. En moyenne, on considère que le COP diminue de 3 % par degré d’abaissement de la température d’évaporation.

Si la machine frigorifique alimente à la fois le réseau d’eau glacée et la batterie froide du caisson de traitement d’air (par exemple, au régime 7°C – 12°C), l’impact est plus faible mais l’intérêt de travailler à haut régime de température reste et l’on essayera d’organiser la mise en série hydraulique des batteries.

> Car il est alors possible de récupérer la chaleur captée par l’eau glacée pour préchauffer l’air neuf hygiénique.

Évaluer

Chiffrer l’investissement et le coût d’exploitation pour le régime à haute température.

Problème des locaux à forte chaleur sensible dégagée

Dans les locaux informatiques, par exemple, on n’arrive pas toujours à travailler avec des ventilos alimentés à haute température (12°C – 17°C). La puissance frigorifique délivrée n’est pas toujours suffisante.

Dans ce cas, il est plus intéressant de créer un réseau spécifique pour l’eau du local informatique. On peut y travailler à température plus basse puisque l’air ne contient pas d’humidité (donc pas de consommation par le latent).

De plus, un tel réseau indépendant est souvent adéquat parce que le travail y est réalisé 24h/24 et alimenté sur secours, ce qui implique une gestion autonome.

Généralement, les besoins d’apport d’air neuf sont faibles, la ventilation se fait par transfert d’air venant des couloirs et extraction dans le local.

Possibilité de free-chilling

Les ventilos-convecteurs alimentés par de l’eau froide à « haute température » (régime 12°C – 17°C) pourront valoriser tout particulièrement la technique de free-chilling qui consiste à by-passer le groupe frigorifique et à refroidir directement l’eau de 17 à 12°C par l’air extérieur.

Concevoir

Pour en savoir plus sur la mise en place d’un free-chilling, cliquez ici !

Puisque cette possibilité existe dès que la température extérieure est inférieure à 10°C, cette technique sera particulièrement intéressante si des besoins de refroidissement des locaux existent en période d’hiver.

C’est l’analyse des besoins du bâtiment en fonction de la température extérieure qui devra le dire.


Combinaison avec la ventilation hygiénique

Trois combinaisons entre les émetteurs convectifs et le réseau de ventilation sont possibles :

Contrôle de température et ventilation totalement séparés

Illustration sur le contrôle de température et ventilation totalement séparés

Dans ce cas, air neuf et contrôle de la température sont complètement séparés. L’air est amené par un réseau de ventilation mécanique optimisant les récupérations d’énergie sur l’air extrait et la valorisation du free cooling.

Éventuellement, l’air neuf est traité en centrale pour fournir un apport de chaleur ou de froid « de base » dans les locaux. L’unité terminale sert alors de correction locale. Attention ! Dans ce type de configuration, il existe un risque de destruction d’énergie entre le traitement centralisé et l’unité terminale.

On rencontre cette configuration dans le cas des poutres froides statiques et de la plupart des installations de ventilo-convecteurs.

L’émetteur combiné à la gaine de pulsion d’air

C’est la configuration typique des poutres froides dynamiques, qui utilisent la pulsion d’air hygiénique pour générer un effet d’induction sur l’échangeur de chaleur.

De même, lorsque le ventilo est placé en faux plafond, on a souvent tendance à insérer l’apport d’air neuf dans le plénum constitué par ce faux plafond. Le ventilo aspire un mélange d’air du local et d’air neuf.

Illustration sur l’émetteur combiné à la gaine de pulsion d'air

Un tel système demande la présence d’un organe autorégulant à l’entrée de chaque ventilo pour ne pas perturber le débit lorsque des ventilos voisins se mettent à l’arrêt.

On peut également se demander ce que devient l’apport d’air neuf dans le local lorsqu’il n’y a pas de demande de chaud ou de froid, c’est-à-dire lorsque le ventilateur du ventilo est mis à l’arrêt. En effet, le ventilateur principal n’a, en principe, pas été dimensionné pour vaincre la résistance des batteries du ventilo.

Pour garantir un apport d’air neuf permanent, le ventilateur du ventilo doit fonctionner en permanence, avec une puissance d’environ 60 W.

Une telle configuration sous-entend un préchauffage central minimum de l’air en hiver, puisqu’il est impensable, notamment pour des raisons de condensation, de faire circuler de l’air à – 10°C au travers du bâtiment.

Dans le cas d’un ventilo-convecteur placé en allège, la tuyauterie d’air neuf peut être intégrée dans le faux plafond du local inférieur, ce qui diminue le coût d’investissement.

On retrouve une telle intégration dans les MTA, Modules de Traitement d’Air.

Le ventilo-convecteur équipé d’une prise d’air neuf directe à l’arrière de l’équipement

C’est au départ une solution peu onéreuse car elle ne demande aucun réseau d’air pour la pulsion. En fait, on est face à une ventilation mécanique dont seule l’extraction est gainée.

Ce système n’entraîne aucun conflit entre apport thermique par le ventilo et apport thermique par l’air neuf (pas de destruction d’énergie), mais il interdit aussi toute gestion URE de la ventilation : récupération de chaleur sur l’air extrait et recyclage sont pratiquement impossible.

illustration sur le ventilo-convecteur équipé d'une prise d'air neuf

Quelques difficultés spécifiques à ce système :

  • Il demande une protection vis-à-vis du risque de gel,
  • Il réalise un pont thermique et acoustique avec l’extérieur,
  • Le débit d’air neuf sera mal contrôlé et fonction notamment de la pression du vent sur la façade, ce qui réduit son utilisation aux bâtiments peu élevés,
  • La filtration de l’air neuf est très grossière et insuffisante dans les milieux urbains pollués (filtre gravimétrique),
  • Si l’on veut respecter les critères de confort en plein hiver, elle impose d’intégrer une humidification de l’air dans l’appareil, ce qui est possible mais coûteux (systèmes ultrasoniques) et implique un réseau d’eau dans les locaux, et donc peut être, à terme, des problèmes d’hygiène.


Choix de la performance énergétique des échangeurs

A puissance thermique égale, en vue d’abaisser les coûts et de remporter le marché, le fabricant proposera un matériel plus compact. La qualité de la batterie en souffrira : ailettes plus fines, entraxes des ailettes diminuées, …

Plusieurs conséquences en résultent :

  • La perte de charge (et donc la consommation permanente du ventilateur) est augmentée.
  • Le by-pass factor est diminué, c’est-à-dire que beaucoup d’air rentrera en contact direct avec les ailettes, ce qui renforcera la condensation de l’humidité contenue dans l’air. Là encore, la consommation du ventilo sera inutilement augmentée.
  • Si la condensation augmente, les poussières adhèrent aux parois et l’échangeur s’encrasse plus rapidement.
  • Enfin, les fines ailettes seront très sensibles aux chocs et la pose et la maintenance en seront moins aisées.

Si la surface de l’échange est diminuée, le fabricant cherchera à augmenter la vitesse de passage de l’air et donc, dans le cas du ventilo-convecteur la consommation du ventilateur.

Un critère de performance peut donc être de comparer la puissance électrique du ventilo-convecteur à la puissance frigorifique sensible annoncée par le fabricant. Ce rapport doit être le plus faible possible. Pour que cette comparaison soit fiable, il faut cependant que les données constructeurs aient été mesurées suivant les mêmes conditions de fonctionnement. Ce sera le cas, si les appareils comparés sont certifiés « Eurovent ».

Il nous semble également qu’en exigeant une haute performance acoustique, l’on puisse obtenir un maximum de garantie d’une qualité globale du ventilo.

Remarque : si le projet est très important (1 000 ventilos, par exemple), il est alors utile de vérifier les performances annoncées par le constructeur auprès du laboratoire de Thermodynamique de l’ULg, par exemple.


Choix en fonction des critères d’exploitation

Il est utile de penser dès le départ :

  • À l’accessibilité des différents organes pour la maintenance (accès aux filtres, accès aux organes de réglage, facilité de démontage des panneaux d’allège, facilité de nettoyage des batteries et des bacs de condensats,…).
  • Au souhait de pouvoir intervenir hors de la présence des occupants (p.ex., localisation en couloir).
  • Pour les ventilo-convecteurs :
    • Aux qualités des parties mobiles : suspension du moteur, résistance à l’échauffement, …
    • A la tenue aux vibrations : usure du supportage, tenue des raccordements hydrauliques, étanchéité des flexibles, …
    • A la résistance des ailettes (déformations, chocs, …).

Choix de la régulation des productions de chaleur et de froid

Deux situations vont se présenter : si le bâtiment est homogène dans ses besoins, un seul réseau d’eau sera prévu et on choisira de l’alimenter en eau chaude en hiver et en eau glacée en été. C’est évidemment une solution très bon marché, mais c’est également la moins souple. Par exemple, la façade Sud est alimentée de la même manière que la façade Nord…

Si on souhaite alimenter différemment chacune des façades, ou même alimenter séparément la salle de réunion, on peut décomposer le bâtiment en différentes zones, et faire fonctionner simultanément le réseau d’eau chaude et le réseau d’eau glacée. Chaque zone utilisera le réseau qui lui convient en fonction des besoins du local.

C’est donc le bureau d’études qui va définir en accord avec l’architecte du degré de souplesse désiré pour les utilisateurs. Le coût de l’installation est directement lié à cette souplesse de fonctionnement.

Une alternative est de passer à une solution 4 tubes.

A signaler les critères énergétiques de qualité

  • l’adaptation possible dans certains cas de la température de départ de la boucle d’eau glacée,
  • la régulation de la température de départ de la boucle d’eau chaude,
  • un basculement froid/chaud (« change over ») avec un battement suffisamment large pour éviter un phénomène de pompage eau chaude/eau glacée et des pertes d’énergie par mélange eau chaude – eau froide…

Il est également possible d’installer une machine frigorifique réversible : lors du changement été/hiver, le sens de circulation du fluide frigorigène s’inverse, et une pompe à chaleur air-eau est créée. Un appoint de chaleur sera nécessaire pour vaincre la pointe hivernale. La rentabilité d’une telle opération doit être étudiée. L’investissement est limité puisque c’est la même machine frigorifique qui devient pompe à chaleur. Toute la difficulté réside dans l’estimation de la performance saisonnière de la PAC et si cette valeur permet de compenser le coût plus important de l’énergie électrique. Si une source froide est possible (lac, rivière, forage, …), cette opération est fort intéressante.

La régulation optimale de la boucle d’eau glacée

La production d’eau glacée est réalisée par la machine frigorifique. On prévoit généralement une distribution à un régime constant du type aller 6° – retour 11°, mais il y a là un potentiel d’énergie à récupérer : dans certains cas l’on peut faire varier ce régime de température et travailler à température plus élevée. La consommation du compresseur en sera diminuée d’autant !

Améliorer

Pour en savoir plus sur l’amélioration de la machine frigorifique, cliquez ici !

À cet équipement frigorifique peut être adjoint un bac à glace, permettant de stocker du froid la nuit au moment où l’électricité est moins chère, pour l’utiliser le jour par la fonte de la glace (ce n’est pas une économie d’énergie mais plutôt une économie financière résultant de la gestion de la pointe quart-horaire).

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Pour en savoir plus sura mise en place d’un stockage d’énergie frigorifique, cliquez ici !

La régulation optimale de la boucle d’eau chaude

La production de chaleur se fait, par exemple, par la chaudière du bâtiment. La température de l’eau chaude distribuée est alors modulée en fonction de la température extérieure, via la courbe de chauffe du régulateur.

Lorsque l’occupation du bâtiment permet d’imaginer que des besoins de chaleur et de froid pourront coexister, la production de chaleur peut alors être assurée par une machine frigorifique dont on récupère la chaleur au condenseur.  A ce moment, la chaleur captée dans les locaux à refoidir est récupérée dans les locaux à réchauffer ! L’installation est alors particulièrement économe puisque seule la consommation des compresseurs est à fournir. Une chaudière d’appoint reste nécessaire pour vaincre la pointe hivernale. C’est une possibilité à étudier lorsque les bâtiments sont constitués de larges plateaux : on peut penser qu’il faudra refroidir le cœur pour chauffer les bureaux périphériques.

Améliorer la pompe à chaleur

Amélioration du fonctionnement

Il semble que ce soit par l’optimisation du dégivrage que l’on puisse améliorer le plus sensiblement la performance de la PAC.

Si autrefois, les dégivrages étaient essentiellement commandés par une horloge, aujourd’hui différentes techniques existent pour ne procéder à la phase de dégivrage que lorsque c’est réellement nécessaire.

Concevoir

Pour parcourir ce qui peut être mis en place pour les évaporateurs des armoires frigorifiques, confrontés à un problème similaire.

Améliorations et développements dans le domaine des composants

La technique des microprocesseurs permet d’améliorer les coefficients des performances et offre une plus grande sécurité de fonctionnement : suppression des perturbations dues aux tubes capillaires, senseurs et régulateurs plus rapides pour surveiller aussi bien le côté température que le côté pression.

Les vannes de détente électroniques améliorent également les coefficients de puissance grâce à une meilleure surveillance des valeurs d’état permettant une diminution des possibilités de surchauffe et une meilleure utilisation de la surface de l’évaporateur.

Concevoir

Pour connaître les avantages du détendeur électronique par rapport au traditionnel détendeur thermostatique et parcourez le chapitre sur le choix de la régulation.

À l’avenir, le compresseur rotatif – en particulier le compresseur Scroll dans les petites puissances – remplacera progressivement le compresseur à piston (pourtant plus avantageux du point de vue prix), longuement et dûment éprouvé, mais techniquement dépassé. Les compresseurs autorisent une régulation continue de la vitesse, ce qui devrait optimaliser le besoin en énergie, bien que de nombreuses questions restent en suspens (fonctionnement du cycle lors des variations de débit, retour d’huile, influence du variateur de vitesse sur le réseau).

Concevoir

Pour connaître les évolutions en matière de compresseur.

Avec de nouveaux fluides, mélanges azéotropes de 2 composants, on obtiendra de meilleurs coefficients de performance. Des mélanges azéotropes sont des mélanges de liquides ayant la même composition tant dans leur phase liquide que dans leur phase gazeuse, rendant la séparation par distillation impossible. Autrement dit, tous les composants du mélange évoluent et changent de phase de la même façon lors des variations de température et l’on dispose à tout moment d’un fluide homogène.

Améliorer

Pour connaître les évolutions en matière de fluide frigorigène.

Organiser le recyclage de l’air

Organiser le recyclage de l'air


Organisation du recyclage de l’air

Le recyclage de l’air extrait du bâtiment par mélange dosé avec l’air neuf est énergétiquement très intéressant. En amélioration, il faut toutefois voir si techniquement c’est possible sachant que dans les bâtiments anciens l’extraction ne se trouve pas nécessairement à proximité immédiate de la pulsion. En effet, le recyclage de l’air n’est possible qu’avec un système double flux.

Imaginons une installation fonctionnant en « tout air neuf ».

Le coût d’une installation en « tout air neuf » est très élevé puisque le chauffage est assuré, en plein hiver, par de l’air extérieur qu’il faut réchauffer à grands frais.

Exemple.

pour apporter 1,5 kW de chaleur au local, un apport de 3,5 kW est demandé au caisson de traitement d’air : 2 kW pour porter l’air de 6° à 22°C, puis 1,5 kW pour l’amener à 40°C.

La température de 6°C correspond à la température moyenne de l’air extérieur.


Avantages

Le recyclage de l’air permet de réduire les débits d’air neuf et donc un groupe de ventilation plus petit peut être utilisé.

Par rapport aux systèmes de récupération d’énergie, le recyclage partiel de l’air extrait est très performant puisqu’il permet de valoriser aussi bien l’énergie sensible que l’énergie latente (chaleur et humidité).

Dans cette technique, il est toujours possible de moduler le débit d’air neuf en fonction de la présence effective des occupants du ou des locaux. Par exemple, une sonde CO2 placée dans le conduit d’air extrait peut moduler l’ouverture du registre d’air neuf. D’où une fameuse économie !

Si en mi-saison, un besoin de refroidissement se fait sentir et que la température extérieure est inférieure à la température intérieure, l’augmentation du taux d’air neuf permet de valoriser le pouvoir rafraîchissant de l’air extérieur.


Inconvénients

Technologiquement parlant, cette solution n’est possible que si les conduits de reprise sont très proches des conduits de pulsion d’air. À défaut, c’est vers des récupérateurs à plaques reliés par un circuit d’eau glycolée qu’il faut s’orienter.

De plus, cette solution présente l’inconvénient de mélanger et redistribuer de l’air extrait de locaux différents… Pour des raisons hygiéniques, elle sera exclue en milieu hospitalier par exemple. Dans les immeubles de bureaux, certains disent que le recyclage est à l’origine du « sick building syndrom », c.-à-d., en bref, de la propagation du rhume de la secrétaire à l’ensemble du personnel !

Ce qui est certain, c’est que si une telle installation est choisie, elle devra faire l’objet d’un entretien régulier et d’une attention toute particulière au niveau du système d’humidification et de filtration.

Finalement, un ventilateur supplémentaires (et donc des filtres et des silencieux) est généralement nécessaire !


Régulation

La régulation du taux d’air neuf est énergétiquement très importante. La régulation devra permettre de stopper l’arrivée d’air frais durant la période de remise en température du bâtiment, avant l’arrivée des occupants, de travailler en tout air neuf lorsque la température extérieure permet un rafraîchissement de l’ambiance, …

Locaux isolés, la salle de spectacles ou de conférences

Locaux isolés, la salle de spectacles ou de conférences


Analyse de la demande

Quelles sont les spécificités d’une salle de spectacles ou de conférences ?

Un grand volume unique
>
l’adéquation d’un traitement centralisé,
Une présence nombreuse d’occupants
>
un besoin important d’air hygiénique,
Une présence variable d’occupants
>
un besoin variable d’air hygiénique et un besoin de commander ce débit en fonction de la présence réelle des occupants,
Une occupation intermittente
>
un besoin d’assurer une température minimale en dehors des périodes d’occupation,
Peu de parois vitrées
>
des besoins de refroidissement liés essentiellement à la présence humaine et non aux apports solaires
Souvent, présence d’absorbants acoustiques sur les parois (et donc d’une couche isolante)
>
un mauvais accès à l’inertie des parois et donc une tendance à la montée en température rapide de l’air si les apports sont élevés.

Choix d’un système spécifique aux salles de conférence

De l’analyse de la demande, il apparaît un facteur clef : la quantité d’air neuf hygiénique est très élevée. Un système « tout air » paraît adéquat puisque le débit d’air neuf sera proche du débit requis pour le traitement de la charge thermique.

De façon simplifiée (seuls les besoins sensibles sont pris en compte) :

  • Une personne demande 30 m³/h d’air neuf.
  • Si cet air est pulsé à une température de 16°C dans une ambiance à 24°C, il apporte un refroidissement de :

30 [m³/h] x 0,34 [Wh/m³.K] x (24 – 16) [K] = 82 Watts

De plus, un système de climatisation « tout air » pourra répondre avec rapidité aux variations brusques des besoins.

Parmi les installations « tout air », il faut choisir entre une installation à débit d’air constant et une installation à débit d’air variable.

Il est clair qu’aujourd’hui le débit d’air neuf traité doit être adapté à l’occupation réelle. Si la salle est prévue pour 300  personnes, on ne peut pulser en permanence 9 000 m³/h (= 300 pers x 30 m³/h. pers), même si 20 personnes occupent en réalité la salle. Le coût du traitement d’air de 9 000 m³/h est élevé (sur base d’un fuel à 0,4 € du litre, on dépasse les 7,5 € de l’heure par 5°C extérieur). Et surtout, cela représente un gaspillage écologique non justifiable.

Mais le choix est plutôt :

  • solution 1 : pulser un débit d’air constant dans la salle et, dans ce débit, intégrer une quantité variable d’air neuf.
  • solution 2 : pulser un débit d’air variable lié à la présence des personnes et y intégrer un débit minimal d’air neuf.

Autrement dit, dans le schéma ci-dessous,

  • Soit le ventilateur est à débit constant, une sonde d’ambiance module le réglage des batteries de chaud et de froid, et une sonde de qualité d’air dans la reprise module l’ouverture du registre d’air neuf.
  • Soit le ventilateur est à débit variable en fonction de la présence effective des occupants, une sonde d’ambiance module le réglage des batteries de chaud et de froid, et une sonde de qualité d’air dans la reprise module l’ouverture du registre d’air neuf.

Un traitement d’air à débit constant

La première solution paraît plus claire à mettre en œuvre parce que chaque équipement est géré de façon indépendante par un capteur différent.

De plus, le débit d’air pulsé étant constant, une bonne distribution de l’air est maintenue en permanence. Certains modes de distribution (jets d’air à induction situés près des occupants) sont très sensibles à cet aspect : si le débit diminue, une « coulée » d’air froid inconfortable risque de se produire près des occupants.

Une telle installation permet une très bonne exploitation du free cooling, c’est-à-dire, du refroidissement par de l’air extérieur « gratuit » en hiver et en mi-saison. En été, rien n’empêche de refroidir également le bâtiment pendant la nuit (night-purge) grâce à l’air extérieur frais.

Le poste de traitement de l’air neuf, qui est sans conteste le poste consommateur principal (les déperditions par les parois sont proportionnellement très faibles dans un bâtiment isolé), est parfaitement maîtrisé grâce à l’injection d’air neuf liée à la dégradation de la qualité d’air.

En pratique, le régulateur choisira la valeur du débit d’air neuf maximum entre la demande de la sonde de qualité d’air et la demande de free-cooling pour refroidir l’ambiance.

Si le programme d’occupation de la salle est très élevé, un récupérateur de chaleur sur l’air extrait s’avère utile puisque peu d’air sera recyclé.

Concevoir

Pour trouver plus d’infos sur l’organisation d’un conditionnement d’air à débit constant.

Mais il reste un défaut : si seulement 20 personnes sont présentes dans la salle de 300 personnes, le ventilateur brassera les 9 000 m³ chaque heure (alors que 600 suffiraient), avec un bruit qui sera maximum lui aussi ! …Et lorsque tous les occupants seront partis, qui arrêtera l’installation ? et lorsque l’installation sera arrêtée, comment faire pour que la salle ne soit pas trop froide juste à l’arrivée des occupants ?

Suivant le type de bâtiment et son régime d’occupation prévisible, différentes solutions sont possibles en combinant :

  • Un ou plusieurs détecteurs de présence, pour arrêter l’installation après une période de temporisation.
  • Des ventilateurs à deux ou trois vitesses, pour réduire la puissance motrice en situation d’occupation réduite.
  • Des équipements statiques (= des radiateurs) pour gérer la période en dehors de l’occupation (maintien hors gel, relance à 16° au matin, …), ou pour gérer des ambiances différentes si plusieurs locaux attenants sont concernés.

Un traitement d’air à débit variable

L’avantage paraît clair : ne pulser que l’air nécessaire et ainsi limiter le bruit et la consommation du ventilateur.
En pratique :

  • se baser sur un chauffage de base statique (radiateur, convecteur),
  • apporter l’air neuf extérieur pour les occupants, si présents, ou pour rafraîchir l’ambiance (free-cooling),
  • apporter l’air froid pour refroidir le local en été.

La difficulté, c’est que l’on superpose une régulation de température et une régulation de débit d’air neuf sur le même équipement : le ventilateur. Cela ne peut fonctionner que si l’occupant est quasi la source unique d’apport de chaleur dans la salle (pas de projecteurs,par exemple). De plus, il faut trouver un capteur qui puisse commander la vitesse de rotation du ventilateur en fonction du nombre de personnes présentes.

C’est le cas d’une salle de cinéma d’aujourd’hui :

  • La commande des billets renseigne les spectateurs sur le nombre de places restantes.
  • Mais elle informe également le variateur de vitesse du ventilateur du nombre de personnes dans la salle et donc du débit d’air neuf à pulser (c’est le cas à ImagiMons).
  • Une sonde d’ambiance (dans la reprise, par exemple) module la température de pulsion dans la salle.

Avec un débit d’air minimal pour assurer un balayage de base, le confort peut tout à fait être garanti.

Un avantage supplémentaire réside dans le fait qu’il n’est pas nécessaire de recycler l’air, puisque seul l’air neuf est pulsé par le ventilateur. Par contre, un récupérateur de chaleur sur l’air extrait permettra de récupérer de l’ordre de 50 % de la puissance thermique.

Mais des risques de mauvaise distribution de l’air dans la salle apparaissent lorsque le débit est faible…

Concevoir 

Pour trouver plus d’infos sur l’organisation d’un conditionnement d’air à débit variable (attention : appliqué à un immeuble de bureaux).
Remarque.

En dehors du cas de la salle de cinéma, force est de constater que nous manquons d’exemples d’application de ce système.

Mais nos lecteurs connaissent peut-être d’autres solutions et nous serions très heureux d’en être informés et d’en faire profiter chacun dans une prochaine version d’energie+.

Reste, pour les deux solutions, à trouver la meilleure distribution de l’air. Il semble qu’une pulsion de bas en haut (soufflage par les gradins et reprise en partie supérieure) permet de mieux gérer la qualité de l’air pour les occupants. La création d’un plénum de distribution dans l’espace situé sous les gradins est souvent une solution facile à gérer.


Choix de la régulation du débit d’air neuf

Quel que soit le système de climatisation choisi, une modulation de l’apport d’air neuf devra y être intégrée.

On peut évidemment y adapter une gestion par horloge.

Cependant, lorsque l’horaire d’occupation est aléatoire et que le taux d’occupation est variable (une même salle peut être occupée par 20 ou 200 personnes), on peut envisager une gestion tenant compte du nombre d’occupants.

Dans ce cas, la sonde CO2 est la plus fiable. Elle reflète mieux la présence effective de personnes dans un local puisqu’elle est directement proportionnelle à leur respiration. Mais elle est chère (minimum 750 €). Sa rentabilité n’est donc possible que pour la gestion d’un débit nécessaire important et relativement aléatoire.

Sonde COV et sonde CO2.

Dans certains cas particuliers, on pourrait éventuellement envisager l’utilisation d’une sonde COV, sensible aux odeurs les plus diverses, et donc à la fumée de cigarette. La sonde COV (Composés Organiques Volatiles), encore appelée sonde de qualité d’air, n’est pas trop chère (+/- 225 €). Elle semble cependant difficile à paramétrer au départ (quelle valeur de consigne faut-il lui donner ?) et capricieuse dans le temps. Elle nécessite donc un étalonnage régulier et une bonne information de l’exploitant sur son principe de fonctionnement. Elle est généralement choisie pour le réglage du taux d’air neuf dans les locaux avec présence de fumeurs (la sonde CO2 détecte très mal l’odeur de cigarettes…). La sonde devra être entretenue (nettoyage et étalonnage périodique). Si cette maintenance est peu probable, ou si l’ambiance se révèle être trop chargée en poussières, on préférera une régulation à deux vitesses basée sur le dépassement d’un seuil critique, plutôt qu’une régulation analogique réglée sur le signal 0-10 V de la sonde.

Sonde COV ou sonde CO?

La comparaison des utilisations entre sonde COV et sonde CO2 apparaît clairement par l’expérience menée par le COSTIC en France :

Correspondance entre la mesure d’une sonde COV et la mesure d’une sonde CO2 dans un bureau de 32 m³, sans ventilation :

  • Phase 1 : une seule personne est présente dans le bureau durant 1 heure. Deux cigarettes sont fumées successivement, après 15 et 45 minutes.
  • Phase 2 : après ventilation de la pièce, six personnes sont introduites dans le bureau durant 10 minutes et il leur est interdit de fumer.

On observe très nettement la sensibilité de la sonde COV à la fumée de cigarette lors de la première phase. Par contre, la forte occupation de la phase 2 est mieux mise en évidence par la sonde CO2.

En conclusion, les sondes de qualité d’air, sensibles à la fumée de cigarette et aux composés organiques odorants, sont adaptées aux salles de réunion pour fumeurs, aux restaurants, … . Les sondes CO2, uniquement sensibles à la présence du dioxyde de carbone sont plus adaptées aux locaux dans lesquels la cause de la pollution est celle provoquée par l’occupation : salles de conférence, amphithéâtres, …

Études de cas 

La régulation de la ventilation d’une salle de conférence par sonde CO2.

Conditionnement d’air d’un immeuble de bureaux

Conditionnement d'air d'un immeuble de bureaux


Solution 1 : réseau « tout air neuf » à un conduit, à débit d’air constant

Le principe de base d’une installation « tout air » est double : fournir aux occupants de l’air neuf hygiénique et assurer le traitement thermique des locaux. L’air est donc préparé en centrale et distribué dans les différents locaux.

Schéma principe réseau "tout air neuf" à un conduit, à débit d'air constant - 01.

Un tel système est bien adapté au traitement d’une grande salle unique (salle de réunion, salle de conférence, …) mais s’adapte mal à un ensemble de bureaux dont les charges thermiques et les occupations peuvent être très différentes, notamment parce qu’ils seraient sur des façades d’orientations différentes.

A priori, ce n’est donc pas une bonne solution pour des immeubles de bureaux présentant beaucoup de locaux distincts.

De plus, l’encombrement apporté par les gaines est fort important.

1ère amélioration

Pour réduire l’encombrement, on peut réaliser des variantes à « haute pression » : on réduit les sections, on augmente la vitesse, la pression délivrée par le ventilateur augmente, … le bruit aussi ! L’insertion d’un caisson absorbeur acoustique s’impose.

Schéma principe réseau "tout air neuf" à un conduit, à débit d'air constant - 02.

Mais la consommation relative à l’énergie motrice (ventilateur) déjà élevée, en est encore augmentée puisque le débit d’air est véhiculé avec des pertes de charge accrues.

De plus, un problème majeur subsiste : dans les solutions ci-dessus, c’est toujours de l’air neuf qui est traité et pulsé dans les locaux. Une consommation énergétique importante en résulte !

2ème amélioration

Le recyclage d’air vicié est requis afin d’éviter le gaspillage d’énergie qu’entraîneraient le chauffage et le refroidissement de la totalité de l’air neuf mis en œuvre.

Schéma principe réseau "tout air neuf" à un conduit, à débit d'air constant - 03.

Cette solution est plus économe mais elle entraîne l’inconvénient de mélanger et redistribuer de l’air extrait de locaux différents… Pour des raisons hygiéniques, elle sera exclue en milieu hospitalier par exemple. Dans les immeubles de bureaux, certains disent que le recyclage est à l’origine du « sick building syndrom », c’est-à-dire, en bref, de la propagation du rhume de la secrétaire à l’ensemble du personnel !

Ce qui est certain, c’est que si une telle installation est choisie, elle devra faire l’objet d’un entretien régulier et d’une attention toute particulière au niveau du système d’humidification et de filtration. Si la filtration est de qualité, on pourra bénéficier au contraire d’un air plus pur que celui d’un bâtiment traditionnel, sans conditionnement d’air.


Solution 2 : réseau « tout air  » à un conduit, avec traitement terminal

Pour mieux réguler l’installation en fonction des besoins, une solution consiste à partir d’une installation monogaine (air globalement prétraité en centrale) sur laquelle des batteries finales ajustent la température de pulsion requise par zone ou par local individuellement. Mais si les besoins des bureaux ne sont pas globalement homogènes, on risque de « détruire de l’énergie » (par exemple, préparer de l’air froid en centrale, air qui sera ensuite réchauffé dans le caisson terminal…).

Shéma principe réseau "tout air " à un conduit, avec traitement terminal - 01.

Le recyclage entraîne un mélange de l’air provenant de différentes ambiances …

Pour l’éviter une autre solution est envisageable : l’air de chaque local peut être partiellement recyclé à l’entrée du caisson terminal.

Shéma principe réseau "tout air " à un conduit, avec traitement terminal - 02.

Mais ce n’est pas très performant.

Par exemple, imaginons la situation en été : de l’air est préparé à 16°C en centrale, il est mélangé à l’air du local à 24°. Une température moyenne résultante de 22°C en résulte, par exemple. La batterie de froid sera moins bien exploitée que si elle avait été mise directement en contact avec l’air à 24°C. Autrement dit, la batterie de froid devra être surdimensionnée légèrement. Autant séparer les fonctions : l’air du local est traité dans le caisson et de l’air neuf est apporté séparément au local. C’est finalement ce que réalise l’installation par ventilo-convecteurs de la famille « air + eau ».

Pour plus de détails, on peut consulter les installations « tout air » à débit constant monogaine.


Solution 3 : réseau « tout air  » à deux conduits

Pour assurer le traitement individuel, on peut également préparer et distribuer l’air via deux réseaux parallèles : un réseau d’air chaud et un réseau d’air froid (système à débit constant double gaine, ou « Dual Duct »). Chaque local (ou zone de locaux) sera alimenté via une boîte de mélange sous dépendance d’une sonde de température ambiante. Ce système est contraignant à plusieurs niveaux : financièrement (investissement), énergétiquement (risque de « détruire » de l’énergie à l’exploitation) et spatialement (encombrement dans les faux plafonds).

Schéma principe réseau "tout air " à deux conduits.

Ce type d’installation ne serait envisageable que si l’on peut regrouper les locaux en quelques zones homogènes, mais en pratique il ne s’installe plus aujourd’hui. On le rencontre encore dans des installations réalisées il y a une  vingtaine d’années.

Pour plus de détails, on peut consulter les installations « tout air », à débit constant, à double gaine.


Solution 4 : réseau « tout air  » à un conduit à débit variable

Reste des cas où l’installation « tout air » se justifie par la nécessité d’apporter beaucoup d’air aux locaux : un immeuble avec une large zone centrale, de larges plateaux intérieurs, de nombreuses salles de réunion, … Ce sont des zones à alimenter en air hygiénique et à refroidir toute l’année. C’est là que la climatisation par pulsion d’air froid se justifie le mieux, notamment parce que l’air froid sera distribué « gratuitement » durant une bonne part de l’année en utilisant l’air extérieur (free cooling).

Si l’on pressent que la présence des personnes sera fluctuante dans le temps, on pourra valoriser la technologie d’aujourd’hui qui adapte le débit d’air aux besoins : cette fois, la température de l’air est maintenue d’une manière uniforme toute l’année (par exemple 16°C) mais on fait varier le débit d’air introduit dans chaque local en fonction de ses besoins thermiques. Cet ajustement des débits est réalisé au moyen de boites terminales VAV (variable air volume) sous la dépendance des thermostats d’ambiance.

Schéma principe réseau "tout air " à un conduit à débit variable.

Les dimensions de la centrale de traitement d’air seront réduites par rapport à un système à débit d’air constant car on va profiter de la non-simultanéité des charges et des occupations des locaux qui se trouvent sur des façades différentes.

Mais des défauts résident :

  • dans la lourdeur technologique des équipements (clapet d’air, ventilateur à débit variable, …) et de leur régulation,
  • dans la mise au point de l’installation qui ne semble pas évidente
  • dans le coût d’investissement initial qui est élevé.
  • dans l’encombrement des conduits (comme tous les systèmes « tout air »),
  • dans le manque de souplesse pour répondre à des besoins variables à l’intérieur d’une même zone; la température de pulsion étant uniforme au sein d’une zone, si un local est à refroidir au sein d’une zone à chauffer… problème ! Or qui peut prévoir l’avenir de l’occupation des locaux ?

Cependant, si le système « tout air » est choisi pour la climatisation d’un immeuble de bureaux, le VAV est assurément la meilleure solution sur le plan énergétique, dans la mesure où le coût du transport est optimalisé (on ne transporte que le débit d’air nécessaire) et dans la mesure où la capacité de refroidissement de l’air extérieur est valorisée, tant en journée (free-cooling diurne en hiver et en mi-saison) que durant la nuit (free-cooling nocturne pour décharger le bâtiment durant la nuit en été). Les coûts d’exploitation seront donc réduits.

Le chiffre de 20 % d’économie thermique et électrique (ventilateur) est couramment cité, entre un VAV simple (sans réchauffage terminal) et un système unizone à débit constant.

Les locaux périphériques devront être équipés d’éléments chauffants pour assurer les besoins de chauffage durant les périodes froides de l’hiver : un réseau de radiateurs peut être prévu en façade ou des batteries de chauffe terminales peuvent compléter le réseau d’air.

Exemple d’une bonne application du VAV dans les bureaux

Si différentes salles de réunion sont prévues, l’architecte les disposera de telle façon qu’elles soient alimentées sur un même réseau de préparation d’air (par exemple une par étage, raccordée par une trémie verticale commune). L’ingénieur prévoira une climatisation à débit d’air variable, avec dans chaque local une bouche de pulsion commandée par détecteur de présence. Le ventilateur travaillera à vitesse variable en fonction de la demande réelle. Le groupe de préparation sera dimensionné avec un facteur de simultanéité (défini de commun accord avec le Maître d’Ouvrage) pour tenir compte du fait que toutes les salles ne seront pas occupées en même temps.

Pour plus de détails, on peut consulter :

Concevoir

Le choix du conditionnement d’air des « locaux intérieurs ».

Concevoir

Choisir une installation « tout air ».


Solution 5 : le ventilo-convecteur

Photo ventilo-convecteur.

Parmi la famille « air-eau », le ventilo-convecteur est sans aucun doute le système le plus fréquemment utilisé.

Des avantages incontestables

  • Une souplesse d’adaptation aux variations de la charge dans les locaux, puisqu’il permet une régulation local par local. Un arrêt de l’équipement est même possible localement, chose difficile à faire avec une installation par éjecto-convecteur ou plafonds froids, arrêt volontaire ou forcé (un contact d’ouverture de fenêtre peut imposer l’arrêt).
  • Une large gamme de puissance (par opposition aux systèmes par plafonds froids rayonnants qui sont limités à ce niveau).
  • Une bonne adaptation aux exigences actuelles en matière de découpage des zones périphériques des bâtiments à structure répétitive (un appareil par module de façade, par exemple). Mieux, rien n’empêche d’installer initialement un appareil pour deux modules et, moyennant les réservations nécessaires sur les collecteurs hydrauliques, de pouvoir ultérieurement greffer un échangeur supplémentaire si la puissance frigorifique augmente ou si une cloison est créée.
  • Un faible encombrement, permettant notamment aux appareils de prendre facilement la place des radiateurs en cas de rénovation du bâtiment.
  • Une possibilité de libérer le sol s’il est accroché au plafond ou intégré dans le faux plafond.
  • Un coût modéré à l’investissement, même si les exigences de qualité attendues en matière de régulation peuvent parfois faire augmenter les budgets.
  • Un coût modéré à l’exploitation, du moins s’il est comparé aux systèmes « tout air ». Il est toutefois battu sur ce plan par les installations par plafonds froids, par exemple, notamment suite aux fonctionnements des ventilateurs.
  • Une possibilité de valoriser la performance d’une chaudière à condensation en hiver puisque le réseau d’eau chaude peut fonctionner à très basse température.

Comme inconvénient, on notera :

  • L’impossibilité du ventilo-convecteur de contrôler le taux d’humidité de la pièce, mais ce n’est généralement pas un critère gênant pour un immeuble de bureaux puisqu’on peut réaliser cet objectif à partir de l’air hygiénique.
  • Le niveau de bruit qui est directement lié à la vitesse du ventilateur et à la surface du ou des batteries d’échange (il faut être très strict dans le niveau de bruit à imposer au cahier des charges).
  • La difficulté de réaliser une bonne intégration dans l’habillage et vis-à-vis de la grille de pulsion.
  • La difficulté d’assurer un confort thermique correct, notamment sans courants d’air dans la zone de travail,…
  • Les débits d’air hygiéniques sont constants et limités à 1 ou 2 renouvellements horaires du local. Il est donc impossible de réaliser du free cooling sur l’installation, c’est-à-dire de profiter de l’air frais et gratuit extérieur.

Solution 6 : le plafond rafraîchissant

Photo plafond rafraîchissant.

De l’eau froide circule dans des conduites fixées sur le faux plafond métallique du local.

Schéma principe plafond rafraîchissant.

Des avantages appréciés

  • Le confort est meilleur que dans les systèmes traditionnels (par ventilo-convecteurs par exemple) :
    1. Parce que l’apport de froid par rayonnement est plus stable (inerte) et mieux réparti spatialement que l’apport de froid par air. L’impression d’avoir « la tête au frais » est agréable.
    2. Par la diminution des courants d’air froid et des déplacements de poussières dans les locaux, puisque le débit d’air est limité au débit hygiénique. À noter que ce débit d’air neuf est souvent augmenté (doublé) pour pouvoir contrôler l’humidité en période estivale. Ce qui exige un soin tout particulier dans la façon de distribuer l’air.
    3. Par l’absence de bruit : fonctionnement statique, sauf débit hygiénique.
  • La préparation d’eau glacée à une température « élevée » de 15°C environ permet la sélection d’une machine frigorifique avec un excellent coefficient d’efficacité frigorifique (ou « COP frigorifique »). Cette propriété n’est effective que si une machine frigorifique est spécifiquement prévue pour l’alimentation en eau froide des plafonds. Elle est en partie perdue si la même machine frigorifique est utilisée pour préparer l’air neuf déshumidifié …
  • Cette température élevée permet d’imaginer, durant une bonne partie de l’année, un refroidissement direct de l’eau glacée soit dans un aéro-refroisseur, soit dans une tour de refroidissement en toiture, en by-passant ainsi la machine frigorifique. Cette technique est généralement appelée « free-chilling« . La consommation liée au froid se résume à l’alimentation des pompes de circulation ! La présence d’une source d’eau froide naturelle peut également être mise à profit (rivière, lac, …).
  • Le confort apporté par le rayonnement froid au dessus des occupants permet une augmentation de 2°C de la consigne de température ambiante des systèmes traditionnels (température max = 26°C ou 27°C, au lieu des 24 ou 25°C habituels pour des ventilos ou des poutres froides, par exemple). Il s’en suit une légère réduction de la puissance frigorifique nécessaire (entre 4 et 10 %) mais surtout une augmentation des capacités de travailler en free cooling nocturne puisque l’on peut davantage profiter de l’effet « tampon » du local qui peut démarrer sa journée à 21° et la terminer à 27°C.
  • Les coûts d’exploitation énergétiques sont plus faibles que dans le cas des systèmes traditionnels (ventilo-convecteurs par exemple). Une étude de cas réalisée par Tractebel Development Engineering précise ce facteur. On épargne la consommation des ventilateurs des ventilo-convecteurs, mais on augmente un peu la consommation des pompes de distribution de l’eau puisque qu’un delta T° aller-retour de 2 à 3 K est réalisé contre 5 à 6 K pour les ventilos.
  • La régulation est en partie auto-adaptative : une augmentation des charges du local provoque une augmentation de sa température et donc une augmentation de la puissance de refroidissement.
  • L’entretien est réduit.
  • L’encombrement au sol est nul, ce qui peut être également le cas avec des ventilos-convecteurs en plafond, mais ils génèrent alors nettement plus d’inconfort lié à la pulsion d’air.
  • Le traitement des zones internes par ce système est moins encombrant que par ventilo-convecteurs.

Des inconvénients qui peuvent limiter l’application des plafonds froids :

  • La puissance frigorifique reste très limitée par rapport aux systèmes à ventilo-convecteurs : de l’ordre de 90 W/m² de plafond actif. Si ce système doit vaincre des apports internes importants (bureautique, éclairage, occupants), la réserve disponible pour les apports solaires n’est que de l’ordre de 25 W/m². Ceci sous-entend que les apports solaires des vitrages soient limités :
    • soit par la conception du bâtiment créant des ombres portées,
    • soit par la mise en place de protections solaires extérieures,
    • soit par le placement de stores intérieurs clairs combinés à des vitrages performants,
    • soit par la configuration des lieux (bureaux paysagers, salles profondes).
  • Le coût d’installation est plus élevé que le système des ventilo-convecteurs, surtout en rapport à la puissance frigorifique fournie.
  • Ce coût est notamment lié à la régulation que l’on rend parfois assez sophistiquée pour éviter tout risque de condensation. Ce risque doit cependant être évalué à sa juste mesure.
  • Par rapport au ventilos, le chauffage en hiver reste à imaginer. Plusieurs solutions sont possibles :
    • soit un chauffage de l’air pulsé (mais les débits ne permettent de couvrir que peu de déperditions, le bâtiment doit donc être fort isolé au départ),
    • soit le chauffage par le plafond (mais inconfortable),
    • soit un chauffage par le plafond limité aux premiers panneaux situés en façade (plus confortable, mais limité en puissance),
    • soit un chauffage traditionnel par radiateur (solution généralement appliquée en rénovation puisque l’on peut récupérer l’installation existante).
  • Le système requiert une hauteur de faux plafond disponible, mais limitée (par exemple 160 mm). Les conduits d’air d’un diamètre de 150 mm (max) posent nettement moins de problèmes qu’avec un système « tout air ».
  • L’inconnue sur la tenue dans le temps de ce type de produit (problèmes hydrauliques, manque de performance dans les circuits mal éventés, …) diminue progressivement, l’expérience étant maintenant d’une bonne dizaine d’années. Ce risque peut être limité par un suivi de réalisation rigoureux.

Solution 7 : la poutre froide

Le complément aux plafonds froids…

Généralement, le plafond froid est perçu comme l’installation de grand confort. Mais la faible puissance spécifique est un frein majeur… Lors du dimensionnement, cela « coince » au niveau du local d’angle suite à l’ensoleillement sur 2 façades. C’est à ce moment que des poutres sont proposées en supplément du plafond, pour augmenter l’effet frigorifique (le fait que ces équipements travaillent à même régime de température d’eau est d’ailleurs un avantage).

… ou le système de refroidissement à part entière

Il est possible de prévoir le refroidissement complet du local uniquement par poutres froides, qu’elles soient statiques ou dynamiques

Des avantages

On retrouve beaucoup de qualités du plafond froid :

  • La préparation d’eau glacée à une température de 15°C environ qui permet la sélection d’une machine frigorifique avec un excellent coefficient d’efficacité frigorifique (ou « COP frigorifique »).
  • Durant une bonne partie de l’année, le refroidissement direct de l’eau glacée dans un aéro-refroidisseur ou dans une tour de refroidissement en toiture, en by-passant ainsi la machine frigorifique (« free-chilling« ).
  • L’encombrement au sol est nul !

Le prix est généralement très compétitif, surtout pour la poutre statique, bien sûr.

Des inconvénents

Le confort apporté par les poutres froides est objet à discussion

  • La poutre statique génère une « coulée » d’air froid très désagréable sur les personnes situées sous les poutres. Elle ne peut a priori se placer que dans les locaux de grande hauteur.
  • Par contre, la poutre dynamique semble plus confortable car elle induit un mélange avec l’air ambiant plus élevé et donc une température de l’air plus homogène.
  • Cependant, à l’intersection entre les flux d’air créés par deux poutres voisines parallèles, les deux flux d’air risquent de tomber sur la tête d’un utilisateur !

L’utilisation de poutres froides demande donc une plus grande vigilance que les plafonds froids en matière de vitesses d’air résiduelles et d’inconfort lié aux turbulences.

Il faut se rendre compte qu’avec une poutre dynamique on peut brasser jusqu’à 6 à 8 fois le volume d’air du local. Cela génère beaucoup de difficultés de distribution de l’air, amplifiées par la position de l’échangeur en plafond. Des astuces doivent être trouvées pour que l’air « coule » le long des parois avant de gagner le cœur du local. Mais on ne sait pas toujours quel sera le meuble placé le long de la paroi, ni si la paroi elle-même ne sera pas déplacée un jour…

De là, les solutions d’intégration au dos d’une armoire, sur le mur opposé à la fenêtre. C’est certainement une belle solution technique mais figée une fois pour toutes et donc peut-être démodée dans quelques années…?

En fait, la poutre dynamique développe la même configuration rigide que l’éjecto. C’est le débit d’air neuf qui va induire l’air du local et la puissance frigorifique lui sera liée. Pas de possibilité d’augmenter ultérieurement cette puissance comme on l’a avec les ventilos.

Puisque l’air neuf est le moteur du système dynamique, et que l’air neuf est indispensable au local, le système ne peut jamais être arrêté, ce qui est un inconvénient par rapport aux ventilos qui peuvent profiter d’une plage neutre.

Le taux d’air neuf varie entre 1 et 2,5 Volume/heure, ce qui génère des consommations supplémentaires de chauffage de l’air capté à la température extérieure en hiver.

Tout cela cadre mal avec la mobilité de plus en plus recherchée dans les bureaux actuels.


Solution 8 : la pompe à chaleur sur boucle d’eau

Schéma principe pompe à chaleur sur boucle d'eau.

Le principe consiste à placer une boucle d’eau dans l’ensemble du bâtiment. Cette eau évolue à une température de l’ordre de 30 à 35°C.

Dans chaque local, une machine frigorifique réversible est greffée sur le circuit.

Si le local demande du refroidissement, elle fonctionnera en machine frigorifique et l’eau évacuera la chaleur du condenseur. Si le local demande à être chauffé, la machine travaillera en pompe à chaleur et refroidira la boucle d’eau.

S’il y a égalité entre les locaux en demande de chaud et de froid, c’est parfait, la boucle d’eau effectuera le transfert entre locaux. S’il y a excès de chaleur à extraire des locaux, un échangeur en toiture refroidira l’eau de la boucle. Si au contraire, la majorité des locaux sont en demande de chaleur, une chaudière traditionnelle fournira le complément.

Ce système est évidemment avantageux lorsque l’on pressent des demandes très variables et opposées dans le bâtiment. Mais en pratique, ce cas ne se rencontre qu’une petite partie de l’année. Le reste du temps, la performance globale ne semble pas très élevée. L’investissement initial reste très élevé. Et le coût d’exploitation reste élevé en hiver suite à l’énergie thermique électrique.

Une part de la mauvaise performance est liée à cette température intermédiaire de la boucle : 35°C, c’est finalement une température élevée pour un condenseur à eau, alors qu’en hiver ou en mi-saison l’air extérieur permet des températures plus faibles.
En pratique, on rencontre ce type d’installation dans les galeries commerciales : la boucle d’eau et les installations extérieures sont disposées en base, et chaque commerçant installe son propre équipement. Il est facile de répartir les consommations entre locataires.

Pour un immeuble de bureaux à charge très variable, avec souhait de récupération d’énergie entre locaux, la climatisation par Débit de Réfrigérant Variable (variante avec 3 tubes) apportera très certainement une solution plus souple.

Choisir le mode de préparation de l’eau chaude sanitaire

Installation centralisée ou décentralisée ?

La centralisation possède des avantages certains, …

En effet, regrouper la préparation d’eau chaude dans une seule chaufferie permet :

  • Un coût d’installation inférieur à la somme des coûts des installations individuelles qu’elle remplace.
  • Un encombrement plus faible (voire une nuisance acoustique plus faible dans certains cas).
  • Une meilleure fiabilité et durée de vie.
  • Un coût de maintenance plus faible (un seul appareil de production, un seul conduit d’évacuation des gaz brûlés).
  • Un rendement de production souvent supérieur à ceux des appareils décentralisés, dans le cas des installations à combustible.
  • Une possibilité de valoriser l’effet de foisonnement des demandes (simultanéité des besoins), d’où des puissances et des volumes de stockage moindres.

Mais des désavantages également …

  • Un rendement de distribution médiocre, avec parfois l’obligation d’installer une boucle de recyclage, ou un traçage des conduites. Le rendement est fonction de l’isolation de la conduite, mais il dépasse rarement 70 % dans ce cas.
  • Une difficulté de répartir la consommation en fonction des usagers (placement de compteurs et relevé possible mais plus lourd à gérer), et donc tendance à un « laisser-aller » dans les consommations puisqu’on ne les paye qu’indirectement…
  • Un manque de souplesse dans l’adaptation aux besoins des différents utilisateurs.

Qui sont donc des avantages pour la décentralisation !

L’installation peut être décentralisée auprès de chaque unité fonctionnelle du bâtiment :

Exemple.

La salle de sports d’une école peut avoir son ballon accumulateur, tandis que la conciergerie et le réfectoire peuvent être équipés chacun de préparateurs à eau chaude gaz indépendants.

L’installation peut même être décentralisée au niveau d’un point de puisage :

Exemple.
L’évier tout au bout du couloir, où le personnel d’entretien puise 1 ou 2 seau par jour, sera utilement équipé d’un petit préparateur à accumulation électrique.

Et énergétiquement parlant ?

La centralisation a pour désavantage d’éloigner les points de puisage du point de production de l’eau chaude, et donc de créer des pertes par tuyauteries, soit parce l’eau chaude met beaucoup de temps à parvenir, soit parce qu’un réseau de distribution doit être créé ce qui génère également des pertes.

1ère synthèse

Calculs

Pour chiffrer la perte liée à l’eau chaude « bloquée » dans un tuyau lors de la fermeture du robinet, cliquez ici (page générale) !

Calculs

Pour calculer la perte énergétique annuelle d’une tuyauterie, cliquez ici (page générale) !

Le tableau ci-dessous, extrait d’une publication EDF, peut aider le choix :

Besoins Distance entre production et points de puisage Foisonnement
(simultanéité des besoins)
Solution
Importants faible bon centralisé
mauvais (1) centralisé
grande bon centralisé
mauvais (1) décentralisé
Faibles faible semi-centralisé (2)
grande décentralisé

(1) Le foisonnement est mauvais quand les appels maximaux sont, par nature, à peu près simultanés : hôtellerie, restauration, douches d’entreprises, …

(2) Un système semi-centralisé est caractérisé par le regroupement géographique de plusieurs postes : une production commune à plusieurs points de puisage rapprochés. C’est un compromis qui vise à la fois à limiter le nombre d’équipements de production d’ECS et à réduire la longueur du réseau.

Un exemple de comparaison des consommations

Une étude réalisée dans le cadre du programme Ravel (Suisse) compare 3 façons de préparer de l’eau chaude sanitaire pour 32 appartements répartis en 3 bâtiments :

  • un boiler électrique dans chaque appartement,
  • une préparation centralisée par bâtiment,
  • une préparation centralisée pour l’ensemble des 3 bâtiments.

Sur le plan énergétique, malgré la multiplicité des ballons (et donc des surfaces de déperditions), c’est la 1ère solution qui est la plus favorable (rendement total annuel de 79 %), et c’est la production centralisée et combinée au chauffage des bâtiments qui est la plus génératrice de pertes (55 %).

Mais sur le plan de l’énergie primaire consommée (en centrale), cette conclusion s’inverse suite au fait de l’énergie électrique. Cela veut dire aussi que la première solution restera la plus chère à l’exploitation. Rien n’est simple…!


Production indépendante ou combinée ?

Faut-il une préparation d’eau chaude indépendante ou combinée avec la chaudière qui assure le chauffage du bâtiment ?

Installation combinée

Une installation à double usage permet d’alléger le prix d’investissement, le poste « production de chaleur » étant commun au chauffage des locaux et à la production d’eau chaude sanitaire. Il est seulement parfois nécessaire d’augmenter légèrement la puissance installée pour le chauffage des locaux, si la puissance de l’eau chaude dépasse 25 % de la puissance du chauffage du bâtiment.

Circuit équipé d’une chaudière à condensation et d’une chaudière classique en appoint.

Mais il y a quelques inconvénients :

  • Le principal est que le système de production de chaleur doit rester en service en mi-saison et en été. À ce moment, le rendement est alors dégradé suite aux pertes à l’arrêt des chaudières, aux pertes du collecteur et au plus mauvais rendement de combustion des brûleurs qui fonctionnent souvent en cycles courts. Des rendements de production de l’eau chaude inférieurs à 50 % sont fréquents.
  • Par ailleurs, durant la saison de chauffe, la performance de la chaudière « basse température » sera dégradée par la nécessité de remonter périodiquement la température de sortie de l’eau chaude. S’il s’agit d’une chaudière à condensation, elle requiert de l’eau de retour à basse température. Or, si la production d’eau chaude sanitaire à 60°C lui est aussi demandée, elle devra, au moins à certains moments, travailler à plus haute température… et donc perdre un peu d’efficacité liée à la condensation (en fonction du type de chaudière et du régime de dimensionnement de l’échangeur).

Une solution peut consister à fractionner la puissance de chauffe et à installer une petite chaudière dont la puissance convient pour le chauffage de l’eau chaude sanitaire en été. Durant la saison de chauffe, cette chaudière peut-être connectée en parallèle sur le réseau de chauffage et dédicacée à la production d’eau chaude sanitaire en été. Elle peut ainsi être également utile pour les relances de chauffage de début de journée en mi-saison, évitant la mise en température de la chaudière principale.

Exemple théorique.

Comparons les pertes d’une installation combinée et d’une chaudière propre à la production d’eau chaude sanitaire.

Hypothèse : il s’agit d’une installation équipant un home pour personnes âgées. La consommation globale en eau chaude du bâtiment est estimée à 1000 m³ d’eau à 60°C par an. Le besoin énergétique pour chauffer cet eau est de :

1,16 [kWh/m³.°C] x 1000 [m³/an] x (60 [°C] – 10 [°C]) = 58 000 [kWh/an]

dont 38 400 [kWh/an] durant la saison de chauffe et 19 600 [kWh/an] en été.

Installation combinée : une chaudière de 650 kW moderne ayant un coefficient de perte à l’arrêt (à 70°C) de 0,3 % de la puissance chaudière. Cette chaudière reste en permanence à une température de 70°C, été comme hiver, pour produire l’eau chaude sanitaire. Elle alimente en permanence un collecteur de distribution de 20 m (DN 100). En été, son rendement de combustion baisse de 2 % suite à un fonctionnement par de nombreux cycles courts (la puissance de l’échangeur sanitaire étant nettement inférieure à la puissance de la chaudière). Il passe de 92% à 90%.

Installation séparée : une chaudière de 500 kW pour le chauffage et une chaudière de 150 kW pour la production d’eau chaude sanitaire. A 70°C, ces deux chaudières ont le même coefficient de perte à l’arrêt que la chaudière de 650 kW. La chaudière de chauffage est régulée en température glissante (température moyenne de 43°C) et arrêtée en été. Ses pertes à l’arrêt sont ainsi réduites à 0,1 %. La chaudière de 150 kW est, elle maintenue à 70°C toute l’année.

Pertes

Installation combinée
[kWh/an]

Installation séparée
[kWh/an]
Différence
[kWh/an]

En hiver (5 800 h/an)

Pertes de combustion 38 400 [kWh/an] x (1 – 0,92)
= 3 072 [kWh/an]
0 [kWh/an]
Pertes à l’arrêt de la chaudière « chauffage » 0,003 x 650 [kW] x 3 925 [h/an] / 0,92
= 8 320 [kWh/an] (*)
0,001 x 500 [kW] x 4 000 [h/an] / 0,92 = 2 174 [kWh/an] 6 146 [kWh/an]
Pertes à l’arrêt de la chaudière « eau chaude » 0,003 x 150 [kW] x 5 500 [h/an] / 0,92 = 2 055 [kWh/an] – 2 055 [kWh/an]
Pertes du collecteur « chauffage » 16,7 [W/m] x 20 [m] x 5 800 [h/an] / 0,92
= 2 106 [kWh/an]
7,7 [W/m] x 20 [m] x 5 800 [h/an] / 0,92 = 971 [kWh/an] 1 135 [kWh/an]
Pertes d’hiver 3 072 [kWh/an] + 8 320 [kWh/an] + 2 106 [kWh/an] = 13 498 [kWh/an] 3 072 [kWh/an] + 2 174 [kWh/an] + 2 055 [kWh/an] + 971 [kWh/an] = 8 272 [kWh/an] 5 226 [kWh/an]

En été (2 960 h/an)

Pertes de combustion 19 600 [kWh/an] x (1 – 0,90)
= 1 960 [kWh/an]
19 600 [kWh/an] x (1 – 0,92)
= 1 568 [kWh/an]
392 [kWh/an]
Pertes à l’arrêt de la chaudière « chauffage » 0,003 x 650 [kW] x 2 935 [h/an] / 0,90
= 6 359 [kWh/an]
6 359 [kWh/an]
Pertes à l’arrêt de la chaudière « eau chaude » 0,003 x 150 [kW] x 2 860 [h/an] / 0,92 = 1 399 [kWh/an] – 1 399 [kWh/an]
Pertes du collecteur « chauffage » 16,7 [W/m] x 20 [m] x 2 960 [h/an] / 0,90 = 1 098 [kWh/an] 1 098 [kWh/an]
Pertes d’été 1 960 [kWh/an] + 6 359 [kWh/an] + 1 098 [kWh/an] = 9 417 [kWh/an] 1 568 [kWh/an] + 1 399 [kWh/an] = 2 967 [kWh/an] 6 450 [kWh/an]

Sur l’année

Bilan global – pertes totales 22 915 [kWh/an] 11 239 [kWh/an] 11 676 [kWh/an] ou 1 168 [m³gaz/an]

L’installation d’une chaudière combinée entraînerait donc une surconsommation d’environ 1 200 m³ de gaz par an ou une dépense complémentaire d’environ 275 € par an.

(*) Justification des heures prises en compte :
La saison de chauffe dure 5 800 [h/an]. La chaudière de 650 kW tourne 1 800 h/an pour le chauffage et 100 h/an pour l’eau chaude sanitaire (75 en saison de chauffe et 25 en été). La chaudière reste donc chaude sans que son brûleur ne fonctionne durant 3 925 h/an. La chaudière de 500 kW tourne 1 800 h/an pour le chauffage et est en attente chaude 4 000 h/an. La chaudière de 150 kW tourne 400 h/an (dont 100 h en été).

Concevoir

Pour plus d’informations sur le choix des systèmes de chauffage, cliquez ici !

Installation indépendante

Une préparation spécifique d’eau chaude permet de séparer les deux fonctions (chauffage des locaux et chauffage de l’eau) lorsque les profils de demande sont trop différents. On requiert par exemple à un ballon accumulateur électrique, à un accumulateur au gaz, à un préparateur instantané gaz, …

Cela permet de concevoir et de dimensionner au mieux chaque installation, sans réaliser de compromis … où l’énergie se trouve souvent mal valorisée.

Avec l’arrivée des critères anti-légionelles, la demande de haute température pour la production de l’eau chaude sanitaire apparaît contraire à l’évolution basse température que vit le monde du chauffage.

Cette séparation permet également l’usage de 2 énergies différentes (gaz et électricité, par exemple).

Ballon mixte  ?

On pourrait aussi prévoir un système mixte avec un serpentin d’eau chaude pour l’hiver et une résistance électrique pour l’été.

Schéma explicatif sur le ballon mixte.

  1. Thermomètre.
  2. Tube plongeur pour sonde de thermostat.
  3. Anode en magnésium.
  4. Tube de retour de circulation.
  5. Cuve (acier galvanisé, cuivre ou acier).
  6. Thermovitrification / émail / plastique.
  7. Capot de recouvrement.
  8. Thermostat de réglage et de sécurité.
  9. Corps de chauffe électrique.
  10. Prise d’eau froide.
  11. Brise-jet.
  12. Tube plongeur pour sonde de thermostat.
  13. Pieds réglables.
  14. Calorifuge (laine minérale, polyuréthane sans CFC).
  15. Retour chauffage.
  16. Serpentin.
  17. Aller chauffage.
  18. Prise d’eau chaude.

Reprenons le bilan de l’exemple précédent :

Exemple théorique (suite) :

Installation combinée
[kWh/an]

Ballon mixte

En été (2 960 h/an)

Besoin pour le chauffage de l’eau 19 600 [kWh/an] 19 600 [kWh/an]
Pertes d’été 9 417 [kWh/an]
Consommation 19 600 [kWh/an] + 9 417 [kWh/an] = 29 017 [kWh/an] 19 600 [kWh/an]
Prix du kWh 0,023 [€/kWh] 0,044 [€/kWh nuit]
Facture 29 017 [kWh/an] x 0,023 [€/kWh] = 667 [€/an] 19 600 [kWh/an] x 0,044 [€/kWh nuit] = 862 [€/an]

(On ne considère pas les pertes des ballons qui resteront constantes quel que soit le système).

Le bilan est donc plutôt en défaveur de la solution mixte, du fait du coût de l’électricité. Le bilan est également défavorable à la solution mixte si on l’établit en tenant compte de la consommation en énergie primaire puisque le rendement actuel de production de l’électricté est d’environ 38 %.

Chaque cas est cependant un cas particulier.

Le bilan doit donc être fait au cas par cas en fonction de la demande. Il sera notamment fonction du fait que le ballon mixte puisse couvrir l’ensemble des besoins de la journée ou non (le coût du kWh électrique de jour est double de celui de nuit).

En rénovation, tout dépend également des performances de la production combinée existante. Par exemple, l’association CEDICOL a réalisé une mesure sur site (source : magazine « L’entreprise », mars 90) dont il ressort un rendement saisonnier annuel de production d’eau chaude de 71 % et un rendement d’été de 49 % :

La production de cette installation domestique est, en été, de 186 litres d’eau chaude par jour.

L’installation comprend une chaudière au fuel de 27 kW alimentant un ballon de stockage de 160 litres. La chaudière est régulée en température glissante avec une priorité sanitaire. Cela signifie qu’entre deux demandes du ballon, la chaudière redescend en température.

Durant l’été 88, la chaudière a consommé 189 litres de fuel (soit 1 880 kWh) pour produire 24 180 litres d’eau chaude (soit 939 kWh). Le rendement de production en été est donc de 939 / 1 880 kWh = 49 %.

Pour l’ensemble de l’année, le système produit 42 150 litres d’eau chaude avec un rendement saisonnier de 71 %.

Séparer la production d’eau chaude en été, et produire cette dernière au moyen de l’électricité permettrait de gagner :

1 880 [kWh] x (1 – 49 % / 93 %) = 890 [kWh]

Le gain financier est de :

  • Facture d’été en production combinée : 189 [litres] x 0,2116 [€/litres] = 40 [€]
  • Facture d’été en production séparée : 990 [kWh] x 0,044 [€/kWh] = 44 [€]
  • Perte : 4 [€/an]

On se trouve dans la situation la plus favorable de production combinée, avec une chaudière fonctionnant en température glissante. Dans le cas dune ancienne chaudière restant à température constante tout l’été (de 70°C, par exemple), il n’est pas rare d’avoir des rendements de production inférieurs à 20 % en été !

Dans ce cas, le bilan serait alors le suivant :

  • Consommation en fuel d’été : 1 880 [kWh] x 49 [%] / 20 [%] = 4 606 [kWh] ou 460 [litres fuel]
  • Gain énergétique : 4 606 [kWh] x (1 – 20 % / 93 %) = 3 616 [kWh]
  • Facture d’été en production combinée : 460 [litres] x 0,2116 [€/litres] = 97 [€]
  • Facture d’été en production séparée : 990 [kWh] x 0,044 [€/kWh] = 44 [€]
  • Gain : 53 [€/an]

En tout cas, si l’on prévoit de conserver le mode de production combinée l’été et que la demande peut être couverte facilement par une ou deux relances de la chaudière sur la journée, il sera utile de greffer une horloge sur la régulation pour imposer les plages horaires durant lesquelles le réchauffage du ballon est autorisé. Par exemple : de 5 à 7 heures du matin et de 16 à 18 heures en fin de journée. Ainsi, on évitera de remettre la chaudière en route suite au puisage d’un seau d’eau !

Attention aux installations avec boucle de distribution

La solution du ballon mixte est à éviter s’il existe une boucle de circulation mal isolée générant des pertes permanentes élevées : les retours « froids » de la boucle de circulation perturbent la stratification des températures dans le ballon et la température de fourniture de l’eau diminue.

Schéma du ballon mixte avec boucle de circulation mal isolée.

Les solutions ne sont guère performantes : soit le thermostat s’enclenche pour réchauffer le ballon, soit un réchauffage de boucle maintient la température à son niveau. Mais ceci génère un chauffage électrique de jour assez coûteux.

Les capteurs solaires sont aussi une solution pour l’été

Les capteurs solaires apportent également une solution « mixte », prenant le relais en période ensoleillée. Mais il faudra s’assurer que le système de chauffage dispose d’un mode « veille » très économe lorsque le soleil est actif.


Production instantanée ou à accumulation ?

Les besoins d’eau chaude varient dans le temps. Et le préparateur doit s’y adapter en permanence !

Imaginons deux situations extrêmes :

  1. Les vestiaires du club de foot de Frouchy-les-Bains-de-Pieds : 6 douches pouvant débiter 12 litres/min chacune, utilisées 3 fois par semaine après les matchs.Le chauffage instantané de l’eau demanderait une puissance de 175 kW !
    À titre de comparaison, le chauffage d’une habitation domestique demande 20 kW par – 10°C extérieur…Solution : la petite chaudière du local produira et accumulera de l’eau chaude durant les 6 à 8 heures qui précèdent les matchs… et le réservoir sera vidé dans l’heure qui suivra le coup de sifflet de l’arbitre.
  2. L’hôpital de 1 200 lits, avec restauration et buanderie incorporée : il y a toujours un robinet d’eau chaude ouvert quelque part !Les besoins sont permanents et le système de préparation doit y répondre en temps réel, avec une modulation de la puissance en fonction des moments de la journée. Stocker les besoins journaliers d’eau chaude est inimaginable…Solution : un échangeur (à plaques ou tubulaires) rapide, raccordé à la chaudière, produisant instantanément l’eau chaude en fonction du besoin.

En réalité, la solution idéale est toujours en équilibre entre ces deux extrêmes  :

  • Dans les vestiaires, la chaudière peut déjà recharger le ballon pendant le puisage des douches, pour les cas où deux matchs se suivraient la même après-midi. On parle de semi-accumulation.
  • Dans l’hôpital, un réservoir d’appoint permet de mieux fournir l’important débit de pointe demandé au matin. On parle de semi-instantané.

En fait, « semi-accumulation », « semi-instantané », c’est la même chose : un juste équilibre à trouver dans le dimensionnement du préparateur entre ces 2 modes de production. Et une même méthode de dimensionnement.

La préparation instantanée « pure »

On distingue essentiellement le préparateur instantané gaz et l’échangeur instantané à plaques.

préparateur instantané gazéchangeur instantané à plaques

Les avantages d’une préparation instantanée sont liés à l’absence de stockage :

  • Le faible encombrement
    C’est un argument-clef si la place disponible est particulièrement réduite.
  • La faible charge au sol
    C’est un argument si la chaudière est prévue sous toiture.
  • L’absence de pertes par stockage
    Cet argument tend à devenir négligeable, vu l’isolation poussée des ballons récents.
  • La bonne performance hygiénique
    L’eau chaude ne stagnant pas dans le préparateur, les risques de propagation de la légionelle sont réduits.
  • Le faible coût d’investissement
    Cette technique est relativement peu onéreuse à installer.

Mais les inconvénients du préparateur instantané sont aussi nombreux :

  • la fluctuation de la température de l’eau au niveau de l’utilisateur
    Malgré une régulation fine (PID) (à prévoir absolument), on reste limité par le temps de réponse des éléments mécaniques de l’installation qui rend les fluctuations inévitables. Il est déconseillé d’utiliser ce type de système dans un bâtiment ayant un profil de puisage discontinu.

  • Le rendement de production dégradé de la chaudière
    Avec une chaudière combinée chauffage-ECS, il est indispensable de maintenir la chaudière en permanence à température élevée (min 70°C) pour garantir un temps de réponse minimum lorsqu’une demande apparaît. Ceci interdit une régulation en température glissante des chaudières et n’est donc pas optimum énergétiquement, principalement avec les anciennes chaudières ou même avec des chaudières gaz atmosphériques récentes dont les pertes à l’arrêt sont importantes.
  • Le fonctionnement du brûleur en cycles courts
    Étant donné l’absence de réservoir tampon, chaque puisage va entraîner la mise en route de l’installation pour des temps très courts. Les temps de fonctionnement du brûleur seront donc brefs, ce qui est défavorable pour le rendement de combustion et la pollution atmosphérique.
  • La puissance élevée du générateur
    La production instantanée demande généralement une puissance de générateur très importante. Dans le cas d’une production d’ECS combinée au chauffage, il peut être nécessaire de surdimensionner la chaudière uniquement pour l’ECS.
  • La puissance des circulateurs
    La perte de charge des échangeurs instantanés demande des pompes plus puissantes dont la consommation électrique n’est pas à négliger.
  • La fragilité de certains équipements
    Les préparateurs instantanés au gaz sont fortement soumis à l’entartrage et sont sujets à percer parfois rapidement. Cet effet est renforcé dans les chaudières murales où la compacité entraîne également l’utilisation d’un matériel plus léger que les chaudières au sol, ce qui limite la durée de vie.

La préparation en accumulation « pure »

Le ballon de stockage est un tampon permettant de dissocier le rythme de la production des variations brusques de la demande. Il lisse les pointes et réduit le coût de la puissance. Il permet parfois d’utiliser de l’énergie moins chère la nuit (accumulateur électrique).

Généralement, le principe de l’accumulation offre la possibilité de changer plus facilement le vecteur énergétique (gaz, fuel, bois, …) de l’unité de production de chaleur, et même d’intégrer une production solaire ou par pompe à chaleur.

Mais par contre, il nécessite un investissement supplémentaire, en euros (son propre coût) et en m² (son encombrement). Il génère également une perte d’énergie par les parois.

Ce mode de production sera logiquement d’application :

  • Si la source d’énergie est électrique
    Il est alors presque inimaginable de recourir à un système instantané, vu l’importance de la puissance nécessaire (un préparateur 12 litres/minute requiert une puissance de 24 kW, soit une ligne de 100 A environ !). Un système par stockage s’impose pratiquement. Cela permet d’ailleurs de valoriser le courant de nuit, moins onéreux.
  • Si les consommations présentent des pointes très importantes
    En effet, une masse d’eau chaude est immédiatement disponible, sans devoir développer une puissance considérable.

La préparation semi-instantanée ou en semi-accumulation

La production d’ECS en semi-accumulation ou en semi-instantanée (échangeur + ballon de stockage) est la plus appropriée au mode de consommation d’ECS dans la plupart des applications tertiaires.
Elle combine les avantages des deux systèmes :

  • Le confort
    Grâce au ballon d’eau chaude, les temps de réponse sont courts et les fluctuations de température réduites.
  • L’encombrement
    L’encombrement est plus réduit qu’en accumulation pure.
  • La puissance
    La puissance de production à installer est plus réduite qu’en instantané pur.
  • Le rendement de production
    Avec une chaudière combinée chauffage-ECS, le fonctionnement en température glissante ne pose pas de problème, la chaudière pouvant fonctionner en basse température pour le chauffage des locaux et rehausser sa température de consigne lorsqu’il y a demande du ballon d’ECS.

Le schéma ci-dessous paraît être le bon compromis assurant la production à la demande, et donc en limitant les pertes de stockage, tout en ayant un ballon stabilisateur de température au démarrage d’une demande de pointe.

Concevoir

Pour plus d’informations sur le choix des ballons de stockage, cliquez ici !

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Pour plus d’informations sur le choix des préparateurs instantanés au gaz, cliquez ici !

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Pour plus d’informations sur le choix des échangeurs à plaques, cliquez ici !
Pour info, les ingénieurs Français distinguent :

  • les préparateurs semi-instantanés comme ceux dont la capacité d’accumulation est calculée pour vaincre les besoins en ECS de l’heure de pointe, mais ne pouvant absorber les pointes de 10 minutes sans surdimensionner l’échangeur,
  • des préparateurs à semi-accumulation dont le volume de stockage est capable d’absorber les pointes de 10 minutes, avec une puissance de génération limitée aux besoins horaires.

Production combinée et chaudière à condensation

Si le chauffage de l’eau sanitaire est assuré par une chaudière à condensation, il y a lieu d’adapter le réseau hydraulique pour valoriser sa performance. En pratique, il faut assurer le retour le plus froid vers la chaudière.

Or nous sommes en présence d’un paradoxe

  • L’eau sanitaire est très froide (10°C) à son arrivée. Elle devrait dès lors permettre de valoriser l’efficacité énergétique d’une chaudière à condensation.
  • L’eau chaude sanitaire doit être portée à haute température (généralement 60°C pour gérer le problème de la légionellose). Le circuit de chauffage monte donc environ à 75°C, et génère des retours à 65°C en fin de période de chauffage du ballon ! Par rapport aux circuits « basse température » dont nous sommes aujourd’hui coutumiers en chauffage, c’est donc un régime « haute température »… et cela supprime toute possibilité de condensation.

Deux solutions apparaissent :

1° – Il existe deux raccordements de retour à la chaudière à condensation. Le retour de l’eau chaude sanitaire peut être raccordé à l’entrée « haute température ». On a abandonné alors tout espoir de condenser avec le réseau d’eau chaude sanitaire. C’est adéquat lorsque les besoins d’eau chaude sont fort importants, voire permanents (hôpital, abattoir, …).

schéma de raccordements de retour à la chaudière à condensation.

2° – On décide au contraire de valoriser au maximum la condensation. Sachant que la température de retour doit être inférieure à 53°C, on décide de travailler avec un circuit d’eau de chauffage du ballon à la plus basse température de retour possible. Lors du dimensionnement de la puissance de l’échangeur de production d’eau chaude, un retour à 40 .. 45°C est choisi, par exemple via un régime 70° – 40° ou 90° – 45° au lieu d’un traditionnel régime 90° – 60°.

schéma de raccordements de retour à la chaudière à condensation.

Cette formule n’est quasiment possible qu’en présence d’un échangeur instantané. En effet, la température de retour de 40 .. 45°C ne pourra réellement être atteinte que lorsque la température de l’eau froide est de 10°C.

Lorsque l’échangeur instantané alimente une boucle de distribution et qu’aucun puisage n’est effectué, l’échangeur est alimenté par de l’eau à 55°C, ce qui rend impossible un retour d’eau de chauffage vers la chaudière à 40°C. En cas de puisage, il y a mélange entre l’eau froide de ville et l’eau chaude de la boucle. L’eau alimentant l’échangeur est donc à une température supérieure à 10°C. Cependant le débit de boucle étant en pratique réduit, la quantité d’eau froide appelée sera la plupart du temps suffisante pour que la température d’alimentation de l’échangeur soit assez basse pour permettre la condensation.

Techniques

Pour plus d’informations sur les circuits hydrauliques favorables à la condensation, cliquez ici !

Quelle régulation pour la production combinée ?

Il est recommandé d’avoir une régulation de la température de départ de chaudière basée sur le principe de la « priorité sanitaire » : la haute température ne soit être appliquée que lorsqu’il y a demande de production d’eau chaude sanitaire.

Imaginons un ballon réglé sur 60°C :

  • En temps normal, la chaudière est gérée par une régulation à température glissante.
  • Lorsqu’il y a demande d’eau chaude sanitaire (T°ballon = 57,5°C), la température de départ chaudière augmente et les vannes mélangeuses des différents circuits de chauffage peuvent se fermer quelque peu.
  • Dès la satisfaction du ballon (T°ballon = 62,5°C), la température de chaudière revient à la valeur calculée par le régulateur en fonction de la température extérieure.

Cette régulation sous-entend l’absence d’un préparateur instantané (échangeur à plaques) qui lui doit pouvoir réagir au quart de tour, et qui demandera une température de chaudière toujours élevée.

Elle montre aussi toute l’importance d’un surdimensionnement du serpentin installé dans le ballon :

T°chaudière = T°ballon + X°

X sera d’autant plus petit que la puissance de l’échangeur sera grande.

L’intérêt d’une telle régulation est d’autant plus important que la chaudière alimente le ballon d’eau chaude aussi en été. Dans ce cas, la régulation permettra d’arrêter totalement la chaudière (température retombant à 20°C) sauf durant les périodes de chauffage de l’eau sanitaire. Ces périodes seront définies par une horloge qui limitera la charge du ballon de stockage à un nombre limité de périodes de la journée. Cela permet d’éviter que la chaudière ne démarre pour des faibles puisages, avec pour conséquence :

  • un maintien quasi permanent de la chaudière à une température moyenne relativement élevée,
  • un fonctionnement du brûleur par cycles courts, synonyme de mauvaise combustion et d’émissions polluantes.

Remarque.
À noter que certains constructeurs proposent une régulation tout à fait optimisée :

  • Lorsque la température dans le ballon atteint 61 ou 62°C, la chaudière est déjà coupée. La circulation d’eau chaude est maintenue de telle sorte que le ballon monte à 62,5°C mais sans prolonger inutilement le maintien en température de la chaudière.
  • Certains ballons sont régulés via 2 sondes plongeuses : si le puisage est faible, la première sonde est froide mais la deuxième reste chaude. L’installation ne réagit pas, elle se base sur la température moyenne entre les 2 sondes. Si le puisage est important, des remous vont déstratifier la température dans la cuve, la deuxième sonde sera rapidement touchée par le flux d’eau froide : une réaction immédiate de l’installation de chauffage est programmée. Cette astuce permet de ne pas faire réagir trop vite la chaudière et d’attendre qu’un volume d’eau important soit à réchauffer, ce qui augmente la durée de la période de condensation.


Choix du vecteur énergétique

Rien n’est simple…

Poser la question du choix du combustible pour chauffer l’eau chaude sanitaire, c’est aussi parfois comparer des équipements qui ont des performances différentes … en fonction du combustible choisi !

Par exemple, si les besoins se résument à 10 seaux d’eau par semaine pour le nettoyage des locaux de bureaux, et que le gaz naturel n’est pas disponible, le fuel est un choix technologiquement impossible.

Mais procédons par étape pour dégager les lignes de force :

L’énergie solaire

  • couvre 40 à 50 % des besoins, sans générer ni CO2 ni autres polluants. Ceci n’étant vrai que lorsqu’ils sont utilisés pour un bâtiment donc les consommations sont simultanées et également fortes en été comme les piscines, les homes, hôpitaux, l’hôtellerie, les logements collectifs… Les écoles, fermées en juillet et aout sont, par exemple, peu compatible avec ce type de vecteur,
  • c’est un « combustible gratuit » mais qui coûte essentiellement par l’investissement initial dans l’installation, son prix ramené au kWh fourni dépasse légèrement le prix du gaz naturel. Cette source d’énergie est difficilement rentable en moins de 20 ans,
  • est mieux valorisé pour les bâtiments bas (rapport m² de toiture/consommation ECS plus favorable),
  • est source d’énergie instable qui doit être complétée par un autre combustible d’appoint,
  • est porteur d’image de marque car il témoigne que l’investisseur veut promouvoir un autre type de consommation,
  • pari sur l’avenir puisqu’on peut penser que les prix énergétiques ne feront qu’augmenter.
  • dans le cadre de la lutte contre les légionelles, le chauffage de l’eau sanitaire par l’énergie solaire présente des risques liés à l’inconstance de la température de chauffe. En considérant que la fourchette de température de 25 – 45°C est idéale pour le développement des bactéries, avec un système tel que le chauffage solaire, on risque de s’y retrouver régulièrement au cours de l’année; ce qui signifie que le chauffage solaire ne doit être utilisé que comme moyen de préchauffage.
  • l’installation doit plutôt être orientée plein sud,
  • le solaire thermique produit 40% d’énergie primaire en plus que le solaire photovoltaïque mais coute presque 3 fois plus cher au m²,
  • c’est un système encombrant qui prend la place d’éventuels panneaux solaire photovoltaïques souvent bien plus rentables à tous points de vue,

Le gaz naturel

  • sans conteste le combustible traditionnel qui présente le plus de qualités environnementales : absence de soufre, faible taux de CO2 par kWh produit, faible taux de NOx,
  • facile à distribuer dans le bâtiment (un préparateur peut être facilement rapproché des consommateurs par circulation d’une conduite gaz),
  • facile à réguler grâce à la souplesse de la flamme gaz, permettant de produire en instantané et avec une puissance modulée,
  • mais aussi, requérant un conduit d’évacuation de fumées, au minimum de type ventouse,
  • nécessitant une bonne sélection de l’équipement (limitant les pertes à l’arrêt et, si possible, valorisant l’énergie de condensation de la vapeur d’eau contenue dans les fumées),
  • non disponible sur tout le territoire,
  • d’un coût au kWh en moyenne plus élevé que celui du fuel, sauf en période de crise internationale.

Évolution des prix du fuel et du gaz depuis 1996. En moyenne, de 1996 à 2001, le gaz a été 8 % (tarif ND2) plus cher que le fuel (au tarif officiel). Si l’institution parvient à obtenir une ristourne de 5 % sur le prix officiel du fuel, cette différence serait de 13 %.

Le fuel

  • Combustible engendrant des émissions polluantes plus importantes au niveau de l’utilisateur final (taux de CO2 et taux de NOx plus élevés (pour les chaudières de plus de 70 kW) que pour le gaz, présence de soufre). Le risque de pollution au cours de son transport reste important (marée noire),
  • Le coût est l’argument de vente principal, même s’il peut subir de fortes fluctuations.
  • La combustion requiert des puissances minimales élevées, ce qui force une production combinée entre chauffage et sanitaire, … et crée des mauvais rendements en été.

L’électricité

  • Source d’énergie presque parfaite lors de son utilisation : propre, de rendement proche de 100 %, d’investissement faible dans l’équipement, avec comme seul défaut une puissance limitée qui oblige à prévoir des ballons accumulateurs d’eau chaude,
  • Mais source d’énergie chère qui provoque de plus la controverse par sa production !
Développons :

La qualité écologique des rejets

  • Soit l’électricité est produite par énergie nucléaire, les rejets en CO2 sont nuls mais les déchets nucléaires sont difficilement gérables.
  • Soit l’électricité est produite par un combustible traditionnel et les émissions en CO2, NOx, SO3, … sont en moyenne élevées (les fortes émissions des anciennes centrales au fuel ou au charbon ne sont que partiellement compensées par la qualité des centrales TGV qui valorisent le gaz).

L’efficacité énergétique de la production

  • De façon simplifiée, il faut brûler 3 kWh de combustible (dit « primaire ») pour obtenir 1 kWh électrique, les 2 autres kWh étant perdus en chaleur autour de la centrale. Chaque tasse de café au bureau génère 2 tasses d’eau chaude dans la Meuse à Tihange… L’électricité, fabuleuse pour l’éclairage, pour l’électronique,… ne peut se défendre pour produire de la chaleur.
  • Seule la pompe à chaleur (PAC) peut justifier sa place comme corps de chauffe, puisqu’elle replace le bilan au point de départ : 1 kWh électrique au compresseur génère 3 kWh de chaleur utilisable. Idéalement, la PAC pourrait refroidir l’eau de la Meuse et produire les 3 tasses de café !

Mais la haute température de l’eau chaude sanitaire handicape fortement cette application.

Non, je n’ai pas dit qu’il faut d’abord filtrer la Meuse pour améliorer le goût du café, cela n’a rien à voir !…

Conclusions

  • Si une chaleur régulière peut être récupérée dans le bâtiment, elle doit être étudiée en priorité (machine frigorifique, buanderie, process, …).
  • L’étude d’un préchauffage par énergie solaire doit être intégrée dans tout nouveau projet.
  • Le gaz est alors le vecteur le plus adéquat pour produire l’appoint du chauffage de l’eau chaude sanitaire.


Critères de l’efficacité énergétique

Une évaluation difficile

Ce rendement est difficile à évaluer. Beaucoup de facteurs interviennent et les hypothèses d’exploitation modifient fortement le regard.

Pour s’en convaincre, il suffit de prendre un exemple simple d’un ballon de préparation électrique de 200 litres :

  • performant… si le puisage est de 150 litres chaque jour,
  • catastrophique … si le ballon alimente 3 lavabos deux étages plus haut, avec des utilisateurs qui, en pratique, n’attendent pas que l’eau soit chaude pour se rincer les mains !

Rendement de production des préparateurs d’eau chaude

Le Recknagel fournit quelques valeurs :

Chauffe-eau électrique à accumulation Chauffe-eau électrique instantané Préparateur instantané gaz Chaudière murale gaz Chauffe-eau gaz à accumulation Chaudière double service
0,99 0,99 0,84 0,86 0,86 0,90

Rendement d’exploitation

Cette fois, c’est l’ensemble du système de production d’eau chaude qui est étudié. Les pertes par tuyauteries, les pertes de stockage du ballon, … interviennent dans le bilan.

Pour avoir une idée des performances des différents systèmes présents sur le marché, voici d’abord les chiffres de rendement saisonnier que propose le VITO dans le cadre d’un diagnostic d’une installation domestique (programme SAVE BELAS).

Rendement
exprimé en énergie locale

Rendement
exprimé en énergie primaire

épaisseur d’isolant du ballon éventuel 2,5 cm 5 cm 10 cm

2,5 cm

5 cm

10 cm

Ballon combiné à une chaudière
(1 enveloppe commune)
ancienne chaudière à T°constante 0,46 0,52 0,56 0,46 0,52 0,56
nouvelle chaudière à T°constante 0,61 0,69 0,74 0,61 0,69 0,74
nouvelle chaudière à T°glissante 0,69 0,78 0,83 0,69 0,78 0,83
Ballon combiné à une chaudière
(2 enveloppes distinctes)
ancienne chaudière à T°constante 0,41 0,48 0,54 0,41 0,48 0,54
nouvelle chaudière à T°constante 0,54 0,64 0,72 0,54 0,64 0,72
nouvelle chaudière à T°glissante 0,61 0,72 0,81 0,61 0,72 0,81
Instantané gaz
(combiné ou non avec le chauffage)
0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90
Accumulateur gaz 0,69 0,78 0,83 0,69 0,78 0,83
Accumulateur électrique 0,76 0,87 0,93 0,29 0,33 0,35

Les hypothèses de calcul sont les suivantes :

  • demande annuelle d’ECS : 43 litres/pers.jour à 40°C pour une famille de 4 personnes.
  • volume de stockage éventuel de 150 litres
  • rendement moyen de la production d’électricité en Belgique : 0,38

Voici également les valeurs proposées par le Recknagel :

Rendement
exprimé en énergie locale

Rendement
exprimé en énergie primaire

Ballon combiné à une chaudière
à fuel 0,45 0,45
à gaz 0,45 0,45
Echangeur à plaques combiné à une chaudière à fuel 0,60 0,60
à gaz 0,60 0,60
Ballon électrique à accumulation de nuit 0,70 0,27
instantané 0,95 0,37
Chauffe-eau à accumulation à fuel 0,50 0,50

Conclusion

Même si quelques imprécisions subsistent (le rendement du préparateur gaz instantané nous paraît fort élevé dans l’étude du VITO, de même que celui de l’accumulateur gaz), les systèmes à gaz instantanés sortent clairement du lot et sont donc à conseiller. Attention : ces conclusions sont tirées d’études sur des installations domestiques !

Pour comparer la performance des différents systèmes pour une application particulière, nous proposons un petit logiciel d’évaluation.

Calculs

Pour analyser le rendement global d’une installation particulière, cliquez ici !

Un préchauffage par capteurs solaires ?

Une technologie aujourd’hui maîtrisée

photo capteurs solaires.

Arrivé à un haut niveau de maturité technique, le solaire thermique est une solution de choix dans les défis énergétiques. Il est une substitution immédiate et directe à l’usage des combustibles fossiles. Pour les grandes installations, il permet de manière aisée une réduction de 20 à 50 % des besoins énergétiques pour la production d’eau chaude sanitaire. Il présente un intérêt d’autant plus élevé pour des applications tertiaires collectives où les consommations d’ECS sont élevées.  Cette technique montre de nombreux avantages :

  • Utilisation d’une énergie propre et disponible gratuitement : pas de rejet de CO2 ni d’autres gaz à effet de serre ;
  • Anticipation de la raréfaction voire de l’épuisement des gisements d’énergie fossile ;
  • Coût de fabrication peu onéreux : technique simple ;
  • Rendement élevé : technique efficace ;
  • Investissement sûr ;
  • Indépendance énergétique et non dépendance vis-à-vis de la fluctuation des prix de l’énergie ;
  • Durée de vie importante : environ 25 ans ;
  • Entretien léger ;
  • Augmentation de l’image verte d’un établissement, d’une société ;

Les besoins en ECS étant généralement répartis de manière presque constante au fil de l’année, le (pré)chauffage de l’eau chaude sanitaire est une application particulièrement adaptée au solaire thermique.

schéma corrélation entre consommation ecs et apport solaire.

Trois facteurs majeurs influencent directement l’efficacité et  la rentabilité d’une installation :

  • La consommation d’eau chaude : trop faible, inconstante ou concentrée sur les mois d’hiver, elle constitue souvent le facteur limitant de la productivité du système, d’où l’intérêt de la mesurer.
  • L’emplacement des capteurs : une orientation ou une inclinaison défavorables, un ombrage excessif diminuent l’efficacité, donc la rentabilité du système solaire.
  • La régulation solaire et la gestion de l’appoint : le principe de base consiste à assurer une température de retour vers les capteurs la plus basse possible, afin de récupérer le maximum d’énergie solaire.

Le chauffe-eau solaire mis en service en 2001 à la résidence Vieux-temps à Fléron est composé de 56 m² de capteurs à tubes sous vide et d’un volume de stockage solaire de 6 600 litres. L’énergie solaire couvre 47 % des besoins en eau chaude de l’établissement.

À l’évidence, l’impact visuel des capteurs est limité.

 > Plus d’infos sur le choixd’un préchauffage par capteur solaire

Les étapes de la réalisation d’un projet solaire thermique ont été balisées par le programme « Soltherm » de la Région Wallonne :

Études de cas Parcourir l’audit solaire établi pour :

– le home La Charmille à Gembloux !

– la piscine d’Herstal !

– la piscine de l’Hélios à Charleroi !


Récupérer l’énergie au condenseur de la machine frigorifique ?

La machine frigorifique évacue de la chaleur vers l’extérieur. Or la production d’eau chaude sanitaire demande une fourniture de chaleur, au contraire. L’idée de récupérer la chaleur de l’un au bénéfice de l’autre est attirante.

En pratique, pour le groupe frigorifique, chauffer l’eau sanitaire de 10 à 30°C est très efficace, effectivement. Par contre, chauffer l’eau de 30 à 60°C est difficile. Sous prétexte de récupération, la machine frigorifique finit par avoir un très mauvais rendement : le compresseur doit augmenter son taux de compression pour atteindre les hautes températures !

Cette technique est donc à privilégier pour les installations où la demande d’eau chaude sanitaire est très importante (hôtels, restaurants,…) et pour lesquels on assurera le préchauffage de l’eau sanitaire, sans perturber le cycle de la machine frigorifique. De l’ordre de 20 à 25 % de la puissance frigorifique peut être alors récupéré.

Schéma 1 : un échangeur thermique parcouru par le fluide frigorigène est inséré au bas d’un ballon d’eau chaude.

échangeur thermique

Par effet de cheminée, la chaleur sera donnée à la zone la plus froide du ballon puis communiquée à l’ensemble du réservoir.

L’échangeur est équipé d’une double paroi de sécurité, selon DIN 1988.

Schéma 2 : un ballon intermédiaire à double échange est intégré comme interface.

On peut également prévoir un système à double échange : deux échangeurs sont intégrés dans un même ballon (1). Le premier échangeur est celui du condenseur de la machine frigorifique, le deuxième est le serpentin de préchauffage de l’eau chaude sanitaire.

Schéma ballon intermédiaire à double échange

Un appoint en série est prévu (2).

Schéma 3 : en présence d’une boucle de distribution.

Le régulateur de température de départ de la boucle utilise l’appoint lorsque le niveau de température du ballon est insuffisant.

 Concevoir

Motivé ? Alors, découvrez plus de détails sur le fonctionnement côté machine frigorifique en cliquant ici !

Critère anti-légionelles

Toute zone « morte » de l’installation est une zone propice au développement de la légionelle. Ces bactéries adorent se développer dans une eau entre 35 et 45°C. Ce sont surtout les grandes installations qui sont les plus sensibles. Une étude du CSTC à mis en évidence que 40 % des grandes installations étaient contaminées : immeubles à appartements, piscines, homes, hôpitaux…

D’une manière générale, les principes à poursuivre pour combattre la légionelle sont les suivants :

  • éviter la stagnation (bras morts des réseaux),
  • forcer une T° > 55°C dans la boucle de circulation,
  • éliminer les zones tièdes au fond des ballons de stockage.

Voici les recommandations du CSTC :

  • « L’eau chaude doit être produite à une température de 60°C; on évitera qu’elle reste durablement dans le chauffe-eau à une température moindre.
  • L’eau doit être maintenue à 55°C au moins en tout point du réseau principal.
  • Dans un système de distribution avec recirculation, la température de retour ne peut jamais être inférieure à 55°C. Par ailleurs, la chute de température entre le point de départ et le point de retour à l’appareil de production d’eau chaude ne peut dépasser les 5°C : si l’eau quitte l’appareil de production à 60°C, la température de retour devra être de 55°C au moins.
  • Il est interdit de laisser stagner de l’eau chaude ou de l’eau froide : les branchements « morts » sur le réseau de distribution (y compris les vases d’expansion sanitaires, par exemple) sont donc « à risque ». Ils ne pourront dépasser 5 m et avoir un volume d’eau supérieur à 3 litres.
  • Les installations doivent être entretenues régulièrement; à cet effet, les appareils de production d’eau chaude seront dotés des ouvertures nécessaires. »

Source : CSTC magazine (hiver 2000).

À ce titre, les accumulateurs d’eau chaude sont-ils plus ou moins performants que les préparateurs instantanés ? Difficile à dire, … pour supprimer tout risque, il est recommandé une température de 60°C durant 30 minutes ou 70°C durant 4 minutes. Les préparateurs instantanés ne vérifient pas ces critères, mais avec ce système, il n’y a pas de stagnation, donc pas de développement possible (il faut un minimum de 2 jours de stagnation entre 25 et 45°C pour générer la prolifération bactérienne).

Ce qui est certain, c’est que la température de production est plus élevée qu’autrefois, que l’isolation thermique doit être renforcée et … qu’il faut investir dans des mitigeurs de qualité qui ne craignent pas trop le calcaire (risque de brûlure !).

Précisons enfin que la transmission de la légionelle se réalise par inhalation d’aérosols (gouttelettes de 1 à 5 microns) et par la contamination des poumons. On pourra donc être contaminé en prenant une douche mais pas en buvant un verre d’eau ! Ceci implique que la préparation à haute température est importante dans une piscine mais pas forcément dans une école.


Traitement de l’eau ?

Pour assurer la fiabilité des systèmes de douches (absence de dépôt dans les surfaces d’évaporation dont les pommeaux, de blocage des boutons poussoirs,…), il faut passer très souvent par la réduction de la teneur en carbonates de l’eau de distribution.

Techniques de traitement

Trois techniques de traitement de l’eau sont possibles :

  • Mettre en place un adoucisseur par résines échangeuses d’ions, avec rinçage de l’installation; ce procédé est d’une efficacité reconnue.
  • Traiter physiquement grâce à un champ magnétique; l’efficacité de ce type de solution est variable en fonction des conditions de fonctionnement de l’installation (comme par exemple la vitesse de l’eau traitée). On consultera les études du CSTC et du CSTB à ce sujet.
  • Dissoudre des cristaux de polycarbonates qui jouent le rôle d’inhibiteurs; cette solution s’applique pour des températures inférieures à 60°C.

Mesure de la dureté de l’eau

On commencera par analyser le TH de l’eau, Titre Hydrotimétrique, qui caractérise la dureté totale de l’eau dans la région du bâtiment à concevoir. Ce TH exprime la somme des ions Calcium Ca++ et Magnésium Mg++, responsables de la dureté de l’eau.

L’unité de mesure est le degré français °F. Ainsi, 1° F = 10 mg CaCO3/litre. L’échelle suivante permet de juger de la tendance de l’eau à déposer des sels :

eau très douce : < 7,5°F
douce : 7,5 à 15°F
assez dure : 15 à 20°F
dure : 20 à 30°F
très dure : > 30°F

La compagnie des eaux peut fournir cette valeur. Sinon, il existe des kits de mesure que les sociétés de maintenance utilisent et qui sont en vente chez les marchands d’adoucisseurs. Un pharmacien peut également faire cette mesure

Dimensionnement de l’installation

Partons d’une eau dont le TH est de 30°F (soit 0,3 kg de CaCO3/m³).

  1. On convient de limiter le TH à une valeur de 15°F, c.-à-d. de retirer 15°F/m³ d’eau à traiter. Il n’est pas nécessaire d’adoucir davantage : la consommation de sels augmenterait alors qu’un très léger dépôt de calcaire protège le réseau de tuyauteries de la corrosion par l’oxygène.
  2. On estime la consommation journalière. Par exemple : 3 000 m³/365 = 8,2 m³/jour. Il nous semble que le traitement de l’eau chaude est suffisant puisque c’est lors du chauffage de l’eau que le problème se pose. Le traitement de l’eau froide ne se justifie que pour une raison de confort.
  3. La capacité de traitement sera de 8,2 x 15 = 123 m³.°F/jour.
  4. Considérant le prix des appareils (un adoucisseur plus petit est moins cher), on peut raisonnablement choisir un appareil de capacité nominale de 250 m³.°F/jour par exemple.De cette manière, la saumure de régénération a au moins un jour pour se reconstituer. À ce sujet, il faut considérer une consommation annuelle de sel de l’ordre de 2 000 à 3 000 kg (0,6 à 1 kg/m³). Cela entraîne la nécessité de prévoir un bac à saumure suffisamment grand pour éviter une trop grande fréquence de manipulation.Il faut aussi prévoir une mise à l’égout (environ 10 litres d’eau évacuée/litre de résine à régénérer).
  5. Choisir un dispositif de régénération volumétrique, beaucoup plus économique qu’un programmateur horaire.

L’analyse comparative de « Test-Achats »

Les résultats de l’analyse comparative publiée dans Test-Achats de juin 2000 concernent bien entendu le secteur domestique. Les coûts de l’énergie sont également ceux en vigueur dans le domestique. Toutefois, il nous a semblé intéressant d’y faire écho ici parce que le secteur tertiaire à parfois des besoins en ECS très limités, comparables à ceux d’une habitation.

Les coûts annuels repris dans le tableau englobent le coût d’investissement dans l’appareil (amorti en 15 ans) et le coût d’exploitation. Hypothèse : consommation de 180 litres d’eau chaude/jour (5 à 6 personnes)

Coût annuel
(amortissement + exploitation)

Chaudière murale au gaz naturel
(tarif B, sans veilleuse)

189 €

Chaudière murale au gaz naturel
(tarif B, avec veilleuse)

189 €

Chauffe-bain au gaz naturel
(tarif B, sans veilleuse)

251 €

Chauffe-bain au gaz naturel
(tarif B, avec veilleuse)

269 €

Boiler électrique 200 l
(tarif exclusif nuit)

321 €

Boiler au gaz naturel 145 l
(tarif B)

339 €

Boiler sur chaudière à mazout 120 l

355 €

Boiler sur chaudière au gaz naturel 120 l

366 €

Boiler électrique 200 l
(tarif bihoraire)

387 €

Chauffe-bain au propane en réservoir

428 €

Boiler au propane en réservoir

587 €

Chauffe-bain au propane en bouteilles

615 €

Boiler électrique 150 l
(tarif jour).

729 €

Boiler au propane en bouteilles 145 l

849 €

Le préparateur instantané gaz se révèle le plus économique. Tandis que le préparateur au propane gagne a être remplacé !

Cadastre énergétique des bâtiments du CBTJ

Cadastre énergétique des bâtiments du CBTJ

https://www.kaleo-asbl.be/fr/

Le Centre belge du Tourisme des Jeunes (actuellement Kaleo) gère plus de 20 bâtiments en Ardenne. Elle souhaite établir le cadastre énergétique de son parc afin de mieux définir ses priorités en matière d’investissement.

Avec le soutien de l’Institut de Conseils et d’Études en Développement Durable, le classement suivant est établi. On y retrouve l’indice de qualité énergétique d’un bâtiment E et l’indice pondéré ECaPi. Mais aussi, pour compléter la lecture, des indices plus spécifiques ont été établis : la consommation en litres de mazout ramenés au nombre de nuitées, à la surface chauffée et au nombre de lits.

E ECaPi Cons/nuitée Cons/m² Cons/lit
Wanne 4,77 5,16 5,57 88,0 823,3
Han-sur-Lesse 3,80 2,93 2,52 30,0 237,6
Eupen 1 3,70 2,60 1,84 15,0 182,1
Ovifat 3,11 2,57 2,32 30,3 349,7
Hastière 3,48 2,45 2,26 18,2 264,3
Rochefort 3,31 1,94 3,27 68,9 321,9
Bruly 3,58 1,35 2,33 29,0 270,6
Basseilles 2,08 1,30 1,74 26,0 274,4
Mormont 2,81 1,19 0,74 8,8 92,5
Bastogne 2,80 1,19 1,52 16,9 193,4
Cornimont 2,80 0,99 1,93 25,4 245,3
Arbrefontaine 2,16 0,91 4,95 50,2 421,3
Stavelot 3,40 0,90 4,41 20,6 192,3
Daverdisse 2,86 0,83 1,85 19,6 215,1
Houdemont 2,09 0,74 2,94 33,5 329,7
Chassepierre 2,14 0,62 1,85 24,3 280,2
Lesse 2,62 0,53 1,67 26,5 212,5
Maboge 2,42 0,46 1,10 18,2 189,7
Werbomont 2,28 0,45 1,07 18,5 133,2
La Reid 2,69 0,32 1,42 16,8 176,1
Eupen 2 1,71 0,31 2,25 22,8 318,1
Moyenne 2,89 1,42 3,91 55,4 570,7

On remarquera un indice E de 4,77 à Wanne, alors que cette valeur est impossible. Pas plus que de consommer 88 W/m².

Deux pistes sont possibles : ou les données brutes fournies sont erronées,… ou une partie du mazout facturé ne va pas dans la citerne que l’on pense …

Brûleurs gaz

Brûleurs gaz

Les différentes technologies de brûleurs gaz sont revues selon un ordre chronologique :

  • Au départ, on trouve les brûleurs atmosphériques associés aux chaudières atmosphériques au gaz. À l’heure actuelle, on ne conçoit plus de nouvelles installations au départ de cette technologie. En effet, les autres types de brûleurs présentent des avantages majeurs par rapport aux brûleurs atmosphériques. Néanmoins, ceux-ci se rencontrent encore dans des installations existantes. C’est pourquoi ils seront traités ci-dessous.
  • Plus tard, les brûleurs à air pulsé ont fait leur apparition permettant d’obtenir de meilleures performances énergétiques, essentiellement grâce à un plus grand potentiel de modulation en puissance et un meilleur contrôle de l’excès d’air.
  • Ultérieurement, les brûleurs à pré-mélange avec ventilateur se sont développés. Ils permettent d’atteindre un plage de modulation plus large que les brûleurs à air pulsé, et ceci, dès les faibles puissances installées. En outre, ils sont moins chers que les brûleurs pulsés.
  • Néanmoins, pour les niveaux de puissance plus importants (Pn > 1-3 MW), il sera inévitablement nécessaire de travailler avec ces brûleurs à air pulsé  (technologiquement, il est difficile d’atteindre ces niveaux de puissance par des chaudières gaz à pré-mélange).
  • De manière générale, il faut aussi mentionner que le brûleur pulsé et la chaudière sont deux éléments qui peuvent être achetés indépendamment (à partir du moment où l’on respecte les règles de compatibilité entre les deux parties). Par contre, les chaudières atmosphériques et à pré-mélange sont essentiellement des chaudières de type « unit », c’est-à-dire un ensemble indissociable. Par conséquent, les brûleurs pulsés permettent de changer de combustible (gaz/mazout) tout en gardant la même chaudière : seul le brûleur doit être modifié.

Les brûleurs atmosphériques

Les brûleurs atmosphériques sont des brûleurs gaz dans lesquels l’alimentation en air ne se fait pas par un ventilateur. L’air est entraîné dans un venturi par le jet de gaz au niveau d’injecteurs.

Schéma principe brûleur atmosphérique.

Principe de fonctionnement d’un brûleur gaz atmosphérique.

Le rétrécissement dans le tube mélangeur augmente la vitesse du gaz (voir la chambre de mélange dans la figure ci-dessus). Cela crée une dépression qui aspire « naturellement » une partie de l’air comburant (appelée « air primaire ») et le mélange au gaz.

Le mélange airprimaire-gaz débouche au niveau d’une série de trous (circulaires, pentes, …) disposés sur une ou plusieurs rampes.

L’allumage du mélange se fait au moyen d’une veilleuse ou d’un système électrique (étincelle ou électrode incandescente). Le complément d’air nécessaire à la combustion (appelé « air secondaire ») est aspiré au niveau de la flamme par induction due à la force ascensionnelle (c’est-à-dire par convection naturelle).

Electrode incandescente d’allumage d’un brûleur atmosphérique.

Dans ce type de brûleur, le pourcentage d’air primaire varie de 40 à 50 %.

Toutes les parties du brûleur (injecteurs, tube de mélange, rampes, …) doivent être adaptées les unes aux autres pour permettre une combustion stable, sans décrochement et sans retour de flamme. C’est pourquoi les possibilités de réglage sur ce type de brûleur sont nulles.

Le gros avantage des chaudières équipées d’un brûleur atmosphérique (puissance jusqu’à 1 MW) est la simplicité du système. Les gros désavantages sont :

  • l’absence de fermeture automatique du foyer à l’arrêt du brûleur. Il en résulte des pertes à l’arrêt importantes pour les chaudières ;
  • l’excès d’air trop important provoquant un mauvais rendement de combustion ;
  • la manque de modulation (fonctionnement en « tout ou rien »)
  • une production importante de NOx.

Composants d’un brûleur gaz à air pulsé

Schéma composants d'un brûleur gaz à air pulsé.

Brûleur gaz à air pulsé

  1. Moteur.
  2. Boîte de contrôle.
  3. Transformateur.
  4. Pressostat mini air (brûleur 1 allure).
  5. Pressostat mini air (brûleur 2 allures).
  6. Electrodes.
  7. Moteur volet d’air.
  8. Electrovanne (2ème allure).
  9. Electrovanne de sécurité.
  10. Pressostat mini gaz.
  11. Electrovanne (1ère allure).
  12. Régulateur de pression.

Le brûleur gaz à air pulsé a pour fonction de fournir, dans des proportions correctes, l’air comburant et le gaz pour permettre une combustion efficace. Le gaz et l’air comburant sont mélangés au niveau de la tête de combustion, un peu en aval de la combustion. Il n’y donc pas véritablement de pré-mélange. L’alimentation en air est assurée par un ventilateur qui puise l’air ambiant de la chaufferie. L’alimentation en gaz est assurée par une électrovanne et des régulateurs de pression.

Principe de fonctionnement d’un brûleur gaz à air pulsé.


Composants d’un brûleur gaz à air pulsé : vannes gaz et réglage du débit

Le Champ magnétique créé par le bobinage sous tension attire le noyau mobile qui porte le clapet de fermeture.

Électrovanne hors tension (fermée).

Électrovanne sous tension (ouverte).

  1. Bobinage.
  2. Armature concentrant le champ magnétique.
  3. Noyau mobile.
  4. Clapet de fermeture.
  5. Siège du clapet.
  6. Corps de vanne.
  7. Ressort.
  8. Partie métallique non conductrice de champ magnétique.

La pression d’alimentation de gaz est constante, le réglage du débit nominal se fait, par étranglement, avant l’entrée dans la tête du brûleur :

  • soit par un « té » de réglage indépendant de la vanne gaz ;
  • soit par un boisseau incorporé à la vanne gaz ;
  • soit par un limitateur de déplacement du clapet de la vanne gaz.

Dans les brûleurs à deux allures, les électrovannes sont composées de deux bobinages et de deux noyaux mobiles.

Il existe également des vannes hydrauliques dont le clapet est manœuvré par un piston à huile. L’avantage de ce système est une ouverture plus progressive liée à la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide liée à la pression du ressort plus importante que pour les électrovannes. Un démarrage plus lent peut être obtenu au moyen de deux vannes magnétiques montées en parallèle. Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit le démarrage du brûleur si le clapet n’est pas correctement fermé.

La puissance du brûleur

La puissance « P » du brûleur dépend du débit « qgaz » de gaz. Celui-ci peut être mesuré au niveau du compteur gaz. En première approximation, en négligeant l’influence de la pression et de la température sur le débit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gaz distribué, on peut déterminer la puissance du brûleur par :

P [kW] = qgaz [m³/min] x 60 [min/h] x 10 [kWh/m³]


Composants d’un brûleur gaz à air pulsé : l’alimentation en air

L’air nécessaire à la combustion est amené dans le brûleur au moyen d’un ventilateur centrifuge. Ce ventilateur doit assurer le débit d’air nécessaire à la combustion en vainquant la résistance que rencontre l’air jusqu’à la flamme, la résistance que rencontrent la flamme et les fumées dans la chambre de combustion.

Le ventilateur tournant à vitesse constante, un registre d’air permet de régler le débit d’air nominal garantissant une combustion correcte (il faut 10 .. 13 m³ d’air pour brûler 1 m³ de gaz). Ce registre peut être installé à l’aspiration ou au refoulement du ventilateur. Dans le cas d’un brûleur pulsé une allure, la puissance est constante et égale à la puissance nominale. Le débit d’air nécessaire reste égal au au débit d’air nominal réglé par le clapet. Comme on ne doit pas changer de débit d’air, aucun dispositif supplémentaire n’est nécessaire pour modifier celui-ci.

Le réglage manuel du registre d’air d’un brûleur une allure se fait souvent au moyen d’un secteur gradué.

Pour limiter le balayage du foyer de la chaudière lorsque le brûleur est à l’arrêt et donc l’évacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la cheminée (ce que l’on appelle les pertes par balayage), les fabricants prévoient sur les brûleurs une fermeture automatique du registre d’air lorsque le brûleur est à l’arrêt :

  • soit avec un servo-moteur électrique assurant l’ouverture et la fermeture ;
  • soit avec un contrepoids (qui peut être le propre poids du registre) ou un ressort. Dans ce cas, la dépression ouvre le registre et le flux d’air le maintient en position ouverte.

Clapet par servomoteur qui assure la fermeture de l’arrivée d’air à l’arrêt.

Dans les brûleurs pulsé 2 allures, il faut adapter le débit d’air aux deux niveaux de puissance. La détermination de la position du registre d’air peut, entre autres, être réglée au moyen de cames dans le cas d’un système de réglage mécanique.

La came bleue commande la fermeture totale à l’arrêt,
la came orange commande l’ouverture en première allure,
la came rouge commande l’ouverture en deuxième allure,
la came noire commande l’ouverture de la vanne gaz de deuxième allure.
Un disque repère situé en bout d’arbre permet de visualiser les différentes positions d’ouverture.

Notons en outre que pour des raisons de sécurité, la pression d’air est contrôlée en permanence avant la tête de combustion par un (brûleur une allure) ou deux pressostats (brûleur 2 allures). En cas de défaut, le coffret de commande stoppe l’alimentation de gaz.

Dans le cas d’un brûleur pulsé modulant, le débit d’air est adapté de manière continue au débit de gaz (suivant le niveau de puissance souhaité). Cela peut se faire par un déplacement continu du registre d’air ou par une régulation basée sur la vitesse du ventilateur.


Composants d’un brûleur gaz à air pulsé : la tête de combustion

La tête de combustion du brûleur pulsé est constituée d’un embout ou gueulard qui guide la flamme. Celle-ci est allumée au moyen d’électrodes alimentées en haute tension, créant un arc électrique. La flamme est maintenue en position grâce au déflecteur. En effet, le flux d’air autour de ce dernier crée une dépression qui maintient la flamme en position.

     

Tête de combustion d’un brûleur gaz (gauche) et déflecteur (droite).

Le réglage de la tête de combustion, c’est-à-dire de la distance entre le déflecteur et l’embout, est essentiel au bon fonctionnement du brûleur en répartissant les débits d’air primaire (passant au centre du déflecteur) et d’air secondaire (passant à la périphérie). Il s’agit d’obtenir une vitesse de mélange air/combustible correcte. Une vitesse trop importante entraîne des difficultés d’allumage et d’accrochage de la flamme. Une vitesse trop lente provoque une combustion oscillatoire. Dans les 2 cas, il y a des risques d’accumulation de gaz dans la chaudière et donc d’explosion.

Photo brûleur gaz à air pulsé.

Les modèles de brûleur gaz à air pulsé se différencient pas la forme de la tête de combustion. On retrouve ainsi des tubes percés de trous ou de fente, des tubes à gaz, des dispositifs tourbillonneurs, des accroche-flammes à fentes ou trous, …


Composants d’un brûleur gaz à air pulsé :  dispositif de sécurité

Un contrôle continu de la flamme du brûleur est nécessaire pour arrêter ce dernier immédiatement en cas de défaut :

  • si la flamme n’apparaît pas quand le combustible est libéré ;
  • si la flamme disparaît en cours de fonctionnement ;
  • si une flamme parasite apparaît alors que le brûleur est en phase de démarrage.

De plus, le défaut doit être signalé par une alarme, qui avertit un technicien chargé du dépannage. Le but est d’éviter d’admettre du gaz dans une chaudière sans le brûler. L’allumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer une explosion. Comme élément de détection de la flamme on utilise :

  • un thermocouple sensible à la chaleur de la flamme (système de détection lent utilisé sur les chaudières atmosphériques de moins de 70 kW ;
  • un détecteur infrarouge également sensible à la chaleur de la flamme ;
  • une cellule UV qui émet un signal électrique grâce à l’ionisation d’un gaz contenu dans la cellule, sous l’effet des rayons UV émis par les flammes gaz ;
  • une sonde d’ionisation. Cette sonde est sensible à la présence d’ions et d’électrons dans toute flamme. Il suffit dès lors d’essayer de faire passer un courant dans la flamme. Si le courant passe, c’est qu’il y a une flamme.

Composants d’un brûleur gaz à air pulsé : 1, 2 allures et modulant

On répertorie 4 modes de fonctionnement des brûleurs gaz pulsés :

  • en tout ou rien ;
  • en 2 allures ;
  • en tout ou peu progressivement ;
  • en modulation.

Brûleur pulsé « tout ou rien » (Pn < 100-150 kW)

On parle de brûleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur, le brûleur s’enclenche, fournit sa pleine puissance, et s’arrête lorsque les besoins sont satisfaits.

Les brûleurs tout ou rien se différencient par leur mode de démarrage : en pleine puissance, à débit limité et à petite allure.

Démarrage à pleine puissance

Ce type de brûleur est utilisé pour les puissances inférieures à 100 .. 120 kW. Lors de la demande de chaleur, le brûleur démarre directement à pleine puissance.

Démarrage à débit limité

Lors d’une demande de chaleur et grâce à un jeu d’électrovannes (2 vannes magnétiques ou bien d’une seule vanne à 2 étages), le brûleur démarre avec une puissance de l’ordre de 75 % et passe à sa pleine puissance après le temps de post-allumage. Cela permet d’atténuer l’onde de choc provoquée par l’allumage du combustible. Comme dans ce type de brûleur, le réglage du registre d’air est manuel, la phase initiale du démarrage se produit avec un excès d’air trop important et donc une combustion médiocre.

Démarrage à petite allure

Ce mode de démarrage repose sur le même principe que dans le cas précédent. Il s’en différencie cependant par la réduction plus importante de la puissance au démarrage. Il s’agit en fait de brûleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas le choix de l’allure en fonction des besoins. Le temps séparant l’allumage du passage à la deuxième allure est fixé (relais programmable).

Brûleur pulsé 2 allures (Pn entre 100-250kW)

En cas de demande de chaleur, le brûleur est enclenché en première allure (qui représente entre 40 et 60 % de la puissance nominale). Après un délai déterminé (relais programmable), le brûleur passe à pleine puissance sauf si le régulateur signale que cette pleine puissance n’est pas nécessaire. Dans ce dernier cas, la première allure est maintenue.

Lorsque le brûleur fonctionne en deuxième allure, il est possible que le régulateur estime que la pleine puissance n’est plus requise et le brûleur repasse en première allure. Si la puissance requise est inférieure à la puissance en allure réduite, le brûleur s’arrête. Dans le cas inverse, il repasse en deuxième allure.

Brûleur gaz 2 allures.

Brûleur gaz modulant.

Le brûleur 2 allures présentent des avantages énergétiques indéniables :

  • L’adaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de fonctionnement du brûleur et diminue le nombre de cycles d’allumage source d’imbrûlés et d’émissions polluantes.
  • Les temps d’arrêt de la chaudière et donc les pertes du même nom sont moindres.
  • La diminution de la puissance du brûleur par rapport à la puissance de la chaudière augmente le rendement de combustion. En effet, la taille de l’échangeur augmente par rapport à la puissance de la flamme et donc les fumées sortent plus froides de la chaudière. Un gain de rendement de combustion de 2 .. 2,5 % est ainsi possible entre la petite allure (60 % de la puissance nominale) et la grande allure.

Brûleur pulsé « tout ou peu progressif »

Le principe de fonctionnement de ce type de brûleur est semblable à celui d’un brûleur 2 allures. Ce brûleur ne permet que 2 allures. Le passage de la première à la deuxième allure n’est cependant plus brutal, mais progressif (en un temps minimum de 30 secondes).

Si la demande de chaleur est inférieure à la puissance en première allure, le brûleur se met à l’arrêt. Si elle y correspond, le brûleur maintient son fonctionnement en première allure. Si elle en est supérieure, le brûleur passe progressivement en deuxième allure.

Brûleur pulsé modulant (Pn > 150kW)

Avec un brûleur modulant, toutes les allures de fonctionnement sont possibles, au-delà d’un minimum souvent de l’ordre de 30 %. Les débits d’air et de fuel sont réglés en continu en fonction de la puissance de chauffage requise, ce qui permet un fonctionnement quasi continu.

Brûleur gaz modulant.

Les avantages du brûleur modulant sont du même ordre que ceux du brûleur 2 allures. L’adaptation de la puissance est cependant encore plus fine, ce qui limite encore les temps d’arrêt d’un brûleur. La modulation a cependant ses limites. En effet, à basse puissance, le réglage de l’excès d’air devient difficile. C’est pourquoi les brûleurs modulants ne peuvent descendre en dessous d’une puissance de l’ordre de 30 % et à ce moment.


Brûleurs à prémélange (prémix)

Pour éviter les imbrûlés et la production de CO, les brûleurs atmosphériques doivent fonctionner avec un excès d’air important. Il en résulte une production importante de NOx.

L’évolution technologique de ces brûleurs conduit à ce qu’on appelle les brûleurs à prémélange. Dans ces brûleurs, l’air est mélangé au gaz dans une chambre de prémélange, avec ou sans l’aide d’un ventilateur. Dans le cas d’un brûleur à prémélange, le mélange est ensuite réparti sur une surface d’accrochage (par exemple, en treillis métallique) où se développe la flamme. Si tout l’air de combustion est fourni durant le prémélange (air primaire), on parlera de prémélange total tandis que si une fraction doit encore être fournie plus loin en aval (air secondaire), on parlera de prémélange partiel.

Brûleur à prémélange sans ventilateur

Brûleur à prémélange sans ventilateur et sa chaudière.

La technique de prémélange permet d’affiner le dosage entre l’air et le gaz et donc de diminuer l’excès d’air. De plus, la surface d’accrochage peut être étudiée pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur. Il en résulte une augmentation du rendement de combustion et une diminution des émissions polluantes (NOx).

  

Flamme d’un brûleur atmosphérique à prémélange, en forme de trèfle.

Brûleur à prémélange avec ventilateur

On pense essentiellement à ce type de brûleur lorsque l’on évoque les chaudières gaz à prémélange. On sous-entend que le brûleur fonctionne avec un ventilateur. La présence du ventilateur permet :

  • d’améliorer le mélange air/gaz par un meilleur contrôle du débit d’air ;
  • de vaincre les pertes de charge des brûleurs et des foyers dont l’échange est optimisé (notamment pour les chaudières à condensation) ;
  • de moduler la puissance du brûleur en faisant varier la vitesse du ventilateur ou en freinant le mélange air/gaz par un clapet. Typiquement, on peut atteindre des plages de modulation continue de puissance qui vont de 20 à 100 % de la puissance nominale. La plage est donc un peu plus large qu’avec les brûleurs à air pulsé.

Principe d’un type de brûleur à prémélange dans une chaudière à condensation. Dans ce cas-ci, le mélange air/combustible se fait en aval du ventilateur. Le clapet de régulation gaz piloté par un régulateur de pression permet d’adapter la quantité de combustible à la quantité d’air pulsée par le ventilateur. Une fois le mélange devenu homogène, la combustion a lieu dans la chambre.


Brûleurs low-NOx

Les derniers développements en matière de brûleur ont principalement visé à diminuer les émissions polluantes comme les imbrûlés, CO, NOx.

Idéalement lors d’une réaction de combustion, l’azote N2 contenu dans l’air comburant, est rejeté tel quel sans être modifié. Cependant, sous certaines conditions, il se combine avec l’oxygène pour former des NOx.

Non seulement ceux-ci peuvent être directement toxiques pour la santé, mais contribuent à la formation d’ozone, de smog et de pluies acides. Ils font également partie des gaz à effet de serre. Leur émission doit donc être réduite au minimum. On peut consulter la législation belge pour les performances minimales à atteindre pour les nouvelles chaudières en termes d’émission de NOx.

Les paramètres favorisant la production de NOx sont :

  • la température élevée de la flamme (supérieure à 1 200 °C) ;
  • l’excès d’air, c’est-à-dire la présence importante d’oxygène (O2) n’ayant pas réagi dans les fumées ;
  • le temps de séjour des atomes d’azote (N) dans la zone chaude de la flamme ;
  • une concentration plus élevée du combustible en N2.

Les deux premiers paramètres dépendent de la conception du brûleur, le troisième dépend de la conception de la chaudière.

Evolution de la production de NOx en fonction de la température de la flamme.

Brûleur pulsé « Low-NOx » par recyclage des gaz

Les technologies appliquées sont semblables pour les brûleurs pulsés gaz ou les brûleurs pulsés fuel.

Pour les brûleurs pulsés (fuel ou gaz), la technique la plus courante pour diminuer les émissions d’oxyde d’azote est le recyclage des gaz de combustion dans la tête du brûleur.

En fait, cela consiste à mélanger une partie des gaz de fumée à l’air comburant, dans le but de :

  • diminuer la température de la flamme, car même avec plusieurs centaines de degrés, les gaz brûlés sont plus froids que la flamme ;
  • réduire la concentration en oxygène du mélange ;
  • favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifier favorablement les conditions de combustion.

La configuration aéraulique pour réaliser cette re-circulation des gaz varie selon les constructeurs. D’une manière générale, c’est l’impulsion de l’air de combustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage : un passage plus étroit au niveau de la tête de combustion provoque une accélération du flux de gaz. Cela génère une dépression et amorce la re-circulation des gaz de combustion.

On peut également encore descendre la température de la flamme en élargissant le front de flamme. Dans ce cas, on recherche ainsi à avoir une flamme en forme d’entonnoir, ce qui augmente sa surface de refroidissement et donc diminue sa température.

Par rapport au brûleur « classique », le brûleur Low-NOx à re-circulation interne des gaz de combustion présente les inconvénients suivants :

  • La re-circulation demande de l’énergie. La comparaison entre un brûleur à pulvérisation traditionnel et un brûleur Low NOx (le ventilateur et la chambre de combustion étant identiques) montre que la dépression au niveau la tête du brûleur Low NOx réduit la puissance calorique maximale et modifie les caractéristiques intrinsèques du brûleur.
  • La vitesse d’écoulement élevée suscite des turbulences à hauteur du venturi. Il peut en résulter un accroissement du niveau sonore.
  • La re-circulation des gaz de combustion dans la tête du brûleur entraîne un encrassement plus rapide des électrodes d’allumage. Un entretien préventif est dès lors nécessaire.

En revanche, un brûleur Low-NOx produit de 20 à 50 % d’émissions NOx en moins qu’un brûleur traditionnel.

              

 Brûleurs Low NOx (ici en version fuel) basés sur le principe de recirculation : la re-circulation s’effectue dans le foyer à hauteur de la tête de combustion. Une zone de dépression aspire à nouveau les gaz de combustion et les mélange à la flamme. La re-circulation peut également être externe.

Brûleurs à prémélange radiants ou rayonnants

Bien que la transition d’un brûleur atmosphérique à un brûleur à prémélange réduit considérablement l’émission de NOx (essentiellement, par un meilleur contrôle de l’excès d’air), les brûleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans l’optimalisation des émissions. Le but est de réduire au maximum la température de la flamme. Si la surface d’accrochage de la flamme est en matériau réfractaire (céramique ou acier inoxydable réfractaire), elle va absorber une partie de la chaleur de réaction et la restituer par rayonnement au foyer. La température de combustion s’en trouve abaissée sous 1 200 °C, ce qui réduit fortement la production d’oxydes d’azote (NO< 15 mg/kWh).

Exemple de brûleur radiant :

 

Une application de cette technologie est le brûleur hémisphérique radiant. Il est composé d’une grille en forme de demi-sphère. La grille est en acier inoxydable spécial réfractaire. Elle rougeoie et recède sa chaleur par rayonnement.

Schéma brûleur hémisphérique radiant.

Brûleur hémisphérique radiant (existe aussi en version plane) : le mélange air-gaz réparti sur la surface de combustion avec une vitesse très faible puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brûleurs atmosphériques traditionnels. Le mélange brûle alors directement, pratiquement sans flamme visible et cède une partie de sa chaleur directement à l’élément réfractaire.


Synthèse sur la modulation en puissance pour les brûleurs gaz

Le potentiel de modulation des différentes approches a été évoqué précédemment. Néanmoins, pour des questions de clarté, ces propriétés sont résumées dans le tableau ci-dessous.

Puissance nominale Brûleur gaz atmosphérique Brûleur gaz à air pulsé Brûleur gaz à prémélange avec ventilateur
Pn < 100 – 150 kW Tout ou rien, voire deux allures

 

Tout ou rien Modulant (10 – 20 à 100 %).

 

Pn < 150 – 250 kW Deux allures
Pn >  150 – 250 kW Modulant (30 – 100 %)
Pn > ~ 1 MW Chaudières en cascade Chaudières en cascade.
Pn > ~ 3 MW Techniquement trop complexe Techniquement trop complexe.

On voit que pour les puissances faibles, le brûleur à air pulsé fonctionne en « tout ou rien » alors que le brûleur à prémélange offre déjà une large plage de modulation, de l’ordre de 10-20 % à 100 %. Pour les puissances plus élevées, typiquement au-delà d’~1 MW, il est techniquement difficile de réaliser des chaudières à prémélange. Par conséquent, pour pouvoir augmenter la puissance installée au-dessus de ce seuil, on travaille avec plusieurs chaudières à prémélange en cascade. En outre, ceci va améliorer les capacités de modulation de l’ensemble de l’installation et une meilleure sécurité d’approvisionnement. Néanmoins, au-delà de 3 chaudières montées en cascade, les installations deviennent difficiles à piloter et maintenir. À partir de 3 MW, on ne trouvera donc plus raisonnablement d’installations basées sur des chaudières/brûleurs à prémélange. En fait, les chaudières et brûleurs à air pulsé vont progressivement prendre le relais à partir des installations de 1-3 MW.

Exemple d’évolution du rendement avec la modulation en puissance : 

Évolution du rendement de combustion des brûleurs actuels en fonction de la modulation de sa puissance.

Pour les brûleurs pulsés modulants traditionnels (fuel ou gaz) (de 30 à 100 %) : dans un premier temps, lorsque la puissance du brûleur diminue (à partir de 100 % de puissance), la température des fumées diminue et le rendement augmente. À partir d’un certain moment, la diminution de la quantité de particules de combustible et leur dispersion imposent d’augmenter l’excès d’air pour éviter les imbrûlés. Le rendement diminue de nouveau.

Pour les nouveaux brûleurs gaz modulant à prémélange avec ventilateur  (de 10 ou 20 à 100 %) : le contrôle de la combustion permet de maintenir un excès d’air correct, sans production d’imbrûlé, sur toute la plage de modulation. On obtient donc une plage de modulation plus grande (~ 10 à 100 %) avec une qualité de combustion constante et des fumées qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver à la condensation).

Pour les brûleurs gaz atmosphérique 2 allures (sans ventilateur) (50 % / 100 %) : l’air de combustion est amené dans la chaudière naturellement. L’excès d’air n’est donc pas contrôlé. Si la puissance du brûleur diminue de moitié, ce n’est pas le cas de la quantité d’air aspirée. L’excès d’air augmente donc et le rendement chute.

   

Exemple de nouveau brûleur pulsé modulant (10 à 100 %) à prémélange : la modulation se fait, par exemple, grâce à un cylindre coulissant découvrant progressivement la tête de combustion.

Liaison chaude

Liaison chaude


Principe

En liaison chaude, les plats sont préparés en cuisine centrale et consommés dans les deux heures. De la cuisson à la consommation, pour éviter la prolifération des germes, la température des mets ne doit jamais être inférieure à 65 °C.

Deux cas peuvent se présenter :

  • Le self-service est contigu à la cuisine.
    Dans ce cas, après cuisson, les récipients sont maintenus au chaud à plus de 65 °C. À l’heure voulue, les mets sont conditionnés soit en portions individuelles, soit en plats collectifs, puis distribués immédiatement.
  • Des restaurants satellites plus ou moins éloignés sont à desservir.

Dans ce cas, dès la fin de la cuisson, les mets cuisinés sont conditionnés, soit en portions individuelles, soit en plats collectifs, puis disposés en containers isothermes. Un maintien à une température supérieure à 65 °C est obligatoire pendant toute la durée du stockage et du transport. Dans les restaurants satellites, le maintien à 65 °C est assuré par des équipements spécifiques : bain-marie, étuves, armoires de maintien en température. A l’heure voulue, les mets sont distribués.


Avantages

Les équipements sont relativement peu nombreux.

La cuisine n’engendre pas de changements dans les habitudes alimentaires des gens habitués à la cuisine traditionnelle.
Tout peut être préparé (steak, frites…)


Inconvénients

Il y a un risque de prolifération microbienne.

La consommation doit se faire un peu après la confection. Ce qui engendre des contraintes d’organisation et la capacité des équipements doit correspondre au nombre maximum de repas à préparer en deux heures avec un remplissage non optimal.

Tous les repas qui ne sont pas consommés dans la journée doivent être jetés.

Salamandre électrique

Salamandre électrique


Principe

Des résistances radiantes cuisent par rayonnement, comme au-dessus de la braise.

La salamandre gratine rapidement des plats souvent en finition.


Description

Une salamandre comporte :

  • Des résistances électriques blindées et des résistances électriques nues disposées dans des tubes de quartz qui sont placés en voûte,
  • des briques infrarouges,
  • des réflecteurs généralement en acier inoxydable assurant une bonne répartition des rayons infrarouges,
  • une grille coulissante ou non, réglable en hauteur permettant différents types de finition,
  • un plateau amovible ou non recueillant les déchets et les graisses.


Commande et régulation

La commande de l’appareil est assurée par un commutateur à plusieurs positions.


Gamme

Elle est peu étendue. La puissance installée varie de 3 à 10 kW pour une surface de cuisson de 17,5 à 35 dm2.


Utilisation

Les salamandres sont réservées aux finitions des plats à glacer, à dorer, à gratiner.

Cet appareil est généralement utilisé en restauration commerciale.

En restauration rapide, on peut utiliser des appareils combinés (grill-salamandre, rôtissoire-salamandre).

Picto ascenseur

Améliorer la performance énergétique des ascenseurs

Picto ascenseur   

Diminuer la consommation de la motorisation

1. Généralités

Le parc machine au niveau du secteur tertiaire comporte, en grande majorité, des ascenseurs à traction à câble. Quelquefois, pour des faibles courses et des charges importantes, on trouve des ascenseurs hydrauliques.

Une partie importante de la consommation et de l’appel de puissance des ascenseurs est due à la motorisation. On retrouve essentiellement des motorisations :

  • hydrauliques (moteur asynchrone à démarrage étoile-triangle),
  • à moteur-treuil à vis sans fin (moteur asynchrone à deux vitesses),
  • « gearless » (moteur synchrone sans réducteur et commandé par un variateur de vitesse par exemple),

Le tableau suivant donne une idée des consommations et des appels de puissance en fonction des courants nominaux et de démarrage :

Type de motorisation Courant nominal Courant de démarrage
– à traction à deux vitesses In 2,5 à 3,5 In
– hydraulique classique 3 In 6 à 18 In
– à traction avec variateur de fréquence 0,8 In 1,6 In

Sur base de ce tableau, on peut déjà se faire une première idée des appels de puissance au démarrage et en régime normal ainsi que les énergies consommées.

Évaluer

Pour en savoir plus sur l’évaluation des consommations et des appels de puissance de la motorisation.

2. La motorisation hydraulique

Origine des consommations et de l’appel de puissance

La motorisation hydraulique classique est très gourmande en énergie et en appel de puissance; ce qui signifie que la facture est malmenée non seulement au niveau énergie (kWh) mais aussi au niveau de la pointe quart-horaire. Ceci n’est pas nécessairement dû au type de motorisation mais plutôt au fait que l’ascenseur hydraulique est sans contre-poids et, par conséquent, le moteur de la pompe doit vaincre la charge totale de la cabine.

Démarrage étoile-triangle

La motorisation hydraulique est souvent démarrée par un dispositif étoile-triangle qui permet de réduire par 3 le courant de démarrage et, par conséquent, l’appel de puissance par 3. L’ennui, c’est que le couple de démarrage est divisé par 3 (le dimensionnement du moteur prend toute son importance).

Le démarrage étoile-triangle n’a d’utilité que pour limiter les appels de puissances au démarrage en réduisant les perturbations sur le réseau électrique. Le couple de démarrage étant réduit, le moteur mettra plus de temps pour démarrer; ce qui signifie que la consommation électrique n’est pas réduite de manière probante (l’appel de puissance réduit au démarrage se prolongeant pendant un temps plus long, le produit de la puissance par le temps reste plus ou moins constant).

Couplage étoile, schéma de câblage et couplage triangle.

Kit de démarrage à semi-conducteur

Une manière de réduire le courant de démarrage de la motorisation des ascenseurs hydrauliques est de remplacer le démarreur direct ou étoile-triangle classique par un démarreur à semi-conducteur. Certains fabricants prévoient des kits de remplacement au niveau du tableau de commande de puissance. Ce type de démarreur est un variateur de vitesse simplifié.

Kit de démarrage par variateur de vitesse.

Économies d’énergie

Des courbes de démarrage de moteur asynchrone de motorisation hydraulique n’ont pu être trouvées pour mettre en évidence l’intérêt du placement d’un variateur de fréquence. Cependant, des courbes présentées ci-dessous :

  • La courbe du courant de démarrage direct de la motorisation hydraulique est bien une courbe mesurée.

 

  • La courbe du courant de démarrage par variateur de fréquence est déduite de la courbe de puissance mécanique pour une pompe hydraulique. Cette puissance est une fonction de la vitesse au cube. Comme le variateur de fréquence est capable de « coller » à la puissance demandée par la pompe hydraulique, le profil de la courbe de puissance électrique demandée par le système est, au rendement près, similaire. A tension du réseau constante (400 V par exemple), la courbe du courant « suit » celle de la puissance.

Les courbes de démarrages ci-dessus montrent que l’appel de puissance du moteur hydraulique est énorme par rapport à celui d’une motorisation hydraulique à variateur de fréquence.

À titre de comparaison, une estimation des économies d’énergie faites par le placement d’un variateur de vitesse pour la commande d’une motorisation à vis sans fin équipée d’un moteur asynchrone, met en évidence une économie de l’ordre maximum de 30 %. En d’autres termes, le placement d’un variateur de fréquence commandant une motorisation hydraulique, permettrait de réduire davantage les appels de puissance et les consommations.

Évaluer

Pour en savoir plus sur l’estimation des économies d’énergie faites par le placement d’un variateur de vitesse pour la commande d’un moteur asynchrone à deux vitesses.

3. La motorisation à traction à câble à courant continu

Le groupe Ward-Léonard

Il existe encore de vieilles motorisations à courant continu absolument dépassées au niveau de la performance énergétique. Ce sont notamment les groupes Ward-Léonard qui ont connu un franc succès au début de l’ère des variateurs de vitesse pour moteur à courant continu.

Seulement, le gros inconvénient de ce système est :

  • sa consommation d’énergie supérieure due au fonctionnement à vide du moteur asynchrone et de la génératrice à courant continu qui continue de fonctionner même lorsque la cabine n’effectue pas de trajet,
  • sa complexité (moteur asynchrone, génératrice à courant continu, moteur à courant continu, treuil),
  • son encombrement,
  • la nécessité d’un entretien important,

Remplacement du groupe Ward-Léonard par un variateur de vitesse statique

Pour éviter tous les inconvénients cités ci-dessus, on le remplacera avantageusement, tout en conservant le moteur à courant continu, par un démarreur et variateur de vitesse statique (redresseur à niveau de tension variable).

Conservation du moteur à courant continu et variateur de vitesse avec inversion du sens de rotation.

Pratiquement :

  • L’inducteur du moteur dc est généralement alimenté par un redresseur monophasé ou triphasé.

Économie d’énergie

Le remplacement de tout le système de variation de la tension continue (moteur asynchrone d’entraînement et génératrice à courant continu) permet de réduire les consommations car le système moteur synchrone – génératrice à courant continu est supprimé et, par conséquent, il n’y a plus de pertes énergétiques à vide lorsque la cabine n’effectue pas de trajet.

Primaire.

Variateur de vitesse.

Secondaire.

Moteur.

4. La motorisation à traction à deux vitesses et les variateurs de vitesse

Moteur-treuil à vis sans fin

La motorisation à deux vitesses, équipée d’un réducteur à vis sans fin, est la configuration la plus classique des bâtiments tertiaires construits dans les années 1960-80. Le moteur asynchrone à deux vitesses qui équipe cette motorisation permettait d’obtenir un grand confort de course de cabine pour l’époque.
Les consommations énergétiques de ces systèmes sont importantes par le fait que :

  • le rendement du réducteur à vis sans fin est de l’ordre de 65 %;
  • l’optimisation des courants de démarrage n’est pas adéquate puisque directe.

Commande du moteur-treuil à vis sans fin adaptée à un variateur de vitesse

La commande et la régulation du moteur asynchrone à deux vitesses peut être modernisée par la mise en place d’un variateur de vitesse sur les connections des enroulements statoriques de la seconde vitesse (vitesse nominale).

  

Démarreur à deux vitesses et variateur de vitesse.

Le variateur de vitesse travaille en variateur de fréquence et de tension, et commande la vitesse du moteur en fonctionnement U/f (scalaire) par exemple pour maintenir un couple constant en fonction de la vitesse comme le montre la figure suivante :


Démarrage à couple constant par variateur de fréquence.

Ce couple constant en fonction de la vitesse convient bien au fonctionnement des ascenseurs à traction.

Économie d’énergie et réduction de l’appel de puissance

Une estimation des économies d’énergie faites par le placement d’un variateur de vitesse pour la commande d’une motorisation à vis sans fin équipée d’un moteur asynchrone, met en évidence une économie de l’ordre maximum de 30 %.

Évaluer

Pour en savoir plus sur l’estimation des économies d’énergie faites par le placement d’un variateur de vitesse pour la commande d’un moteur asynchrone à deux vitesses.

4. La motorisation à traction à deux vitesses et les variateurs de vitesse

Moteur-treuil à vis sans fin à deux vitesses remplacé par un système « gearless »

Le moteur-treuil à vis sans fin à un rendement global de l’ordre de 55 %. On peut améliorer l’installation en remplaçant ce moteur par un moteur « gearless » (sans réducteur). Indépendamment du gain de place, cette opération améliore non seulement le rendement mais aussi la consommation et les appels de puissance.

 

Moteur-treuil à vis sans fin et moteur « Gearless ».

Le passage d’un système à l’autre améliore le rendement global de l’installation de 55 à 77 %; soit une amélioration de 22 %.

Économie d’énergie et réduction de l’appel de puissance

Une analyse comparative de la consommation effectuée par le CADDET (Centre for the Analysis and Dissémination of Demonstrated Energy Technologies) a permis de mettre en évidence des différences importantes au niveau du bilan énergétique annuel.
Le tableau suivant résume cette analyse (à noter que la traction classique est un moteur-treuil à vis sans fin à deux vitesses) :

Type de motorisation
Paramètres Traction classique Gearless
Vitesse de déplacement de la cabine [m/s] 1 1
Charge de l’ascenseur [kg] 630 630
Puissance du moteur électrique [kW] 5,5 3,3
Calibre de la protection moteur [A] 35 16
Quantité d’huile nécessaire [litres] 3,5
poids de la motorisation [kg] 430 230
Niveau acoustique [dB] 65-75 50-55
Nombre de courses pour 3 mois 27 444
Consommation électrique pour 3 mois [kWh/3 mois] 958 447
L’économie d’énergie est importante (de l’ordre de 53 %)

Évaluer

Pour en savoir plus sur l’estimation des économies d’énergie faites par le placement d’un variateur de vitesse pour la commande d’un moteur asynchrone à deux vitesses.

Réduire la consommation de l’éclairage et des auxiliaires

L’éclairage

Dès l’instant où l’éclairage, par mesure de sécurité, reste en permanence allumé, que ce soit la nuit ou le week-end, lorsque le bâtiment est inoccupé, une consommation électrique non négligeable s’installe et peut devenir dominante dans le cas où la motorisation a subi un « lifting » (c’est le cas de le dire !) par le placement d’un variateur de fréquence pour commander la motorisation par exemple, ou que l’usage de l’ascenseur est faible (immeuble d’appartements, par exemple).

Une étude réalisée en Suisse a montré que des économies substantielles pouvaient être réalisées en considérant que l’éclairage pouvait être coupé lorsque la cabine n’effectuait pas de course.

Voici les résultats :

Dans ce cas, on voit que la consommation totale d’électricité est réduite de 42 %.

Évaluer

Pour en savoir plus sur l’estimation des économies  d’énergie faites par la gestion de l’éclairage de la cabine d’ascenseur.

Les auxiliaires

On entend par auxiliaires, les équipements de cabine (moteur de porte, ventilation éventuelle, …) mais surtout les équipements de salle des machines (ventilateurs d’armoire de commande, de moteurs, de variateur de vitesse, …, et les consommations propres à la commande et à la régulation de l’installation).

Ces consommations sont difficilement maîtrisables et dépendent surtout du trafic.

Situer sa consommation par rapport au secteur

Situer sa consommation par rapport au secteur

On retrouve, ci-après, une série de valeurs de comparaison qui permettent au concepteur d’un nouveau bâtiment ou au gestionnaire d’un bâtiment existant d’évaluer globalement l’ampleur de sa consommation actuelle ou future et la qualité énergétique de ses installations.

Cette page a été mise à jour en octobre 2023. Si vous souhaitez aller plus loin dans l’analyse des consommations, nous vous conseillons de parcourir le rapport « Bilan énergétique de la Wallonie de l’année 2020 : Bilan du secteur domestique et équivalents » qui a été mis à jour en mars 2023. Les données portent principalement sur les bâtiments résidentiels.

 


Établir les ratios de consommation d’un bâtiment

Relever le coût total des consommations électriques : C € / an
Relever le total annuel des kWh consommés (voir facture) : Q kWh / an
Déterminer la surface de référence des locaux :
(il s’agit de la surface brute de plancher, mesurée par l’extérieur des murs, cages d’escaliers et couloir compris.
Si la surface nette du plancher est connue, on peut la majorer de 10 %. Les chaufferies et garages sont exclus du calcul).
S

Ratio financier : C / S [€ / m² x an]

Ratio de consommation : Q / S [kWh / m² x an]

Remarque.
Suivant le secteur d’activité, il peut être intéressant d’établir les ratios par unité représentative de l’activité : consommation par occupant, par élève, par lit, par repas, …

Calculs

Dans le cas d’un bâtiment neuf ou à construire, dont on ne dispose pas des factures électriques, il est possible de simuler la consommation.

Les ratios ainsi obtenus permettent par comparaison avec la moyenne du secteur de se faire une première idée de la qualité des nouvelles installations électriques prévues.


Comparer aux moyennes du secteur

Comparer les consommations de différents bâtiments et donner des valeurs moyennes de consommation se révèle très complexe. En effet, la consommation d’un bâtiment dépend de nombreux facteurs. Outre les qualités de son enveloppe (isolation, surface et qualité de vitrages, orientation, etc.), la consommation dépend fortement de l’usage du bâtiment (son affectation, ses horaires de fonctionnement, le taux de présence dans le bâtiment, l’équipement bureautique,…) ainsi que des systèmes techniques installés (chauffage, ventilation, climatisation, production d’eau chaude).

On trouve néanmoins dans la littérature, des valeurs moyennes ou des intervalles de consommation au m² pour différents types de bâtiments. Pour obtenir des consommations spécifiques (/m², /lit, /élève, …) et l’évolution de ces consommations sur les cinq dernières années, cliquez sur :

Remarques.

  • De quel type de consommation parle-t-on ? S’agit-il d’une demande thermique brute, d’une consommation tenant compte des rendements des équipements, d’une consommation d’énergie primaire ?
  • Quelles consommations particulières sont incluses dans la valeur ? La consommation des auxiliaires tels que pompes, ventilateurs, etc. est-elle comprise ? les équipements accessoires du bâtiment tel que ascenseurs sont-ils compris ?
  • Quelle est la surface de référence ? S’agit-il d’une surface brute hors tout, d’une surface nette, ou d’une surface occupée? Reprend-elle ou non les garages, les couloirs, les sanitaires,… ?


Comparer aux valeurs optimales en rénovation

On trouvera dans le tableau ci-dessous les valeurs de consommation optimales à atteindre après rénovation, établies en Suisse par la SIA (Société des Ingénieurs et Architectes).
Pour information, on trouvera également en parallèle dans ce tableau des valeurs de consommations de référence (valeurs atteintes actuellement par un tiers environ des bâtiments en Suisse, ces bâtiments existants ne présentant pas de grands défauts en matière énergétique).

On pourra en déduire :

  • le pourcentage d’économie possible,
  • l’économie financière possible,
  • le budget d’investissement disponible en fonction d’un temps de retour donné.
Exemple d’utilisation des données pour un hôtel :

Ratio actuel de l’hôtel 130 [kWh/m² an]
Ratio optimal « Eél » pour un hôtel 70 [kWh/m² an]
Économie 130 – 70 = 60 [kWh/m² an]
Coût moyen du kWh 0,5 [€/kWh] (attention : tarif 2023)
Économie financière 0,5 x 60 = 30 [€/m² an]
Surface de référence 10 000 [m²]
Temps de retour accepté par l’institution 7 [ans]
Valeur actualisée* des économies sur 7 ans
(taux d’actualisation de 8 %, taux d’évolution des prix de l’énergie de 3 %)
facteur 5,82
Budget d’investissement potentiel 30 x 10 000 x 5,82 =
1 746 000 [€]

Question

Ce budget permet-il de faire chuter la consommation du bâtiment jusqu’au seuil optimal de 70 kWh/m² an ?

*L’actualisation des coûts signifie que les économies faites dans 7 ans ont moins de valeur que celles d’aujourd’hui, suite à la dépréciation de l’argent… C’est ce qui fait que l’économie totale vaut 5,82 fois l’économie annuelle.

Consommation finale du secteur tertiaire

Source : Bilan énergétique de la Wallonie 2020 

En 2020, la consommation finale du secteur tertiaire atteint 13,0 TWh en baisse de 2,5% par rapport à l’année précédente, et en hausse de 52,6% par rapport à 1990.

Indices de dépense d’énergie électrique « Eél » recommandés par la SIA, Société suisse des Ingénieurs et Architectes – Bâtiments existants après amélioration

Affectation

Consommation
de référence
[kWh / m² x an]
Consommation
optimale
[kWh / m² x an]
Villas et maisons pour deux familles

  • production d’eau chaude par chaudière combinée,
  • production d’eau chaude par dispositif électrique séparé.
 

 

  • 33
  • 47*

 

 

 

  • 28
  • 42*

 

Immeubles à appartements

  • production d’eau chaude par chaudière combinée,
  • production d’eau chaude par dispositif électrique séparé.
  • 36
  • 50*
  • 33a
  • 47*
Foyers pour personnes âgées, pour enfants, pour jeunes
  • 41
  • 35
Hôtels
  • 83
  • 70
Bâtiments administratifs

  • à ventilation naturelle,
  • à ventilation mécanique dans de grandes parties du bâtiment,
  • à climatisation, (p. ex. banques, sans les centres d’informatique).
 

  • 35*
  • 69*
  • 97*
 

  • 28*
  • 63*a
  • 83*
Écoles

  • jardins d’enfants, écoles primaires, écoles secondaires,
  • écoles secondaires supérieures, écoles, professionnelles et professionnelles supérieures.
 

  • 14*
  • 42
 

  • 11*a
  • 35
Magasins simples (sans ventilation ni appareils frigorifiques)
  • 56*
  • 42*
Entrepôts, ateliers, salles de sports
  • 35*
  • 28*
Hautes écoles

Grands magasins (à climatisation et froid artisanal)

Établissements de soins

Hôpitaux (généraux)

  • 83
    a
  • 278
    a
  • 56
    a
  • 70
  • 70
    a
  • 222
    a
  • 49
    a
  • 63
Piscines couvertes

  • de dimensions moyennes et grandes,
  • de petites dimensions (SR inférieure à 3 000 m² environ).
 

  • 97
  • 125
 

  • 83
  • 110

* Dans ces exemples, les indices de dépense d’énergie comprennent la production d’eau chaude sanitaire électrique ; dans les autres exemples (sans * ), la production d’eau chaude se fait par chaudière combinée.
Source : SIA 380/1.  L’énergie dans le bâtiment.

Les indices de dépense d’énergie indiqués ci-dessus sont destinés à aider le maître de l’ouvrage, l’architecte et le concepteur des installations du bâtiment lors de l’élaboration d’un projet de rénovation.

Grâce à des méthodes actuellement connues et éprouvées, et moyennant des investissements raisonnables, ces valeurs qui se fondent sur de nombreuses études et expériences pratiques pourront être atteintes à condition de prendre des dispositions appropriées lors de l’étude du projet et de sa réalisation. Ces dispositions ne portent d’ailleurs pas atteinte au confort dont les utilisateurs ont l’habitude.

Des écarts plus importants par rapport à ces valeurs de comparaison peuvent apparaître, notamment lorsqu’un ouvrage abrite des équipements techniques particuliers (par exemple un nombre d’équipements en informatique supérieur à la moyenne, un éclairage particulier ou des machines frigorifiques spéciales) ou lorsque la durée d’occupation d’un immeuble est supérieure ou inférieure à la moyenne admise, ou encore lorsque la demande d’eau chaude diffère de celle prise en compte dans les conditions normales d’utilisation. Celles-ci sont résumées dans le tableau ci-dessous.

Conditions normales d’utilisation (ayant servi de base à l’élaboration des valeurs optimales)

Type d’utilisation : Villa Immeuble à appartem. Foyer Bâtiment administr. École Industrie en général
Température moyenne de l’air ambiant ti [°C] 20 20 22 20 20 18
Renouvellement de l’air extérieur (ventilation naturelle) n [h-1] 0,4 0,6 0,6 0,8 0,6 0,6
Demande d’énergie nécessaire à la production d’eau chaude [MJ/Pers.an] 3 000 3 000 3 000 500 500 500
Occupation par des personnes [m²/Pers.] 50 30 30 20 20 20
Temps d’utilisation [h/jour] 12 12 16 12 8 12

Comparer aux valeurs optimales en construction nouvelle

On trouvera dans le tableau ci-dessous les valeurs de consommation accessibles (valeurs cibles) pour un nouveau bâtiment, établies en Suisse par la SIA (Société des Ingénieurs et Architectes).

Indices de dépense d’énergie électrique « Eél » recommandés par la SIA, Société suisse des Ingénieurs et Architectes – Bâtiments à construire

Affectation

Consommation cible
[kWh / m² x an]
Villas et maisons pour deux familles

  • production d’eau chaude par chaudière combinée,
  • production d’eau chaude par dispositif électrique séparé.
  • 22
  • 36*
Immeubles à appartements

  • production d’eau chaude par chaudière combinée,
  • production d’eau chaude par dispositif électrique séparé.
 

  • 28
  • 32*
Foyers pour personnes âgées, pour enfants, pour jeunes
  • 28
Hôtels
  • 56
Bâtiments administratifs

  • à ventilation naturelle,
  • à ventilation mécanique dans de grandes parties du bâtiment,
  • à climatisation, (p. ex. banques, sans les centres d’informatique).
  • 22*
  • 49*
  • 70*
Écoles

  • jardins d’enfants, écoles primaires, écoles secondaires,
  • écoles secondaires supérieures, écoles professionnelles et professionnelles supérieures.
  • 8*
  • 28
Magasins simples (sans ventilation ni appareils frigorifiques)
  • 28*
Entrepôts, ateliers, salles de sports
  • 22*

Hautes écoles

Grands magasins (à climatisation et froid artisanal)

Établissements de soins

Hôpitaux (généraux)

  • 56
  • 167
  • 42
  • 52
Piscines couvertes

    • de dimensions moyennes et grandes,
    • de petites dimensions  : SR (
  • surface de référence) inférieure à 3 000 m² environ.
  • 70
  • 100

* Dans ces exemples, les indices de dépense d’énergie comprennent la production d’eau chaude sanitaire électrique; dans les autres exemples (sans *), la production d’eau chaude se fait par chaudière combinée.
Source : SIA 380/1. L’énergie dans le bâtiment.

Les indices de dépense d’énergie indiqués ci-dessus sont destinés à aider le maître de l’ouvrage, l’architecte et le concepteur des installations du bâtiment lors de l’élaboration d’un projet.

Grâce à des méthodes actuellement connues et éprouvées, et moyennant des investissements raisonnables, ces valeurs qui se fondent sur de nombreuses études et expériences pratiques pourront être atteintes à condition de prendre des dispositions appropriées lors de l’étude du projet et de sa réalisation. Ces dispositions ne portent d’ailleurs pas atteinte au confort dont les utilisateurs ont l’habitude.

Des écarts plus importants par rapport à ces valeurs de comparaison peuvent apparaître, notamment lorsqu’un ouvrage abrite des équipements techniques particuliers (par exemple un nombre d’équipements en informatique supérieur à la moyenne, un éclairage particulier ou des machines frigorifiques spéciales) ou lorsque la durée d’occupation d’un immeuble est supérieure ou inférieure à la moyenne admise, ou encore lorsque la demande d’eau chaude diffère de celle prise en compte dans les conditions normales d’utilisation. Celles-ci sont résumées dans le tableau ci-dessous.

Conditions normales d’utilisation (ayant servi de base à l’élaboration des valeurs optimales).

Type d’utilisation :

Villa Immeuble à appartem. Foyer Bâtiment administr. École Industrie en général
Température moyenne de l’air ambiant ti [°C] 20 20 22 20 20 18
Renouvellement de l’air extérieur (ventilation naturelle) n [h-1] 0,4 0,6 0,6 0,8 0,6 0,6
Demande d’énergie nécessaire à la production d’eau chaude [MJ/pers an] 3 000 3 000 3 000 500 500 500
Occupation par des personnes [m²/pers.] 50 30 30 20 20 20
Temps d’utilisation [h/jour] 12 12 16 12 8 12

 

Découvrez cet exemple de suivi des consommations énergétiques au CH Psychiatrique du « Chêne aux Haies ».

Evaluer la qualité des parois [éclairage]

Evaluer la qualité des parois [éclairage]

La lumière est en partie absorbée par les parois du local. Pour atteindre un niveau d’éclairement donné, il faut une puissance installée plus importante si les murs sont de couleur foncée.

Il faut donc examiner la teinte des murs et leur état de propreté.

Exemple.

Niveaux d’éclairement atteints dans un local de 5 x 6 x 3 m, équipé de 6 luminaires directs comprenant chacun un tube fluorescent de 58 W (rendement lumineux du luminaire = 68 %, angle de défilement = 60°). 

Couleur des parois Éclairement moyen
en lux
Puissance spécifique (avec ballast électronique) en W/m²/100 lux
Murs Plafond
Papier peint très clair

ρ = 0,70

Plafonnage
propre
ρ = 0,70
608 1,99
Papier peint très clair

ρ = 0,70

Plafonnage
usagé
ρ = 0,40
587 2,07
Papier peint foncé

ρ = 0,20

Plafonnage propre

ρ = 0,70

500 2,42

Dans les chambres, on rencontre principalement de l’éclairage indirect, dirigé vers le plafond. Dans ce cas, la couleur de ce dernier aura une importance primordiale. Il doit absolument être de couleur claire et mate, cette dernière caractéristique pour éviter les taches lumineuses trop éblouissantes.

Concevoir 

Rénover le recouvrement des parois.
Eté 2008 : Brieuc.
22-08-2008 : 1er passage de mise en page [liens internes, tdm, en bref !, rapide passage général sur la mise en page de la feuille] – Sylvie
07-10-2008 : WinMerge ok – Sylvie
30-03-2009 : Application des nouveaux styles de mise en page. Julien.

Délesteurs de charges électriques

Délesteurs de charges électriques


Principe du délesteur

Le délesteur de charge est un automate programmable qui maintient la pointe quart-horaire en-dessous du seuil fixé à l’avance.

Si la puissance appelée dépasse le seuil fixé, il y a délestage des équipements qui sont raccordés au délesteur durant des périodes courtes.

Cette mise à l’arrêt ou au ralenti n’est effectuée que lorsque la puissance totale prélevée, intégrée sur la période de mesure, risque de dépasser le seuil limite de puissance fixé.

Les équipements sont délestés selon un ordre de priorité qui a été établi préalablement et mémorisé par l’automate. Par exemple, des niveaux de priorités seront donnés afin que l’appareil dont la coupure risque le plus d’être ressentie soit interrompu en dernier lieu.

Quand la demande faiblit et que se reconstitue une réserve de puissance disponible, il y a « relestage ».

Pour garantir l’impact du délesteur sur la facture électrique, il est évident que sont fonctionnement doit pouvoir être synchronisé au compteur réseau.

Le délesteur peut avoir beaucoup d’autres fonctions :

  • On peut lui imposer des temps minimums de fonctionnement d’un équipement, des temps maximums d’attente, des temps minimums d’arrêt.
  • Il peut tenir compte de plages où certains appareils ne peuvent être délestés.
  • L’automate peut avoir une fonction « horloge » qui coupe des équipements à horaire fixe. Cette fonction est couramment utilisée avec le chauffe-eau à accumulation chauffant l’eau durant 8 heures au tarif de nuit. Elle peut également être utilisée  pour des matériels de cuisson et le chauffage.
  • Une dérogation à la programmation peut être commandée par le gestionnaire en fonction de besoins ponctuels. Celle-ci doit être annulée automatiquement au début du cycle suivant afin de lui conserver son caractère exceptionnel.
  • Certains appareils « dialoguent » avec les équipements qui y sont raccordés de manière à connaître leur état et à agir en conséquence.
  • Le délestage d’un matériel peut être total ou partiel (à condition que ce délestage partiel soit prévu par le constructeur).

L’automate programmable sera appelé délesteur de charge ou optimiseur selon son degré de sophistication (selon le nombre de fonctions qu’il intègre, selon la richesse des paramètres dont peut tenir compte l’appareil pour choisir les appareils à délester, …).

Les délesteurs se distinguent entre-eux par :

  • le nombre total d’entrées impulsionnelles,
  • le nombre total de sorties de délestage,
  • l’algorithme de gestion de la puissance,
  • la possibilité de créer des points de mesure fictifs,
  • la capacité de stockage d’informations,
  • la programmation de la période d’intégration,
  • le nombre de périodes tarifaires qui peuvent être créées,
  • les capacités des logiciels de gestion (sur l’appareil même et sur le PC de gestion),
  • les modes de communication avec le PC de gestion,


Raccordement

Dans les installations électriques traditionnelles, l’installation d’un délesteur de charge demande de tirer un câble entre le module du délesteur et chaque appareil raccordé. Pour certains appareils, le délesteur peut agir sur plusieurs parties. Dans ce cas, il faudra tirer autant de câbles.

Au niveau des équipements, des connexions sont parfois prévues par les fabricants. Si elles ne le sont pas il est toujours possible de la réaliser a posteriori.

Le raccordement est évidemment nettement plus simple si on conçoit une installation gérée par bus de terrain. Dans ce cas, il est rapide et facile de modifier les équipements délestables (par réadressage) en fonction des résultats acquis durant l’exploitation.

Principe de raccordement du délesteur dans une installation électrique traditionnelle.


Gestion du délestage

Algorithme de délestage

graphe algorithme de délestage.

Avec

i =

période d’échantillonage (multiple de 1 minute)

td

 

=

temps mort exprimé (en multiple de 1 minute)

Ei

 

=

énergie consommée après la période i [kWh]

Pmax

 

puissance maximale admissible, fonction de la période tarifaire [kW]

=

Emax / (15′) [kWh]

=

Emax x 4 [kW]

Emax

 

=

demande d’énergie maximale en 15′.

Ein

 

=

énergie limite d’enclenchement (0… 99 % de Emax)

Eout

 

=

énergie limite de déclenchement (0…99 % de Emax)

Une valeur maximale de pointe (Pmax) est fixée et indiquée au délesteur.
Les appareils raccordés au délesteur demandent de la puissance. Au début de chaque impulsion de changement de quart-d’heure d’Electrabel, le délesteur ne réagit pas. Il « observe » comment la demande de puissance évolue. Après un certain temps fixé (td), le délesteur va agir : si la puissance demandée est telle qu’après 1/4 d’heure, elle risque de dépasser la valeur maximale de pointe (Pmax), il coupe des charges.

Pour avoir déclenchement d’un circuit, il faut que les 3 conditions ci-dessous soient remplies après chaque intervalle de temps « i » :

  • des circuits sont enclenchés,
  • E> (Emax – Eout) x (i / 15′) + Eout (c’est-à-dire que l’énergie totale demandée après l’intervalle i ne peut dépasser la droite Eout .. Emax),
  • i > td (c’est-à-dire que le délesteur ne réagit pas dans un premier temps).

Pour avoir enclenchement d’un circuit, il faut que les 3 conditions ci-dessous soient remplies après chaque intervalle de temps « i » :

  • des circuits sont déclenchés,
  • E< Emax x (i / 15′) – (Emax – Ein) (c’est-à-dire que l’énergie totale demandée à l’intervalle i ne peut descendre sous la droite E0 (= 0) .. Ein),
  • i > td.. (c’est-à-dire que le délesteur ne réagit pas dans un premier temps).

Une valeur Eout est fixée > 0 de manière à permettre l’augmentation rapide d’énergie en début de 1/4 d’heure. En effet une grosse puissance en début de 1/4 d’heure peut être appelée sans conséquence néfaste sur la pointe quart-horaire si celle-ci est compensée par une puissance appelée beaucoup plus faible dans la suite du quart-d’heure.
L’écart entre les deux droites Eout .. Emax et E0 .. Ein permet de ne pas avoir une succession trop rapide d’enclenchement/déclenchement. Cet écart est plus faible en fin de 1/4 d’heure (c’est-à-dire qu’on accepte mieux les oscillations) pour pouvoir profiter de la pointe quart-horaire maximale.

L’algorithme va donc gérer l’énergie consommée en 15 minutes de manière à ce que, si elle est importante, elle augmente en oscillant entre deux droites fixées « menant » à l’énergie maximale autorisée en fin de quart-d’heure.
L’énergie peut légèrement dépasser ces limites à cause de la période d’échantillonage « i « qui est multiple de la minute.

Le quart d’heure suivant l’énergie est comptabilisé en repartant de 0 kWh (= E0).

Séquence de déclenchement/enclenchement

Voici un exemple de séquence de déclenchement de 5 équipements dont les 2 derniers ne peuvent être coupés qu’en cas limite. La priorité de déclenchement des 3 premiers équipements s’y passe de façon cyclique :

  • 1 ère période : ordre de déclenchement 1 – 2 – 3 – 4 – 5
  • 2 ème période : ordre de déclenchement 2 – 3 – 1 – 4 – 5
  • 3 ème période : ordre de déclenchement 3 – 1 – 2 – 4 – 5
  • 4 ème période : ordre de déclenchement 1 – 2 – 3 – 4 – 5

Pour respecter l’ordre des priorités, le dernier équipement déclenché est le premier à être réenclenché. Les équipements 4 et 5 sont des appareils détestables en derniers recours.

Notons que certains automates prévoient les besoins à venir en fonction de l’historique et anticipe les réactions des matériels afin d’obtenir une réponse optimale pour l’ensemble des usages contrôlés, tout en limitant la puissance globale appelée ou le coût de l’énergie consommée. Cette fonction est dite « intelligente », car elle est liée à une mémoire continuellement remise à jour qui induit une réponse adaptée à la sollicitation présente, mais aussi à celle qui lui succède.
Le choix de répartition de l’énergie est donc effectué dans l’instant et non pas de façon pré-établie.

Autoadaptation de la consigne

L’algorithme d’évaluation de la pointe quart-horaire sera auto-adaptatif en fonction des paramètres de mesure, de manière à délester le maximum de puissance sans nuire au confort et en respectant les impositions du distributeur.

Par ailleurs, si malgré l’action du délesteur le seuil critique fixé en début de mois est dépassé, cette pointe atteinte est automatiquement choisie comme nouveau seuil pour le restant du mois.

Exemple :
En début de mois, le délesteur est réglé pour une pointe maximale de 250 kW. Le 9e jour, la pointe atteint 275 kW à 11h30. Cette valeur sera conservée comme nouvelle consigne puisque de toutes façon, ces 275 kW seront facturés en fin de mois !

Suivi du fonctionnement du délesteur

Lorsqu’un système de gestion de la puissance est mis en place, le suivi des résultats est impératif :

  • actions du délesteur et historique des équipements déclenchés,
  • suivi de la puissance prélevée au réseau, …

Ce suivi permettra de s’assurer du bon fonctionnement de l’installation d’une part et, d’autre part, d’en optimiser les paramètres, rendant ainsi son utilisation plus rentable encore ou moins gênante pour certains équipements.

Le suivi peut se faire au sein du délesteur même qui possède une mémoire interne et la possibilité de dresser des historiques ou au travers d’un PC au moyen d’un logiciel de suivi (communication par modem possible).

Exemple de possibilités d’un logiciel de suivi, via les enregistreurs du délesteur (ces données peuvent être accessible sous différentes formes selon le logiciel) :

  • diagrammes de charge (sur une journée, sur un mois, etc.),
  • simulation de la facture pour différents tarifs,
  • rapport entre les consommations des heures pleines et creuses,
  • consommation, consommation réactive,
  • les économies réalisées grâce au délesteur de charge.

Exemple de résultat fourni par le logiciel de suivi d’un délesteur.


Cas particulier des cuisines

Certains systèmes d’automates sont des optimiseurs plus spécifiques pour cuisine collective.

Ce type de délesteur est composé d’une unité centrale (qui concentre toutes les fonctions de calcul et de stockage des données) et de différents modules de commandes (nécessaires au dialogue et au pilotage des différents consommateurs).

 

Unité centrale et modules des commandes (pour 2 fours et 2 friteuses).

Chaque module peut être connecté 2 fois, soit à 2 appareils différents (ex : un four statique et une marmite), soit un seul appareil avec deux résistances à commander (ex : une connexion vers la résistance de chauffage de l’eau de lavage d’un lave-vaisselle et l’autre vers la résistance de l’air de séchage).

Un « dialogue » permanent est maintenu entre l’unité centrale et les appareils qui y sont raccordés.
L’unité centrale questionne, au rythme de la seconde, chaque appareil raccordé, sur son état de fonctionnement :

  • arrêt / marche ?,
  • demande du thermostat (enclenchement / déclenchement) ?,
  • phase de préchauffage ou de cuisson ?,
  • comptabilise chaque seconde d’utilisation.

Évidemment, l’appareil doit obligatoirement être branché sur la prise qui contient le câble destiné à gérer sa consommation énergétique. Le concept de cuisine mobile contraint donc à marquer chaque prise femelle pour reconnaître, sans se tromper, la fiche mâle qui lui correspond.

Gestion complète d’une cuisine avec écran de supervision.

Le délestage se fait toujours au moment où le thermostat commande une remise en route de la résistance. Le délesteur demande à la résistance de postposer son action de quelques secondes. Ce délestage ne se fait jamais en période de montée en température.

Évolution de la température dans un appareil de cuisson avec ou sans délestage : le délesteur ne peut jamais couper l’appareil avant qu’il n’atteigne la température de coupure de la résistance, faute de quoi, la température moyenne chuterait trop fort.

Pour connaître le temps de montée en température, le délesteur mesure le temps entre la mise en route d’un appareil et le premier arrêt commandé par le thermostat.

L’automate, à partir de l’information des divers thermostats, procède ainsi à une analyse et à une répartition des charges en fonction des besoins de chaque matériel et des priorités enregistrées dans sa mémoire.

Il existe des modules particuliers qui sont utilisés pour raccorder les machines frigorifiques, par exemple.
Avec ces modules, il n’y a pas de « dialogue » entre l’appareil et le délesteur. Ce dernier décide du délestage sans tenir compte de l’état de la machine frigorifique.

Le délesteur a aussi une « fonction horloge ». Pour chaque équipement, on peut fixer certaines plages horaires où le fonctionnement est interdit. Dans les plages « autorisées », le matériel ne fonctionne que si la régulation (thermostat, pressostat) le demande. En déplaçant les périodes de fonctionnement de certains équipements, l’automate diminue la puissance instantanée appelée sans perturber leur fonctionnement.

De même, on peut imposer des plages où certains appareils ne peuvent être délestés.

L’unité centrale est synchronisée sur le compteur réseau.

Si le respect des critères de réglage est impossible, le système émet un signal d’avertissement (message d’alarme).

Le délesteur permet également de raccorder des sondes de température qui mesurent la température de manière continue.

Il peut également être utilisé avec un système qui permet la traçabilité de toutes les températures (permet de prouver le respect de l’HACCP). Ces systèmes bien que présents sur le marché belge ne sont quasi pas utilisés.

Remarquons que ce type de délesteur ne se limite pas à optimiser les puissances des appareils de cuisson même si c’est sa spécialité. Il peut également gérer les systèmes de chauffage, de climatisation, de réfrigération, etc.

Normes existantes et normalisation en Belgique

Normes existantes et normalisation en Belgique

Les informations reprises sur cette page sont issues du site officiel du Bureau de Normalisation (www.nbn.be.)


Qu’est-ce que la normalisation ?

La loi du 3 avril 2003 relative à la normalisation définit une norme comme suit :
Art. 2 – 1° : Norme : une spécification technique approuvée par un organisme reconnu à activité normative en vue d’une application répétée et continue, dont l’observation n’est pas obligatoire et qui relève de l’une des catégories de normes visées à l’article 1er, 4°, de la Directive 98/34/CE du Parlement européen et du Conseil du 22 juin 1998, prévoyant une procédure d’information dans le domaine des normes et réglementations techniques.

Une norme reflète les règles de bonne pratique en rapport avec un produit, un service ou un processus de production.

Une résolution du Conseil de l’Union européenne (UE) du 10 novembre 1999 en donne la définition suivante: la normalisation est une activité volontaire, axée sur le consensus et réalisée par les parties intéressées et pour elles-mêmes, dans un esprit d’ouverture et de transparence, au sein d’organismes de normalisation indépendants et reconnus, qui mène à l’adoption de normes dont le respect se fait sur une base volontaire.

L’application des normes ne fait en soi l’objet d’aucune contrainte juridique. Il se peut néanmoins qu’une réglementation contraignante, par exemple une loi ou un arrêté royal, fasse référence à des normes. Dans ce cas, les normes prennent un caractère plus contraignant, qu’elles tirent de la réglementation qui y fait référence.

Le même raisonnement vaut pour les contrats qui font référence à des normes, compte tenu de l’article 1134 du Code civil (« Les conventions légalement formées tiennent lieu de loi à ceux qui les ont faites »). Si les parties font expressément référence à une norme dans leur convention, elles ne peuvent plus tard la négliger sous prétexte que le respect d’une norme est volontaire.


Le NBN-Bureau de Normalisation

Le NBN – Bureau de Normalisation – est l’organisme national belge responsable de la réalisation et publication des normes en Belgique.

Par la loi du 3 avril 2003 (publiée au Moniteur belge le 27 mai 2003) relative à la normalisation, il est un organisme public doté de la personnalité juridique.

Le NBN représente la Belgique au niveau européen, comme membre du Comité Européen de Normalisation (CEN) et au niveau mondial, comme membre de l’Organisation Internationale de Normalisation (ISO).


Assistance technique supplémentaire et Antennes-normes

Toute personne qui souhaite obtenir une assistance technique dans le domaine des normes belges et européennes, peut faire appel aux Antennes normes créées par le SPF Économie. Celles-ci mettent tout en œuvre afin d’informer les PME au sujet des récents développements dans le domaine de la normalisation.

Dans le domaine qui nous concerne, c’est le CSTC qui est en charge de cette Antenne normes :  https://www.cstc.be/normalisation-certification/antenne-normes/

Concevoir le raccord entre versant isolé et pignon

Concevoir le raccord entre le versant isolé et le pignon - Quelques exemples


Isolation entre chevrons

Schéma Isolation entre chevrons- 01.

Rive non débordante – étanchéité par tuile de rive.

    1. Isolation
    2. Chevron ou fermette
    3. Isolation ou bloc isolant
    4. Mortier de scellement
    5. Sous-toiture
    6. Contre-latte
    7. Latte
    8. Rejet d’eau
    9. Tuile de rive
    10. Isolant entre chevrons
    11. Pare-vapeur
    12. Finition intérieure

Schéma Isolation entre chevrons- 02.

Rive en surplomb – étanchéité par tuile de rive.

      1. Isolation
      2. Chevron ou fermette
      3. Isolation ou bloc isolant
      4. Sous-toiture
      5. Contre-latte
      6. Latte
      7. Tuile de rive
      8. Isolant entre chevrons
      9. Pare-vapeur
      10. Finition intérieure

> Continuité de l’étanchéité à la pluie (= fonction de la couverture)

La couverture a pour objectif d’arrêter l’eau et de l’évacuer vers la gouttière. Les mesures ci-dessous indiquent comment assurer cette étanchéité au niveau du raccord mur pignon – toiture :

1. Étanchéité assurée par des tuiles de rive

Les tuiles de rive sont posées sur les liteaux de façon à déborder d’environ 2 cm de la face extérieure du pignon ou à affleurer la face extérieure de la planche de rive du débordant. Une rive non débordante peut parfois être munie d’une planche de rive par choix esthétique. Si nécessaire, les débordants de toiture permettent en choisissant leur porte-à-faux, d’adapter la largeur d’un versant étroit au module horizontal des tuiles.

2. Étanchéité assurée par tuiles ordinaires et tuiles à double bourrelet

Schéma étanchéité assurée par tuiles ordinaires et tuiles à double bourrelet.

Rive non débordante – étanchéité par tuiles à double bourrelet.

      1. Isolation
      2. Chevron ou fermette
      3. Isolation ou bloc isolant
      4. Mortier hydrofugé
      5. Sous-toiture
      6. Contre-latte
      7. Latte
      8. Tuile de rive
      9. Assise de maçonnerie en saillie
      10. Isolant entre chevrons
      11. Pare-vapeur
      12. Finition intérieure

La finition entre le haut du pignon et la couverture peut être réalisée d’un côté par des tuiles ordinaires de l’autre par des tuiles à double bourrelet.

La tuile ordinaire ou à double bourrelet est scellée au mur avec un mortier hydrofugé et repose ou non sur une assise de maçonnerie en saillie.

Un débordement de la tuile de 20 mm au moins doit être prévu pour éviter l’écoulement des eaux sur le parement extérieur.

Schéma étanchéité assurée par tuiles ordinaires et tuiles à double bourrelet.

Rive en surplomb – étanchéité par tuiles à double bourrelet et chéneau d’évacuation.

      1. Isolation
      2. Chevron ou fermette
      3. Isolation ou bloc isolant
      4. Sous-toiture
      5. Contre-latte
      6. Latte
      7. Tuile de rive
      8. Chéneau encastré avec pattes de fixation
      9. Agrafure et patte de fixation
      10. Pare-vapeur
      11. Finition intérieure

Un petit chéneau est fixé au-dessus de la sous-toiture. L’eau qui y est recueillie est acheminée vers la gouttière. La largeur du chéneau est fonction de celle du recouvrement de la tuile, de la longueur du versant et de son inclinaison. Cette solution est déconseillée dans un environnement poussiéreux (sable à la côte) ou arboré car elle présente un risque d’obstruction.

3. Étanchéité assurée par planche de rive et bavette métallique

Schéma étanchéité assurée par planche de rive et bavette métallique.

Rive revêtue d’une bavette en plomb .

      1. Isolation
      2. Chevron ou fermette
      3. Isolation ou bloc isolant
      4. Sous-toiture
      5. Contre-latte
      6. Latte
      7. Tuile
      8. Bavette en plomb
      9. Pare-vapeur
      10. Finition intérieure

Une bande métallique recouvre la planche de rive et une partie de la rangée de tuiles attenante. La malléabilité du plomb facilite la liaison entre les éléments. L’étanchéité à la pluie des rives réalisée de cette façon ne nécessite pas de tuiles spéciales; la dernière rangée de tuile doit éventuellement être meulée pour s’ajuster à la planche de rive.

Lorsque la rive est achevée par une tuile entière, la bavette en plomb doit se prolonger jusqu’à l’emboîtement; dans le cas de tuiles meulées, elle doit recouvrir toute la tuile.
Ce type de raccord entre pignon et couverture est nécessaire lorsque le pignon n’est pas parallèle à la ligne de pente.

     

Bavette rigide sur tuile entière.        Bavette rigide sur tuile meulée.

4. Généralités (tous types d’étanchéité)

Pour assurer l’étanchéité en tout temps et vu la pression du vent particulièrement importante sur les bords de la toiture, il est conseillé de fixer mécaniquement les tuiles couvrant ces bords.

Continuité de la sous-toiture

La sous-toiture est prolongée jusqu’au mur de parement ou jusqu’à la planche de rive.

Continuité de l’isolation

La couche isolante doit être continue pour éviter les ponts thermiques.

La continuité de l’isolation exige une bonne coordination entre les corps de métier. En effet, dans le cas d’une isolation entre chevrons, l’isolant de toiture est posé après la sous-toiture et la couverture. Or, la jonction de l’isolant entre le mur et la toiture ne peut être correctement réalisée que si elle est réalisée avant la pose de la sous-toiture (par l’extérieur); en effet, celle-ci condamne l’accès à cette zone.

Continuité du pare-vapeur et raccord de la finition intérieure de toiture avec celle des murs

Le pare-vapeur doit être correctement raccordé contre la face intérieure du pignon. La finition fixée sous le pare-vapeur est raccordée de manière étanche avec la finition intérieure du pignon de façon à supprimer tout risque de courant d’air à travers la toiture (voir détails ci-dessus).


Toiture « Sarking » – Étanchéité à la pluie réalisée par tuiles de rive

Schéma toiture "Sarking" - étanchéité à la pluie réalisée par tuiles de rive.

Rive à fleur de mur.

  1. Mur intérieur porteur
  2. Isolation du mur extérieur
  3. Chevron ou fermette
  4. Sous-toiture
  5. Panneau isolant
  6. Contre-latte
  7. Latte
  8. Tuile
  9. Pare-vapeur
  10. Finition intérieure

Schéma toiture "Sarking" - étanchéité à la pluie réalisée par tuiles de rive.

Rive en surplomb.

  1. Mur plein
  2. Isolation du mur extérieur
  3. Parement extérieur
  4. Chevron ou fermette
  5. Panneau isolant
  6. Sous-toiture
  7. Contre-latte
  8. Latte
  9. Tuile
  10. Planche de rive
  11. Ardoises
  12. Plafond de rive
  13. Latte de support de finition intérieure
  14. Pare-vapeur
  15. Finition intérieure

Continuité de l’étanchéité à la pluie (= fonction de la couverture)

L’étanchéité à la pluie des rives des toitures « Sarking » est réalisée de la même manière que celle des toiture isolées entre chevrons.

Continuité de la sous-toiture, de l’isolant, de l’écran étanche à la vapeur et à l’air

En général, les panneaux isolants de la toiture « Sarking » assument à eux seuls 3 fonctions de la toiture, à savoir, celle de la sous-toiture, celle de l’isolant et celle de l’écran étanche à l’air et à la vapeur. Ainsi, pour autant que les panneaux soient posés correctement, la continuité à ces 3 niveaux est assurée.
Cependant, dans le cas d’une rive en surplomb, l’isolant de toiture doit être prolongé au-delà de la jonction avec l’isolant du mur de manière à assurer la continuité de la fonction de la sous-toiture sur la largeur du surplomb.

legionnelle - eau chaude sanitaire

Légionellose

legionnelle - eau chaude sanitaire

La « legionella pneumophila » : sa vie, sa mort

Il s’agit d’une bactérie. Sa transmission se réalise par inhalation d’aérosols (gouttelettes de 1 à 5 microns) et contamination des poumons. On pourra donc être contaminé en prenant une douche mais pas en buvant un verre d’eau, puisque la bactérie ne survit pas dans l’estomac !

Les pathologies

Dans moins de 5 % des cas, elle provoque une pneumonie avec un taux de mortalité de 10 à 20 %, mais dans 90 % des cas, on parlera d’une grippe, ce qui est plus bénin.

En Belgique, en 1999, 195 cas ont été rapportés, dont 2 cas majeurs : 5 morts parmi plus de 100 personnes hospitalisées après une visite à la foire de Kapellen (contamination par les émanations d’un bain à bulles) et 1 mort parmi les 7 personnes contaminées par le réseau d’eau chaude sanitaire d’un hôtel en Ardennes.

Croissance et température

Au départ, il y a une bactérie par m³ qui entre dans le bâtiment par le réseau d’eau de ville.

La croissance de la bactérie est nulle sous 20°C (état latent). La croissance a lieu entre 25 et 45°C, avec un optimum entre 32 et 42°C : à cette température, leur nombre double toutes les 3 à 4 heures ! On considère que pour de l’eau maintenue entre 25 et 45°C, la contamination est sans risque durant les 2 premiers jours, de risque faible entre 2 jours et une semaine, de risque élevé au delà d’une semaine.

On notera que l’on ne détecte pas de légionelles pour T°eau >= 58°C en permanence (Journal of Hospital Infection, Vol. 37, Issue 1, p 7-17).

L’unité de mesure est le CFU/l = le nombre d’unités formant colonies par litre d’eau (de l’anglais Colony Forming Units par litre).

Destruction

Théoriquement à 50°C, 90 % des bactéries présentes meurent dans les 2 à 6 heures. A 60°C, 90 % des bactéries présentent meurent dans les 5 minutes. A 80°C, 90 % des bactéries meurent dans les 30 secondes. Du moins, dans les conditions de laboratoire (= en suspension dans l’eau).

Mais en réalité, elles peuvent exceptionnellement résister jusqu’à 80°C. En effet, elles créent des colonies dans les amibes, plus résistantes à la chaleur. Et les installations d’eau chaude sanitaire sont tapissées d’un dépôt visqueux, le biofilm, composé de micro-organismes, dont les amibes… Au sens strict, un choc thermique n’est donc totalement efficace qu’à partir de 80°C.

Les désinfectants quant à eux ne sont jamais efficaces à 100 %.

Enfin, le temps de réinfection d’un système sain est inconnu. Les mesures de prévention sont donc cruciales.


Légionelle et équipements techniques

Les équipements responsables

Sont considérés comme des équipements à risque : les installations d’eau chaude sanitaire (via les douches), les tours de refroidissement des installations de climatisation (via la pulvérisation de microgoutelettes d’eau), les bains à remous et jacuzzis, …

Toutes les zones où l’eau à tendance à stagner sont critiques : zone inférieure des grands ballons de préparation (surtout si pas d’isolation du fond), bras morts des installations de distribution, …

Les systèmes d’humidification du conditionnement d’air (« bacs laveurs« ) ne sont par contre pas concernés car leur température est trop basse (10 à 15°C).

Si les chauffe-eau électriques domestiques sont parfois contaminés, ce sont les grandes installations qui sont généralement les plus sensibles (étude CSTC : 40 % des grandes installations, de type immeubles à appartements, piscines, homes, hôpitaux,…). Le problème est beaucoup moins fréquent en domestique (une étude hollandaise a montré que 6 % des installations étaient contaminées)…

Les réservoirs à basse température

Certains systèmes sont particulièrement concernés : pompe à chaleur et chauffe-eau solaire puisque la performance de ces systèmes sous-entend de travailler à basse température.

Il faut sans doute privilégier les installations avec doubles réservoirs en série, le premier assurant un préchauffage de l’eau, le deuxième assurant la montée à la température de 65°C minimum. Mais il faut que l’eau reste dans ce deuxième ballon un temps suffisant. Il ne faudrait pas qu’en période de soutirage de pointe, le post-chauffage de l’eau soit trop bref et que de l’eau contaminée soit envoyée dans le réseau.

Question (à laquelle nous n’avons pas de réponse) : que se passe-t-il si l’eau préchauffée est envoyée dans un préparateur instantané ? Le temps de chauffage dans le préparateur est-il suffisant pour tuer les légionelles ? … Il faut probablement post-chauffer à une température de 70°C ou 80°C pour éviter tout risque. Ou alors contrôler très régulièrement la teneur en légionelle du ballon de préchauffage.

L’influence de la corrosion des tuyauteries

La bactérie croît en présence de nutriments : fer, calcium, carbone (AOC), manganèse, magnésium, …

Elle se loge tout particulièrement dans certains « habitats » :

  • dépôts de boues, de calcaire, de produits de corrosion,
  • biofilm (micro-organismes) sur la face interne des réservoirs et tuyauteries,
  • eau stagnante.

On en déduit qu’un réseau de tuyauterie d’acier rouillé devient une installation « à risque » (la sortie « d’eau brune » au robinet après un arrêt de l’installation est un signe de corrosion de l’acier galvanisé).


Les recommandations du CSTC pour l’eau chaude sanitaire

Les principes à poursuivre sont les suivants :

  • Eviter la stagnation (bras morts des réseaux).
  • Garder en continu les systèmes à une T° > 55°C.
  • Eliminer les zones tièdes dans les ballons de stockage.

Voici les recommandations du CSTC :

  • L’eau chaude doit être produite à une température de 60°C; on évitera qu’elle reste durablement dans le chauffe-eau à une température moindre.
  • L’eau doit être maintenue à 55°C au moins en tout point du réseau principal.
  • Dans un système de distribution avec recirculation, la température de retour ne peut jamais être inférieure à 55°C. Par ailleurs, la chute de température entre le point de départ et le point de retour à l’appareil de production d’eau chaude ne peut dépasser les 5°C : si l’eau quitte l’appareil de production à 60°C, la température de retour devra être de 55°C au moins.
  • Il est interdit de laisser stagner de l’eau chaude ou de l’eau froide : les bras morts (y compris les vases d’expansion sanitaires, par exemple) ou peu utilisés sont donc à éviter.
  • Les installations doivent être entretenues régulièrement; à cet effet, les appareils de production d’eau chaude seront dotés des ouvertures nécessaires.
  • Les branchements « morts » sur le réseau de distribution ne pourront dépasser 15 m et avoir un volume d’eau supérieur à 3 litres((Lutte contre le développement des légionelles dans les installations sanitaires neuves – Meilleurs techniques disponibles – décembre 2021 » du CSTS/Buildwise  (voir P15) )).
  • Le fond des ballons doit être correctement isolé. Si nécessaire, un dispositif de recyclage interne du ballon doit être organisé (réinjection dans le bas du ballon de l’eau chaude extraite en partie supérieure). À défaut, une purge régulière de l’eau stagnante du fond peut être organisée.

Une remontée périodique de la température ?

Pour limiter la consommation énergétique tout en évitant la contamination, il pourrait être question d’appliquer des augmentations temporaires et périodiques de la température. Certains fabricants de matériels de régulation proposent par exemple des régulateurs dont la fonction anti-légionelle prévoit une montée en température à 70° ou 80°C une fois par semaine.

Peut-on pour autant abaisser la température de production ?

Les dernières études du CSTC((B. Bleys, O. Gerin, K. Dinne,THE RISK OF LEGIONELLA DEVELOPMENT IN SANITARY INSTALLATIONS, Rehva 2018 Conference)) sur le sujet montrent que :
– partant d’une température de production de 45°C, une remontée hebdomadaire d’une heure à 60°C ne permet pas de maintenir le développement des bactéries sous 1.000 kve/l.
– partant d’une température de production de 45°C, une remontée hebdomadaire d’une heure à 65°C n’a donné des résultats positifs que moyennant un rinçage simultané d’une demi-heure de tous les points de puisage du circuit pendant la remontée. Ce rinçage est très gourmand en eau et en énergie, et requiert potentiellement une puissance de chauffe supérieure aux capacités de l’installation.

Ces résultats ont été obtenus sur une installation de production d’eau chaude sanitaire réelle mais en conditions favorables (dimensionnement adéquat, absence de bras morts, usage régulier de tous les points de puisage,…). Il est raisonnable de croire qu’ils sont plus favorables que ce qui peut être observé dans des installations anciennes ou moins bien conçues.

Les études continuent pour déterminer les températures minimales adéquates pour garantir l’efficacité de ces remontées périodiques de température dans des scénarios d’abaissemetn des temépratures de production. En attendant, la prudence demande de respecter une température de production suffisamment élevées (départ > 60°C, retour > 55°C).


Traitements de désinfection

La désinfection thermique de choc (« heat and flush »)

Il s’agit d’un rinçage de chaque point d’eau avec de l’eau à une température de 60°C durant 30 minutes ou 70°C durant 4 minutes. C’est une technique relativement simple si l’eau peut être chauffée à température et si les pertes de chaleur dans les conduits restent limitées. Cela nécessite du personnel qualifié et demeure difficile à mettre en œuvre dans les homes et hôpitaux à cause du fonctionnement 24h/24 (risque de brûlure). Il n’est pas toujours techniquement possible d’y arriver : si tous les robinets sont ouverts, le débit risque d’être trop grand et la production ne pourra plus suivre. également, il y a lieu de vérifier au préalable si cela ne va pas entraîner de dégâts à l’évacuation (résistance limitée à la chaleur des tuyauteries d’évacuation …). Il reste à vérifier l’inexistence de bras morts dans le réseau.

Cette technique peut être automatisée dans certains types de bâtiment (piscines, complexes sportifs, douches au travail, …) : chaque soir le réseau est porté automatiquement à haute température, avec un rinçage par ouverture de robinets commandés à distance.

  1. Régulateur.
  2. Compteur.
  3. Soupape de sécurité.
  4. Clapet anti-retour.
  5. Robinet de douche normal.
  6. Robinet de désinfection actionné par la régulation.

À noter qu’un tel recours fréquent à une décontamination thermique de choc dans des installations en acier galvanisé augmente le risque de corrosion lorsque les températures sont nettement supérieures à 60°C.

On sera attentif au fait que la boucle de circulation soit correctement équilibrée (branches mal desservies…).

La désinfection chimique de choc

Il s’agit d’un rinçage avec un produit de désinfection : produit à base de chlore (hypochlorure de sodium, dioxyde de chlore, …). Il se fait avec une concentration élevée (de 30 à 50 mg de chlore libre/litre), pendant 12 à 24 heures à tous les points (ce qui nécessite un boucle de désinfection).

Cette méthode est efficace pour autant qu’elle soit réalisée de façon correcte, par un personnel expérimenté (attention à la contamination par le chlore !). Pendant la désinfection, l’installation est hors service, ce qui est difficile à réaliser dans les homes et hôpitaux. L’évacuation de l’eau chlorée demande une dilution avant la décharge (attention à l’impact sur les fosses septiques ou les centrales d’épuration).

L’ionisation Cuivre/Argent

Il s’agit cette fois d’un traitement chimique en continu. Des ions de cuivre (0,2 à 0,4 ppm) et d’argent (0,02 à 0,04 ppm) sont introduits dans l’eau par ionisation (en fonction du débit). Les ions positifs s’accrochent aux parties négativement chargées de la paroi cellulaire de la bactérie, ce qui entraîne sa mort.

Selon la littérature, ce traitement compte parmi les plus efficaces. Le traitement agit avec une certaine rémanence. Mais il n’est pas compatible avec l’acier galvanisé car Cu et Zinc forment un couple galvanique corrosif. Et l’utilisation régulière de tous les robinets reste requise.

Le dioxyde de chlore

Il s’agit d’un traitement chimique en continu à l’aide de ClO2, injecté dans l’eau avec un dosage fonction du débit. Mais un dosage « normal » ne permet pas de tuer toutes les légionelles présentes dans le biofilm. Un bon résultat n’est atteint … qu’avec un taux de concentration inadmissible (> 5mg/l) ! Le traitement ne présente pas de rémanence et provoque un risque de corrosion (qui peut être résolu par un traitement anti-corrosion approprié).

L’électrolyse

Il s’agit d’un traitement chimique en continu par l’hypochlorite (HClO – 0,1 à 0,3 ppm en chlore libre) par décomposition de l’eau par courant continu. L’avantage est de ne pas devoir ajouter de substances dans l’eau, sauf du sel NaCl. Cette technique est appliquée avec succès. Elle mise sur une tuyauterie en by-pass, avec désinfection surtout la nuit. Cette technique est cependant très coûteuse.

Le traitement UV

L’eau est soumise à des rayons ultraviolets d’une longueur d’onde de 254 nm, avec une dose de 160 J/m² minimum, souvent 400 J/m². Cette irradiation endommage l’ADN des bactéries qui ne se reproduit plus…

A nouveau, l’avantage est de ne pas devoir ajouter de produits chimiques dans l’eau. Mais il n’y a pas d’effet sur les micro-organismes piégés dans le biofilm situé en aval. L’eau doit être filtrée préalablement pour ne pas avoir de particules en suspension. Il est essentiel que les lampes restent propres (entretien régulier). D’une manière générale, le CSTC considère que l’UV ne se justifie que pour protéger une unité bien déterminée ou une zone restreinte de l’installation.


Les exigences réglementaires

Le règlement « piscines » en Wallonie (janvier 2003)

Les documents de référence sont les différents arrêtés du Gouvernement wallon du 13 juin 2013 (M.B. 12/07/13)((21 DECEMBRE 2006. – Arrêté du Gouvernement wallon modifiant l’arrêté du Gouvernement wallon du 4 juillet 2002 arrêtant la liste des projets soumis à étude d’incidences et des installations et activités classées et divers arrêtés du Gouvernement wallon déterminant les conditions sectorielles et intégrales)), ainsi que les exigences prsentes dans les permis d’environnement pour les installations de refroidissement par dispersion d’eau dans un flux d’air.

Quelques éléments sur cette réglementation « piscines » :

  • Pour les bassins de natation couverts, la température de production d’eau chaude devra être à 65 °C minimum.
  • Le mélange avec l’eau froide devra se faire le plus près possible de la distribution d’eau des douches.
  • Un contrôle deux fois par an dans l’eau d’un pommeau de douche devra vérifier que la concentration ne dépasse pas 1 000 CFU/l.

Un règlement « bâtiments publics » en Flandre (arrêté du Gouvernement flamand du 09 février 2007 – M.B. 04/05/07)

L’exploitant doit établir un « plan de gestion » de la légionelle : description de l’installation, analyse du risque et mesures de prévention.

Quels sont les seuils d’intervention ?

On distingue d’abord 2 niveaux de concentration en Legionella : le Lspp (tous les groupes) et le Lpn (seulement la Légionella pneumophila), d’application dans deux types d’installation :

Pour les systèmes d’eau froide et chaude

  • Si Lspp < limite de détection (environ 50 CFU/l) : pas d’actions
  • Si Lspp > limite de détection : peu de contamination –> vérifier si le système de préparation d’eau froide et chaude suit les recommandations en matière de température. Si oui, analyse tous les 3 mois, et si 4 x négatif, alors analyse 1 x par an. Si non, analyse tous les mois.
  • Si Lspp > 1 000 CFU/l : il y a contamination –> procéder à un nouvel échantillonnage et, si confirmation, à une désinfection de choc; dans les hôpitaux et les homes, surveillance des légionelloses.
  • Si Lspp > 10 000 CFU/l : il y a contamination importante –> fermeture de l’installation, désinfection de choc, analyse de de l’eau. Si Lspp reste > 1 000 CFU/l : fermeture et assainissement. Ensuite, analyse toutes les 2 semaines. Si 3 x de suite le résultat est négatif, contrôle tous les 3 mois. Si 4 x de suite l’analyse des 3 mois est négative, contrôle 1 x par an.

Pour les tours de refroidissement

On procède à l’analyse des Germes Totaux GT.

Si GT > 100 000 CFU/l ou si légionellose, alors analyse de la Legionella pneumophilia :

  • Si 1 000 < Lpn < 10 000 CFU/l, on procède à une nouvelle analyse et, en cas de confirmation, on analyse le risque.
  • Si Lpn > 10 000 CFU/l, on procède à un nettoyage complet et à une désinfection.

Mettre en place un stockage d’énergie frigorifique [Climatisation – concevoir]

Mettre en place un stockage d'énergie frigorifique


Choix entre les différentes technologies

L’objectif est de fabriquer et de stocker l’énergie frigorifique avant son utilisation, par exemple la nuit.

Deux types de technologie existent sur le marché :

  • soit des réservoirs d’eau très froide, sortes d’énormes ballons « tampon », qui sont des réservoirs à « chaleur sensible« .
    Le bac constitue une réserve d’eau à 5°C, un tampon mis en série dans l’installation. On pourra en disposer facilement au moment de la pointe. Mais la capacité de stockage est faible… L’objectif est seulement de délester le groupe frigorifique durant quelques minutes sur le quart-d’heure critique.
  • soit des réservoirs de glace, sous forme de barres de glace ou sous forme de nodules, qui sont des réservoirs à « chaleur latente« .

    L’installation (et sa régulation) est plus coûteuse mais nettement plus efficace ! Il est possible de stocker 80 fois plus d’énergie dans un litre d’eau qui gèle que dans un litre d’eau que l’on refroidit d’1 degré ! Le projet est alors véritablement de diminuer l’équipement frigorifique (au lieu de deux machines de 300 kW, c’est une machine de 300 kW et un stockage de glace qui est installé) et de réaliser un écrêtage de la puissance électrique durant plusieurs heures.


Avantages et inconvénients

Avantages

  • Le kWh frigorifique produit la nuit et/ou en dehors des heures de pointe revient nettement moins cher.
  • Si la réserve est utilisée au moment de la pointe ¼ horaire du bâtiment, les compresseurs peuvent être délestés, ce qui permet de réelles économies financières sur le coût de la pointe.
  • Nouvelles installations : diminution de la puissance frigorifique installée, par étalement de la charge dans le temps, et donc diminution de l’investissement initial en machines frigorifiques et équipements annexes.
  • Installations existantes : augmentation de la charge frigorifique sans augmentation de la puissance électrique installée (c’est intéressant pour des bâtiments en rénovation dont on souhaite augmenter l’équipement bureautique, sans devoir augmenter la puissance du transformateur).
  • Diminution de l’encombrement des tours de refroidissement en toiture.
  • Augmentation de la durée de fonctionnement des compresseurs (à la limite, fonctionnement 24h/24), ce qui améliore leur rendement moyen.
  • Possibilité d’un secours partiel (quelques heures seulement…) en cas de panne de la machine frigorifique ou d’interruption de la fourniture d’énergie électrique, seules les pompes étant alimentées par le groupe de secours. C’est une sécurité parfois recherchée pour les salles informatiques.
  • Pour les grands bâtiments, le réservoir d’eau obligatoire pour la protection incendie peut parfois être utilisé comme bâche d’eau glacée.

Inconvénients

  • Aucun gain sur le bilan énergétique thermique ! Même plutôt quelques pertes de frigories durant le stockage … C’est essentiellement une opération tarifaire, financière et non énergétique.
  • Lorsque la machine frigorifique « fait de la glace », la température à l’évaporation descend. Elle travaille avec un moins bon rendement que lors du régime normal de préparation de l’eau glacée ! Ceci est partiellement contrebalancé par le fait que la température de condensation va également pouvoir diminuer, suite aux températures plus fraîches de la nuit.
  • La puissance de la machine frigorifique descend à 60 % … 70 % de sa valeur nominale lorsqu’elle prépare de l’eau glacée.

Par exemple, voici l’évolution pour une machine particulière : la puissance lors de la charge de nuit est donc réduite à 324 kW / 458 kW = 71 % de la valeur nominale.

  • L’installation est plus complexe et nécessitera une régulation pour la gestion des cycles charge-décharge.
  • Le stockage thermique est volumineux et sera donc généralement limité à une part de la consommation journalière.

La démarche à suivre

Le choix de la mise en place d’un stockage de froid nécessite d’analyser correctement le profil de consommation du circuit froid.

Fixer les objectifs du stockage

De multiples combinaisons entre capacité de stockage, puissance de déstockage et puissance frigorifique sont possibles.

Il est donc utile de préciser les objectifs visés par le stockage : diminution de la pointe quart-horaire ? diminution de la puissance frigorifique installée ? réduction de l’encombrement des condenseurs/tours de refroidissement en toiture ? réserve stratégique de froid en cas de rupture de la machine frigorifique ?…

On distingue de multiples stratégies d’utilisation.

Par exemple :
Un stockage total de la charge frigorifique durant la nuit :

Un stockage partiel pour limiter la pointe frigorifique :

Un stockage partiel avec une utilisation spécifique à la gestion de la pointe quart horaire :

Seul un bilan financier global (coût d’investissement initial et coût d’exploitation associé) de chaque configuration peut permettre de sélectionner la combinaison optimale.

Vérifier l’encombrement

Les réservoirs de stockage sont parfois adoptés parce qu’ils permettent une diminution de l’encombrement des tours de refroidissement en toiture.

Par contre, ils nécessitent de la place à l’intérieur du bâtiment… Dans certains cas, le stockage est enterré dans le sol, devant le bâtiment ou sous celui-ci.

On tiendra compte également du poids supplémentaire sur la structure du bâtiment, ainsi que des pressions d’eau atteintes suivant la configuration du réseau.

Établir le profil des charges

Au contraire des systèmes de refroidissement classiques où il suffit de connaître la puissance de refroidissement maximale pour pouvoir faire son choix, l’accumulation de glace exige un profil de charge.

Il s’agit d’une présentation graphique (ou sous forme de tableau) de la charge de froid demandée en fonction du temps, et ce pour la journée de l’année où la charge de refroidissement est la plus importante (journée de référence, celle servant de base à la conception).

Le profil de charges est, en général, sous forme d’une courbe en cloche, dont la surface représente de 60 à 80 % de la surface du rectangle dans lequel la courbe s’inscrit. Ce pourcentage est appelé « facteur de simultanéité ». Plus ce facteur est bas, plus le rendement de l’installation sera défavorable.

Si la puissance maximale atteinte varie en fonction de la saison, la forme du diagramme reste relativement stable.

Etablir un scénario de charge et de décharge

Qui fait quoi et à quel moment ?

Voici 2 exemples :

  • L’objectif est de réduire la pointe électrique : le délesteur de charge arrête la machine frigorifique au moment critique et le réservoir prend le relais.
  • L’objectif est de garantir du froid en cas de panne du secteur : pour la sécurité du refroidissement du local informatique, un réservoir restera en permanence en glace, en stand-by pour le cas où… Dans ce cas, le groupe électrogène de secours doit seulement alimenter la pompe qui va envoyer l’eau glacée sur la glace.

Le dimensionnement des équipements et leur régulation sont fonction des objectifs recherchés…


La sélection du groupe frigorifique

Une machine frigorifique capable de préparer de la glace se distingue de celle destinée uniquement à la préparation de l’eau glacée :

  • La préparation de la glace requiert une température à l’évaporateur de plusieurs degrés sous zéro (de – 4° à – 10°C, en fonction du type de stockage choisi), alors que l’eau glacée se prépare généralement avec une température d’évaporation réglée sur + 2°C.
  • Si le stockage de l’énergie frigorifique est partiel, la même machine produira la glace la nuit et l’eau glacée le jour. Elle doit donc pouvoir s’adapter aux deux températures d’évaporation différentes.
  • La machine frigorifique travaillant de nuit, la machine doit être prévue pour pouvoir travailler avec une température de condensation réduite et profiter ainsi d’un coefficient de performance (« COPfroid » ou « efficacité frigorifique ») amélioré (les machines standards fonctionnent avec des températures de condensation élevées en permanence). En général, ceci suppose la présence d’un détendeur électronique, capable de s’adapter aux fluctuations de température de condensation.
  • Le système choisi requiert parfois la mise en place d’un fluide secondaire, type eau glycolée.

Même s’il est possible d’utiliser les machines standards, il sera toujours utile de procéder à une analyse spécifique pour ce type d’application. Notamment pour sélectionner le type de fluide frigorigène adapté à la fluctuation de température souhaitée, tant à l’évaporateur qu’au condenseur.

On sera particulièrement attentif à l’isolation des équipements : une isolation étanche à la vapeur pour éviter la condensation et la formation de glace. Cette isolation doit être scellée avant les essais.


La répartition des charges frigorifiques

La charge frigorifique doit être répartie entre la machine frigorifique et le stockage.

À titre d’exemple, considérons le profil de charge suivant :

Les besoins effectifs journaliers sont de 750 kWh. Une puissance maximale de 100 kW n’est requise que durant 2 heures sur un total de 10 heures d’exploitation.

On distingue deux principes de sélection des équipements :

Accumulation complète (Full Storage)

Dans le cas de ce système, on stocke dans la glace toute la quantité de froid nécessaire pour une journée complète. La machine frigorifique est arrêtée en journée et seule la glace en cours de fonte assure le refroidissement.

Il en résulte un système d’accumulation de glace très imposant, mais les coûts d’exploitation sont faibles (toute l’énergie est produite au tarif de nuit).

La puissance de la machine frigorifique est déterminée par le rapport entre l’énergie totale à accumuler (ici 750 kWh) et la durée de la période de production en Heures Creuses (ici 14 heures).

750 kWh / 14 h = 54 kW

Ce système est rarement appliqué, à cause du coût d’investissement et de l’espace disponible très élevés.

Accumulation partielle (Partial Storage)

Dans ce système, la même machine frigorifique réalise :

  • la préparation de glace durant la nuit,
  • le refroidissement partiel de l’eau glacée durant la journée, en étant alors secondée par la fonte de la glace.

La machine frigorifique fonctionnera donc 24 heures sur 24 lors de la journée de référence. Elle est alors dimensionnée en fonction de la charge de froid totale sur les 24 heures (ici 750 kWh en 24 heures) plutôt que sur la base de la charge de pointe (ici 100 kW).

En appelant :

  • Pc = puissance compresseur en direct
  • Pr = puissance réduite du compresseur la nuit = f x PC
  • f  = 3 % par °C d’abaissement de la température à l’évaporateur (valeur typique), soit une perte de puissance de 30 à 35 % en fonctionnement de nuit par rapport au fonctionnement de jour
  • En = énergie frigorifique journalière
  • Td = Temps de fonctionnement de la machine en direct
  • Ts = Temps de fonctionnement de la machine en phase de stockage de glace

La machine sera dimensionnée par :

en = Td x PC + Ts x Pr

d’où :

  • en = Td x PC + Ts x f x PC
  • PC = en / (Td + Ts x f )

Exemple de sélection

Pour expliquer la méthode de sélection, nous avons choisi de recourir à un exemple d’une installation selon le principe de fonte interne.

* A supposer

  • une charge de pointe de 1 000 kW
  • un régime de température de 12°C / 7°C
  • un refroidissement nécessaire entre 8 heures du matin et 18 heures (soit 10 heures)
  • une charge de refroidissement totale 8 000 kWh

* Il est demandé

La sélection d’un système d’accumulation de glace pour une machine frigorifique aussi petite que possible.

* Solution

La plus petite machine frigorifique est celle qui tourne 24 heures sur 24.

Pour faire de la glace, la machine frigorifique produira du glycol à une température négative (ex : – 5°C). Mais, pendant la journée, la machine frigorifique fonctionnera à des températures positives dans la mesure où elle devra seulement pré-refroidir le glycol à 12°. Sa puissance étant limitée, la glace assurera le post-refroidissement.

Les caractéristiques de fonctionnement de la machine frigorifique ne sont donc pas identiques pour la production de glace et pendant la journée. La nuit, lors de la fabrication de la glace, la machine présente une puissance de l’ordre de 65 à 70 % de la puissance nominale. Cette valeur de 70 % n’est qu’indicative et devra donc être vérifiée a posteriori avec les fournisseurs de la machine frigorifique en fonction des températures d’évaporation et de condensation réelles.

Dans notre exemple, nous avons un temps de fabrication de glace de 14 heures et un temps de fonte de 10 heures. La machine frigorifique fonctionnera donc 10 heures à 100 % de capacité et 14 heures à 70 % de capacité. La quantité totale de froid à fournir est de 8 000 kWh. Dès lors, si nous comparons le froid produit au froid nécessaire, nous obtenons :

(10 h x 100 % de cap.) + (14 h x 70 % de cap.) = 8 000 kWh

cap. x (10 + 14 x 0,7) = 8 000 kWh

cap. = 404 kW

La machine frigorifique fournira donc 404 kW pendant la fonte et 70 % de cette valeur pendant la fabrication de glace, soit 283 kW.

La puissance de stockage de glace nécessaire est alors égale au temps de fabrication multiplié par la puissance de production de froid pendant la fabrication, soit :

14 heures x 283 kW = 3 960 kWh.

On trouve la même puissance de stockage en soustrayant de la charge totale de froid de 8 000 kWh la puissance de froid fournie par la machine frigorifique pendant la fonte :

8 000 kWh – (10 h x 404 kW) = 3 960 kWh.

*Conclusions

Il faut un appareil d’accumulation de glace d’une puissance de stockage minimale de 3 960 kWh.

Si le réservoir présente une capacité de 50 kWh/m³, il faudra prévoir un stockage de :

3 960 / 50 = 80 m³

Attention à la température de restitution de la glace !

La méthode de sélection ci-dessus est une première approche simplifiée !

Ainsi, il faut également vérifier si l’appareil d’accumulation de glace peut garantir la puissance de fonte souhaitée à la température demandée (ce n’est pas tout d’avoir les kWh, encore faut-il qu’ils soient restitués à une température suffisamment basse !).

Pour des applications exploitant le principe de la fonte externe, cela ne pose généralement pas de problème dans la mesure où un réservoir peut être complètement fondu en 2 heures à une température d’eau de 1 à 2°C. Dans le cas de la fonte interne, en revanche, il est conseillé d’examiner cet aspect avec le fabricant, étant donné que la puissance de fonte est nettement inférieure et dépend en outre dans une large mesure de la quantité de glace restante. Généralement, on admet dans le cas de la fonte interne que la puissance de fonte restante est d’autant plus faible que la quantité de glace restante est petite. Mais cette situation est améliorée si une pompe à air pulse des bulles d’air au fond du réservoir. L’agitation est favorable à l’homogénéité des températures, notamment par bris de la glace en fin de fonte interne.

Dans notre exemple, la puissance de fonte la plus importante à fournir est de :

1 000 kW – 404 kW = 596 kW
(puissance de pointe – capacité de la machine frigorifique).

Comparé à la puissance de stockage de l’appareil d’accumulation de glace (3 960 kWh), il s’agit d’un temps de fonte « équivalent » de 6,2 heures. Avec les systèmes de fonte interne couramment utilisés, on peut alors s’attendre à des températures de fonte autour de 5°C. Cela convient donc pour la température demandée de l’ordre de 6°C.

Le fournisseur dispose de logiciels de dimensionnement plus élaborés qui vérifieront si la température lors de la décharge reste compatible avec la demande.

 Études de cas 

Un exemple d’analyse de l’évolution de la température, issue d’un logiciel de ce type, est donné dans les études de cas.

Le dimensionnement du réservoir de stockage

Capacité d’un stockage eau

La chaleur sensible de l’eau est de 1,163 kWh/m³.K.
La capacité de stockage dépend dès lors du régime de fonctionnement :

  • en régime 5°/12°C, un m³ d’eau stocké à 5° dispose d’un delta T° = 7°C, soit une réserve de 8,14 kWh/m³.
  • en régime 5°/15°C, un m³ d’eau stocké à 5° dispose d’un delta T° = 10°C, soit une réserve de 11,63 kWh/m³.

Pour stocker 1 000 kWh, il faudra 123 m³ sous un delta T° = 7°C, et 86 m³ sous un delta T° = 10°C.

Capacité d’un stockage glace

La chaleur latente de cristallisation de l’eau est de 93 kWh/m³ (en eau), soit de 84,5 kWh/m³ (en glace). en quelle sorte, on pourrait parler d’une capacité de stockage équivalente, en chaleur sensible, à un delta T° de l’ordre de 80°C ! Et cette propriété peut encore être renforcée par l’addition d’un sel eutectique dans l’eau.

Mais en pratique, l’entièreté d’un m³ de stockage ne se transforme pas en glace, ne fût-ce que pour pouvoir encore laisser passer le fluide caloporteur.

Aux valeurs de stockage en chaleur latente, on peut ajouter la chaleur sensible, en eau et en glace, fonction des niveaux de température atteints.

Les valeurs moyennes suivantes peuvent être prises :

Capacité de stockage

Volume pour 1 000 kWh

Bac à eau chal. latente 40 kWh/m³ 25 m³
chal. sensible et latente 50 kWh/m³ 20 m³
Bac à glace chal. Latente 48 kWh/m³ 21 m³
chal. Sensible et latente 58 kWh/m³ 17 m³
Nodules chal. Latente 40 à 50 kWh/m³ 25 à 20 m³
chal. Sensible et latente 50 à 60 kWh/m³ 20 à 17 m³

On constate que, en moyenne, un m³ de stockage en « glace » emmagasine 4 à 6 fois plus de froid qu’une bâche de stockage en « eau glacée ».

Ces valeurs permettent de dimensionner grossièrement le système. Les fabricants disposent d’outils de simulation permettant d’affiner ce calcul.

Études de cas

Un exemple de dimensionnement pour une installation de 500 kW frigorifique est donné dans les études de cas.

Les schémas d’installation

Stockage d’eau glacée

Les schémas d’installation diffèrent en fonction de la place relative du ballon par rapport au chiller.

 Techniques

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Stockage de glace

Les schémas de principe sont basés sur trois types de configuration :

  • Stockage en série avec la charge, la machine frigorifique étant en aval des bacs de stockage.
  • Stockage en série avec la charge, la machine frigorifique étant en amont des bacs de stockage.
  • Stockage en parallèle avec la charge.

Voici différents schémas possibles extraits de l’ouvrage « Production de chaud et de froid » de Bouteloup chez Pyc Éditions :
Stockage de glace dans des réservoirs à faisceaux tubulaires

  Techniques 

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Stockage de glace en parallèle avec réservoir à nodules

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Études de cas

Un exemple de schéma d’une installation existantes est donné dans les études de cas.

Régulation du système stockage-chiller

La régulation du système « stockage – machine frigorifique » est fonction de divers paramètres :

  • l’importance relative du stockage par rapport aux besoins journaliers,
  • la configuration du système (série amont, série aval, parallèle),
  • les objectifs stratégiques (puissance frigorifique minimale, gestion de la pointe ¼ horaire, conservation d’une réserve de froid permanente pour la salle ordinateur en cas de défaillance du groupe frigorifique,…),

Si le stockage est total, la gestion est simple : le stockage assure les besoins journaliers totaux. Une simple vanne trois voies motorisée ajuste l’offre à la demande. Dans certains cas, il est même possible de profiter des Heures Creuses du week-end pour précharger le stockage au maximum.

Si le stockage est partiel, on distingue deux possibilités :

  • Chiller prioritaire : la machine frigorifique assure la charge permanente de base, tout en disposant de l’appoint du stockage pour vaincre les pointes. Ce système permet de charger le compresseur de façon constante, ce qui est l’idéal pour son rendement.
  • Stockage prioritaire : la charge de base est couverte par la décharge du stockage. La machine frigorifique est prévue pour couvrir les pointes de la journée. Ce système, qui suppose une capacité de stockage plus importante, valorise davantage les kWh frigorifiques produits la nuit, mais pénalise la machine frigorifique dans son fonctionnement direct.

Quelques schémas d’installation pratiques sont proposés dans la publication « Production de chaud et de froid » de Bouteloup chez Pyc Éditions.

Exemples de scénarios possibles avec une GTC :

> « Stockage total » : pour les mois de novembre, décembre, janvier et février, le stockage a été dimensionné pour fournir seul les besoins de froid. L’installation fonctionnant en tarif horo-saisonnier, il est très important de limiter au maximum les pointes de puissance. La machine frigorifique sera donc délestée.
> « Priorité stockage » : en mi-saison, la priorité est donnée à la décharge du stockage, avec appoint de la machine frigorifique en fin de journée et durant les pointes.
> « Priorité chiller » : en été, c’est la machine frigorifique qui assure la base et le stockage est utilisé pour couvrir les pointes grâce à la rapidité de l’apport frigorifique qu’il permet. Lorsque vient la fin de la journée, le système bascule en mode « déstockage uniquement » afin de vider l’excédent. La décision de basculer est prise par la GTC en fonction de divers paramètres. Suivant les cas on prendra en compte : l’épaisseur de glace restante, la température extérieure, l’ensoleillement, l’heure dans la journée, l’historique des deux derniers jours, l’historique de l’année précédente,… Un tel modèle, mis au point progressivement, permet des économies importantes à terme. Toute la difficulté consistant à conserver une réserve de froid suffisante pour une pointe éventuelle !
> « Charge nocturne » : cette charge peut être démarrée « au plus tard », afin d’être juste suffisante en début de journée. Un historique peut permettre d’optimaliser le moment de la relance en fonction des besoins.
> Le fin du fin : si l’on prévoit quelques besoins de relance de chauffage dans le bâtiment en début de journée, une récupération de chaleur sur le condenseur de la machine frigorifique est possible; la préparation du froid de l’après-midi génère le petit coup de chaleur du matin, le stockage faisant office de réservoir tampon entre ces deux besoins !

Évaluation de la rentabilité

La rentabilité d’un stockage de glace s’établit par le rapport entre le surcoût au niveau de l’installation frigorifique et l’économie financière réalisée.

Le surcoût est estimé entre 20 et 30 % de l’installation frigorifique initiale. Cette estimation comprend :

  • Les bacs à glace : on peut compter 30 €/kWh de stockage pour une petite installation de 2 000 kWh, 25 €/kWh pour une installation de 5 000 kWh, 20 €/kWh pour une belle installation de 10 000 kWh.
  • Les équipements annexes : pompes, échangeurs,…
  • La déduction du prix de la machine frigorifique que l’on a pu économiser.

Ce qui est difficile à chiffrer et qui constitue un frein majeur du développement du stockage de nuit, c’est le volume nécessaire dans le bâtiment pour entreposer les bacs !…

L’économie financière est essentiellement résultante de l’écrêtage de la pointe quart-horaire. L’économie réalisée sur le coût moindre du kWh de nuit par rapport au kWh de jour est proportionnellement plus faible.

En effet, prenons le tarif « binôme A – Éclairage » :

Le prix du kWh de jour est de 6,25 c€/kWh (HTVA) contre 4,33 c€/kWh la nuit. En passant d’une production de jour vers une production de nuit, l’économie est donc de 31 %. Mais le fait de produire de la glace engendre un abaissement de la température d’évaporation, et le compresseur n’apprécie pas !

Ainsi, un compresseur qui voit la température d’évaporation passer de + 2°C à – 5°C voit son rendement baisser de 20 % environ. Si, parce qu’un échangeur intermédiaire supplémentaire est placé, la température d’évaporation passe à – 10°C, le rendement chute de 30 %… ! En y ajoutant quelques pertes inévitables par les parois des bacs, et les consommations des pompes,… tout le bénéfice est mangé !

Il n’empêche que les installations à – 5°C sont possibles et que l’on peut sélectionner des machines frigorifiques capables de valoriser la faible température nocturne (et donc la faible température de condensation).

Mais c’est sur le coût de la pointe de puissance que le gros de l’économie doit être trouvé (8 €/kW de pointe, chaque mois) ! Le temps de retour du projet pour une installation électrique de 500 kW et plus descend sous les 3 ans, d’après les fournisseurs.

Chaque scénario doit être étudié sérieusement. Ainsi, un bâtiment avec une prédominance de consommation électrique en été aura avantage à choisir le tarif horo-saisonnier. Dans ce cas, le délestage du groupe frigorifique durant les 4 mois d’hiver sera très rentable : 14 €/kW HTVA. Mais c’est également le moment où la demande de froid est la plus faible… L’équipement peut-il s’amortir sur ces mois d’hiver ?


La réception du matériel

Lors de la réception du matériel, il sera bon de vérifier :

Au niveau du circuit hydraulique :

  • la concentration en glycol à plusieurs endroits du circuit,
  • l’isolation des circuits et des vannes,
  • la stabilité hydraulique (équilibrage) dans tous les modes de fonctionnement du réseau, avant même d’enclencher le groupe frigorifique,
  • les débits et les pertes de charge dans diverses configurations (pour vérifier notamment si on a tenu compte de la viscosité du glycol lors de la sélection des pompes),
  • les points repris dans la régulation et la stratégie de commande choisie,
  • la protection du circuit secondaire éventuel (boucle d’eau glacée vers les ventilos, par exemple) contre tout risque de gel.

Au niveau du stockage :

  • le niveau d’eau dans le réservoir,
  • le débit et les températures lors de la charge et de la décharge.

Au niveau de la machine frigorifique :

  • la charge effective du stockage dans les conditions prévues et les températures d’évaporation spécifiées, et ceci dans le temps prévu.

Plusieurs essais sous des régimes différents seront nécessaires. On tiendra compte du fait que lors de la première mise en charge, la température initiale du bac est plus élevée que celle en régime (généralement autour des 5°C). Le premier temps de charge sera donc plus long.


La maintenance

La maintenance d’un stockage de glace est faible. On suivra les recommandations du fabricant, dont la vérification régulière de la concentration en eau glycolée.

La présence de vannes d’isolement doit permettre de démanteler facilement le réservoir de stockage sans interrompre le restant du circuit.

Si l’isolation doit être remplacée, on sera attentif à sécher au préalable soigneusement la zone traitée et à rétablir l’étanchéité au passage de la vapeur d’eau afin d’éviter la corrosion ultérieure des installations.

Courbe des températures cumulées et visualisation des performances d’un récupérateur

Pour illustrer l’importance des gains énergétiques, il est utile de pouvoir visualiser l’évolution des températures tout au long de l’année. C’est l’intégration de cette évolution des températures qui donne la courbe des fréquences cumulées degrés-heures (D°h), image des besoins en chauffage du bâtiment.

Les degrés-heures représentent la somme cumulée des écarts entre la température extérieure et une température de référence, à chaque heure de la saison de chauffe.

Par exemple pour Uccle et une température de 20°C, c’est l’aire entre l’isotherme 20°C et la courbe de fréquence cumulée des températures extérieures soit 89 248 degrés-heures (Dh).

Courbes représentant la fréquence d’occurrence des températures extérieures, comparée à la température de consigne intérieure.

Le graphe ci-après représente le fonctionnement d’un récupérateur dont le rendement est de 70 %, placé sur de l’air pulsé à 22°C.

Courbe de températures cumulées
illustrant l’énergie économisée par la présence d’un récupérateur
(T° sortie récupérateur = T° ext + ε x (T° int – T° ext), par exemple : 19° = 12° + 0,7 x (22° – 12°)).

Distribution de vapeur

Distribution de vapeur

La distribution de vapeur qu’elle soit centrale ou locale doit être bien pensée de manière à assurer les débits de vapeur à n’importe quel moment du cycle de stérilisation.


Les conduites

Photo stérilisation - conduites.

Le réseau de distribution est digne de celui d’une centrale électrique; les conduites vont dans tous les sens. Elles sont en acier inoxydable ou en cuivre.

Ce réseau véhicule de la vapeur à haute température (134 °C) et sous haute pression (3 bar). La mise en œuvre doit donc être très soignée. Thermiquement parlant, ces tuyauteries constituent autant de radiateurs; en d’autres termes, il faut les isoler correctement afin de réduire :

  • le risque de brûlure,
  • les déperditions au travers des parois vers l’ambiance,
  • la production de condensas qui, s’ils ne sont pas récupérés, constituent une perte énergétique non négligeable.

Un soin particulier doit aussi être pris pour la récupération des condensas: il est nécessaire de penser tout le réseau de distribution en pente douce:

  • soit vers le générateur,
  • soit vers les points de purges sachant qu’ils faut prévoir un système de récupération de condensas derrière.

Les vannes

Les vannes sont de construction robuste car elles travaillent dans des conditions difficiles. La commande des vannes côté vapeur s’effectue, en général, de manière pneumatique.
Il est nécessaire de les isoler aussi de manière à réduire les risques de brûlure par contact et les déperditions thermiques.

Photo stérilisation - vannes.

Consommation d’électricité en réfrigération

Consommation d'électricité en réfrigération


Armoire frigorifique

Consommation des chambres froides et armoires frigorifiques par mètre courant pour les magasins [kWh/(mc.a)]

Type

-18°C

-22°C

-18°C
avec fermeture la nuit

Zone îlot surgelés
Zone surgelés adossée
Cloison surgelés
Comptoir viande horizontal
Comptoir viande vertical
Comptoir légumes horizontal
Comptoir légumes vertical
Frigo avec portes vitrées
Boîte frigo avec couvercle
Frigo roulant (lait/yaourt)
Comptoir pâtisserie
Frigo portable traiteur

3 050
4 800
2 550
950
4 100
700
2 000
5 700
1 000
4 200
650
1 200

3 300
5 200
2 750
1 150
4 850
850
2 600




2 600
4 100
2 150
650
2 900
500
1 450




Remarque : utilisation par RV 60 % ; alimentation de nuit 14 heures/jour.

Source : Novem /TMO 1993.

Consommation moyenne des armoires frigorifiques [kWh/a]

Capacité totale
(litres)

Compartiment froid

Sans

*

**

***

60
125
250
350 (1)

250
350
275
365
400
330


290
365
660
340
465
365
(1) avec zone « cave ».
Source : Novem /Veen/energiewijzer.

Consommation moyenne des combinés frigo/congélateur [kWh/a]

Capacité nette
(litres)

Avec un thermostat

Avec deux thermostats

200
300
400

490
575
475

565
560

Source : Novem /veen/energiewijzer 1993.

Consommation moyenne des surgélateurs [kWh/a]

Capacité nette
(litres)

Surgélateur vertical
kWh/a

Bahut
kWh/a

50
100
200
300
450

380
400
445
645
1 200

365
420
385
406
585

Source : Novem /Veen/Énergiewijzer 1993.


Distributeur de boissons

Consommation électrique des distributeurs de boissons (kWh/an)

Boissons froides
Boissons chaudes pour un département de bureaux (1. kW)
Boissons chaudes pour une cantine scolaire (3 kW)

400

800

1 500

Source : Novem.
Remarques.

  • Un distributeur de boissons froides reste allumé 24h/24.
  • Un distributeur de boissons chaudes fonctionne à la demande.
  • Pour les distributeurs de boissons chaudes, le taux d’utilisation est de 5 % pendant les périodes de présence des utilisateurs et les pertes en mode stand-by sont de l’ordre de 5 % de la puissance installée.

Mesures d’économie pour distributeurs de boissons

Mesure

Économie maximale
%

Interruption en dehors du temps d’utilisation
Remplissage avec de l’eau chaude

70

10

Remarque : ces mesures ne peuvent être mises en application qu’après accord du fabricant.


Refroidisseur des pompes à bière

Consommation électrique des refroidisseurs à bière

Type

Consommation de base
kWh/a

Consommation par fût
kWh/fût

Monobloc
Split Unit*

150
200

0,6
0,8

* compresseur et évaporateur séparés.

Remarque : caisson froid isolé 40 x 40 x 74 cm, temps d’utilisation 8 760 h/a.

Source : Gamko/Novem  – 1993.


Perte des tuyauteries frigorifiques

Consommation électrique du compresseur en fonction de la non-isolation du système frigorifique (kWh/mct de tuyauterie).

Diamètre
T(°C)

25 mm

50 mm

100 mm

15
10
5
0
-5
-10
-15
-20

    4
11
25
48
81
127
186
259

  71
95
129
179
247
337
449
585

  334
409
503
623
778
969
1 200
1 473

Bases de calcul :

  • 8 760 h/a.
  • Rendement de Carnot du système de froid : 60 %.
  • Température de condensation : 40°C.
  • Température d’évaporation 10 K inférieure à la température de liquéfaction.
  • Pas de formation de glace (fortement compensée par les travaux d’isolation).
  • Y compris évacuation de la chaleur de la vapeur condensée sur les tuyauteries.
  • Température ambiante : 20°C.
  • Teneur en humidité absolue de l’air intérieur = extérieur.

Dégivrage

Dégivrage


Origine du givre et conséquences sur l’installation frigorifique

L’air ambiant autour de l’évaporateur contient de l’eau. Cette eau givre au contact des surfaces froides de l’évaporateur lorsque la température dans la batterie est inférieure à 0°.

Du côté de la chambre froide ou du meuble frigorifique

Le givre diminue le transfert thermique entre l’air et la surface extérieure de la batterie.
Le givre sur les tubes à ailettes de l’évaporateur gêne la circulation de l’air soufflé par le ventilateur. Le débit d’air diminue puisque la résistance à l’écoulement de l’air au travers de la batterie givrée s’accroît. L’apport de froid vers la chambre se fait moins bien. La température de la chambre froide monte quelque peu.

Du côté du circuit frigorifique

Les résultats de ces effets sont :

  • Suite à la résistance thermique qui se crée entre la batterie et l’air (c’est une « couche isolante » entre l’échangeur et la chambre froide), le réfrigérant ne s’évapore pas entièrement dans l’évaporateur.
  • La quantité de vapeur produite diminue, mais le compresseur continue d’aspirer puisque la température de consigne n’est pas atteinte. La pression à l’entrée du compresseur (BP) diminue. Si la pression diminue, la température d’évaporation diminue également. À court terme, cela augmente le froid donné à la chambre (l’écart de température « chambre-évaporateur » augmente), mais cela augmente l’effet de givrage.
  • Le détendeur va réagir : il constate que la surchauffe des gaz est trop faible, il imagine que c’est parce que la charge frigorifique dans la chambre a diminué et il diminue le débit de fluide. La quantité de vapeur produite diminue encore, la Basse Pression diminue également et le givrage s’accentue.
  • Au point que la conduite d’aspiration vers le compresseur peut complètement givrer. Quelques gouttes liquides de réfrigérant peuvent alors se retrouver à l’entrée du compresseur, avec le risque de créer des « coups de liquide » au compresseur.

Globalement, le compresseur de la machine frigorifique travaille avec une mauvaise efficacité énergétique : la couche de glace sur l’évaporateur peut être comparée à une couverture posée sur un radiateur (pour obtenir la même chaleur, il faudra augmenter la température de l’eau et diminuer le rendement en chaudière).


Les étapes du dégivrage

Voici la séquence de dégivrage la plus utilisée :

1. Arrêt du fluide frigorigène dans la batterie à dégivrer

On coupe l’alimentation électrique de la vanne magnétique qui se trouve sur le circuit juste avant l’évaporateur. La vanne se ferme. La Basse Pression au compresseur descend et le compresseur s’arrête dès que le niveau réglé sur le pressostat Basse Pression est atteint.

Quand il n’y a pas de vanne magnétique, le compresseur est directement arrêté électriquement (contacteur). Mais dans ce cas, une migration de réfrigérant peut se produire et encore continuer à s’évaporer, ce qui peut poser problème.

2. Arrêt de la ventilation de l’évaporateur

En arrêtant la ventilation, on évite une diffusion dans la chambre froide de la chaleur dégagée par l’évaporateur en cours de dégivrage.

Des fabricants d’évaporateurs ont même imaginé des manchons souples en fibre polyester (encore appelés « shut up »), placés à la sortie du ventilateur de l’évaporateur et d’environ 50 cm de long. Lorsque la ventilation est à l’arrêt, ce manchon retombe et se rabat sur la surface de pulsion du ventilateur. Une barrière physique autour de la chaleur produite dans l’évaporateur est créée.

3. Réchauffage de la batterie jusqu’à une température supérieure à 0°C pour faire fondre la glace

Le positionnement d’une sonde de fin de dégivrage est nécessaire dans la batterie pour permettre le contrôle de la température à 0° et permettre à la production de froid de reprendre. En pratique, la position idéale de la sonde n’est pas facile à déterminer, car le givre n’est pas toujours uniforme sur l’évaporateur.

4. Remise en circulation du fluide frigorigène

Après disparition du givre et égouttage soigné de la batterie pour éliminer l’eau de fusion, le fluide frigorigène est remis en circulation pour refroidir la batterie.

Pour s’assurer du parfait égouttage, une temporisation est prévue entre la fin du dégivrage et l’ouverture de la vanne magnétique permettant à la production frigorifique de reprendre.

5. Remise en fonctionnement de la ventilation

C’est seulement après l’ouverture de la vanne magnétique et après une deuxième temporisation (permettant à la batterie d’atteindre une température moyenne inférieure ou égale à celle de l’enceinte) que les ventilateurs de l’évaporateur sont remis en fonctionnement (technique encore appelée « snap freeze »).

À défaut, la remise en route prématurée des ventilateurs peut envoyer de la chaleur dans la chambre froide et/ou des gouttelettes d’eau encore présentes.

6. Reprise du cycle normal de refroidissement


Les différentes techniques de réchauffage de la batterie

Le réchauffage de la batterie pour assurer la fusion du givre peut se faire de diverses façons.

  • Par résistance chauffante
    Des résistances chauffantes sont imbriquées dans les tubes en cuivre qui composent la batterie de l’évaporateur. Leur position et leur puissance sont étudiées par le fabricant de manière à répartir uniformément la chaleur produite à l’ensemble de la batterie.
  • Par introduction de vapeurs refoulées par le compresseur
    Cette technique, encore appelée dégivrage par « vapeurs chaudes » ou par « gaz chauds », consiste à inverser le cycle et à faire fonctionner l’évaporateur, le temps du dégivrage, en condenseur.
  • Par aspersion d’eau sur la surface externe, givrée, de la batterie

  • Par circulation d’air de la chambre
    De l’air provenant soit de l’intérieur de la chambre même, soit de l’extérieur, est envoyé sur l’échangeur. Dans le premier cas, le dégivrage est très lent. Dans le second, il faut isoler l’évaporateur de la chambre, ce qui n’est pas pratique.
    L’inertie des produits stockés suffit à maintenir l’ambiance dans une fourchette de température acceptable.

Régulation du dégivrage

La régulation par horloge

C’est la méthode la plus simple : les opérations de début et de fin de dégivrage sont commandées par de simples horloges à contacts.

La régulation électronique intelligente

La programmation des opérations de dégivrage est plus délicate qu’il n’y paraît. La commande optimale de ces opérations exige que l’initiation du dégivrage soit commandée par la présence effective de givre déposée sur la batterie, et que la fin du dégivrage soit commandée par la vérification que tout le givre a disparu de sa surface. Encore faut-il disposer des capteurs adéquats.

Voici les principes de fonctionnement rencontrés chez deux fabricants.

Première technique

Initialement, une programmation horaire traditionnelle des dégivrages est organisée.

Le régulateur analyse la courbe de montée en température : s’il n’aperçoit pas de plancher horizontal lui indiquant une phase de fusion de la glace (pendant laquelle la température reste constante), il en déduit qu’il n’y avait pas de givre et ralentira la cadence des dégivrages ! En pratique, il enregistre le temps total de montée en température : si ce temps est très court, il sait qu’il n’y a pas eu de période de fusion. La programmation initiale reste, mais en fonction d’une statistique établie sur la mesure du temps des 10 derniers dégivrages, il décide de sauter ou non le dégivrage suivant. Le nombre de dégivrages diminue sensiblement.

La durée d’une période de dégivrage dépend :

  • de l’échauffement et du refroidissement de l’évaporateur (fixe),
  • de l’échauffement et de la fusion du givre (variable).

Seconde technique

Ce second système associe, en fait, une régulation de dégivrage proprement-dite à un choix d’une technique de dégivrage (dégivrage par résistance chauffante ou par circulation d’air de la chambre).

Au niveau de la régulation du dégivrage proprement-dite, une sonde sert à mesurer la température ambiante de la chambre (reprise d’air à l’évaporateur), l’autre est placée dans les ailettes de l’évaporateur. Cette dernière peut déduire des températures enregistrées la présence de glace, selon une technique qui ne nous a pas été détaillée.
Chez ce fabricant, le critère d’arrêt du dégivrage classique est une température d’évaporateur de 10 °C. Cela semble élevé mais c’est, semble-t-il, une sécurité par rapport à l’absence totale de glace.

Quant au choix de la technique de dégivrage, le système part d’un raisonnement fort intéressant :

En « temps normal », il ne faut pas faire fondre cette glace par une source de chaleur extérieure, mais bien par l’air de la chambre. Toute l’énergie latente contenue dans la glace sera restituée à l’ambiance. Le compresseur s’arrête et le ventilateur continue à pulser l’air ambiant sur la batterie.

  • Si la chambre est positive (stockage de fruit et légumes, de viandes, .), l’air à + 4 ou + 5 °C fera fondre la glace et restituera le froid vers l’ambiance. À noter que l’humidité est également restituée, entraînant une teneur en eau plus forte dans la chambre, ce qui est favorable à la conservation des victuailles.
  • S’il s’agit d’un congélateur à – 20 °C, la glace présente sur l’échangeur est une glace à – 25.- 27 °C, glace fort poudreuse qui ne « colle » pas fortement à l’évaporateur. Il semble que l’air de la chambre à – 20 °C va alors provoquer la sublimation de la glace (passage de l’état solide à l’état vapeur).

Par contre, si une entrée importante de marchandises est organisée, un dégivrage classique par résistance chauffante aura probablement lieu : il n’est pas possible d’attendre la fusion de la glace par l’air ambiant, le compresseur fonctionnant à pleine charge.

Quel que soit le système de régulation intelligente, la souplesse de ces appareils par rapport aux thermostats mécaniques permet d’affiner les réglages et de proposer des fonctions complémentaires :

  • alarmes,
  • possibilité de faire fonctionner le congélateur avec une consigne abaissée de 5°C la nuit (pour bénéficier du courant de nuit),
  • possibilité de délester durant la pointe 1/4 horaire,

Climatiseur individuel

Climatiseur individuel


Principe de fonctionnement

Un climatiseur de local est une machine frigorifique prévue pour extraire la chaleur des locaux et la rejeter à l’extérieur.

Schéma principe climatiseur de local

Le fonctionnement d’un climatiseur est basé sur le changement de phase d’un fluide frigorigène :

  • dans l’évaporateur, le fluide capte la chaleur dans l’air du local et s’évapore;
  • dans le condenseur, le fluide redevient liquide car il est refroidi par l’air extérieur.

Le compresseur a pour rôle de comprimer le gaz, opération accompagnée d’une forte élévation de température qui permettra au fluide frigorifique de céder sa chaleur à l’air extérieur.

Le détenteur relâche la pression, opération accompagnée d’une forte diminution de température nécessaire à l’échange de chaleur avec l’air ambiant.


Typologie des climatiseurs de locaux

On distingue plusieurs types de climatiseurs :

Le climatiseur mobile

C’est un appareil à faible puissance frigorifique (max 2,5 kW), principalement destiné à un usage local. Il impose de laisser un ouvrant entrouvert, ce qui diminue l’étanchéité du local à l’air et aux bruits extérieurs !

Ce système est de moins en moins utilisé. Son emploi se limite souvent aux situations provisoires.

Photo climatiseur mobile.Schéma principe climatiseur mobile.

S’il est monobloc, l’air de refroidissement du condenseur peut être pris soit dans la pièce (perte de puissance jusqu’à 30 % par rapport à la puissance frigorifique annoncée), soit à l’extérieur (cas le plus favorable). Il est rejeté systématiquement à l’extérieur par une gaine flexible;

Photo climatiseur mobile séparé.Schéma principe climatiseur mobile séparé.

S’il est séparé, pour des raisons de mobilité de l’unité extérieure, le compresseur est situé dans l’unité intérieure. La distance entre les deux unités est généralement limitée à 2 m.

Le « Window Unit » ou climatiseur de fenêtre

Le climatiseur de « fenêtre » (« window »), est un climatiseur monobloc installé dans un percement effectué dans une paroi extérieure (mur ou baie).

Schéma principe climatiseur de fenêtre - 01.Schéma principe climatiseur de fenêtre - 02.

Généralement, un seul moteur entraîne simultanément le compresseur et les deux ventilateurs. Si bien que tous les bruits de fonctionnement sont fournis en prime dans le local ! Seuls les amateurs de polars américains (où il y a toujours un window qui vrombit à l’arrière de l’inspecteur, celui-ci basculant sur sa chaise, les deux pieds sur son bureau…) peuvent apprécier ce type de confort … !

Le « split system »

« Split System » signifie « climatiseur à éléments séparés », à savoir que l’unité de condensation est séparée de l’unité d’évaporation.

Avec un split, l’évaporateur est souvent situé dans le local à traiter, tandis que condenseur et compresseur sont situés à l’extérieur (en terrasse, au sol,…), ce qui permet de diminuer le bruit !

Schéma Le "split system" - 01. Schéma Le "split system" - 02. Schéma Le "split system" - 03. Schéma Le "split system" - 04. Schéma Le "split system" - 05. Schéma Le "split system" - 06.

Dans chacun des cas, les unités sont reliées par liaison frigorifique (fluide frigorigène) et cable électrique, dont les longueurs peut être adaptées au cas traité, ce qui autorise une grande souplesse d’installation.

Schéma principe "split system".

Remarque.

pour des raisons esthétiques ou de sécurité, il est également possible de ne pas disposer le condenseur à l’extérieur mais en cave. Ceci n’est uniquement possible que si on garantit une ventilation de la cave (pulsion-extraction) d’un débit au moins égal au débit d’air nécessaire pour le bon fonctionnement du condenseur. Éventuellement, une ventilation mécanique peut être asservie à un thermostat d’ambiance dans la cave pour garantir le débit nécessaire.

Le « multi-split system »

Les unités de condensation et d’évaporation sont séparées et reliées par des liaisons frigorifiques et électriques dont la longueur peut être adaptée au cas traité, ce qui autorise une grande souplesse d’installation.

Schéma multi-split system.

Les unités d’évaporation peuvent être posées diversement, y compris dans un local annexe avec des gaines de soufflage dans 1 ou 2 locaux.

Cas particulier : le Roof-Top

Schéma Roof-Top.

L’unité de condensation et d’évaporation sont intégrées dans le même appareil posé en toiture et relié par une gaine à un diffuseur d’air séparé.

Vue d’un roof-top posé sur une toiture.


Détails technologiques

L’unité d’évaporation

Un ventilateur centrifuge fait circuler l’air intérieur au travers d’un filtre, puis de l’évaporateur, avant de le rejeter au travers de grilles de diffusion dont l’inclinaison est réglable.

Divers emplacements sont possibles pour l’insertion de l’évaporateur :

Schéma insertion de l'évaporateur.

En voici quelques exemples :

En allège.

Au plafond.

En cassette insérée dans un faux plafond.

Remarque.

La vapeur d’eau contenue dans l’air ambiant risque de se condenser au contact de l’évaporateur très froid, aussi doit-on prévoir une conduite d’évacuation des condensats vers l’égout. Si l’écoulement naturel par gravité n’est pas possible, il faudra insérer une petite pompe de relevage des condensats.

L’unité de condensation

Le fluide frigorigène (à l’état vapeur) est comprimé par le motocompresseur hermétique, puis refroidit dans le condenseur, avant d’être détendu et de repartir vers le local.

Photo unité de condensation.

Les liaisons frigorifiques et électriques

Pour simplifier la tâche sur chantier (et rendre l’installation accessible à des non-frigoristes), les conduites de raccordement en cuivre sont préchargées en fluide frigorigène et équipées de raccords rapides. Lors du montage, les opercules sont automatiquement perforés.

Leur longueur ne dépasse pas 10 à 15 m généralement pour limiter les pertes de charge. La tuyauterie ramenant le fluide détendu vers l’évaporateur sera soigneusement isolée car l’échauffement du fluide dans le conduit,… c’est autant de puissance frigorifique perdue pour l’évaporateur. Et même si elle reste suffisante, c’est une perte qui diminue le rendement de la machine : son coefficient de performance.

Voici les connexions d’un multisplit : 3 évaporateurs sont reliés à un condenseur commun.

Le retour d’huile

L’huile est naturellement entraînée par le fluide frigorigène liquide vers l’évaporateur. Par contre, il est nécessaire d’organiser volontairement le retour de l’huile vers le compresseur lorsque le fluide est à l’état vapeur :

  • Soit le compresseur est situé plus bas que l’évaporateur, et la gravité fera le travail sur base d’une pente descendante de 1 cm par mètre.
  • Soit le compresseur est situé plus haut que l’évaporateur, et un siphon devra être prévu; on provoque alors volontairement un bouchon d’huile afin que la vapeur, en forçant le passage, entraîne l’huile avec elle. Comme ce système ne fonctionne que sur quelques mètres, un tel siphon devra être prévu au minimum tous les 5 mètres de dénivellation.

À défaut, c’est la lubrification du compresseur qui risque d’être insuffisante, et sa longévité aussi…


En option : la fonction « chauffage »

Si une fonction « chauffage » est recherchée, trois systèmes sont possibles.

Solution 1 : incorporer une résistance électrique d’appoint, en fonctionnement direct

Cette solution est coûteuse à l’exploitation, vu le prix du kWh de jour.

Solution 2 : incorporer une batterie d’eau chaude alimentée par le réseau de chauffage du bâtiment

Cette solution est peu utilisée car coûteuse à l’investissement. Un thermostat d’ambiance commande l’apport de chaleur, soit via une vanne trois voies modulant la température de l’eau, soit directement sur le ventilateur.

Solution 3 : sélectionner une machine frigorifique « réversible » capable de fonctionner en pompe à chaleur

Dans une machine frigorifique, le cycle peut être inversé grâce à l’utilisation d’une vanne à quatre voies à la sortie du compresseur : l’évaporateur devient condenseur et le condenseur devient évaporateur. C’est un climatiseur dit « réversible ».

On parle d’un fonctionnement en « pompe à chaleur » puisque c’est la chaleur de l’air extérieur qui est utilisée pour chauffer l’air du local.

Le surcoût de l’appareil est faible (de 15 à 25 %) et le prix de revient du kWh fourni est 2 à 3 fois plus faible que dans le cas du chauffage direct, … Hélas, la puissance de l’appoint de chaleur est le plus faible au moment où on en a le plus besoin, c.-à-d. par période de gel… Et à ce moment, le coefficient de performance frigorifique est assez dégradé.


En option : la fonction « ventilation »

Certains appareils disposent d’une prise d’air neuf permettant d’adjoindre une fonction ventilation au matériel.

A ne pas confondre avec le brassage d’air en recyclage total proposé par tous les appareils : dans ce cas, le ventilateur fonctionne seul et l’air du local passe simplement par le filtre sommaire qui retient les plus grosses particules en suspension. Il est, par exemple, impossible d’améliorer la qualité de l’air d’un local « fumeur » avec ce principe. Seule, une réelle dilution par de l’air neuf apportera l’amélioration recherchée.


La régulation du climatiseur

La régulation de la température ambiante

La température ambiante du local conditionné est régulée au moyen d’un thermostat d’ambiance agissant sur le fonctionnement du compresseur. Le ventilateur de soufflage fonctionne en même temps que le compresseur, ou fonctionne en continu. Ce deuxième mode de fonctionnement est plus favorable au confort car il entretient un brassage continu de l’air et prévient toute stagnation inconfortable d’air chaud ou froid.

photo télécommande.

Au simple contrôle de la température ambiante doivent s’ajouter des fonctions de programmation de l’occupation, avec arrêt et reprise (éventuellement anticipées) de manière intelligente.

La régulation du compresseur

Un climatiseur, dimensionné pour vaincre les apports thermiques maximum (solaires, par exemple), fonctionne très souvent à charge partielle. Le contrôle traditionnel par mode MARCHE/ARRET du climatiseur entraîne des fluctuations inconfortables de la température du local et des mauvaises conditions de rendement du compresseur.

Schéma régulation - 01.

Les climatiseurs équipés de compresseurs à vitesse variable peuvent adapter leur puissance frigorifique à la charge thermique du local. Ce mode de régulation est appelé « INVERTER ». Il permet une variation de vitesse du compresseur sans pertes importantes de rendement. Le démarrage du compresseur se fait alors à basse vitesse, ce qui réduit la pointe de courant au démarrage.

La technologie INVERTER présentait autrefois quelques inconvénients tels les parasites qu’elle induit dans le réseau électrique. Dans un très proche avenir, ces inconvénients devraient disparaître (utilisation de moteurs à courant continu pour les plus petites puissances, marquage « CE », …) et permettre au système « INVERTER » de couvrir le marché.

Schéma régulation - 02.

Lorsqu’une unité extérieure alimente plusieurs unités intérieures (système multi split), l’ambiance de chaque local doit pouvoir être régulée séparément (y compris la coupure en cas d’inoccupation). Dans ce cas, une régulation en vitesse variable du compresseur permettra d’adapter la puissance de production de froid en fonction des besoins totaux réels.

Suite à ce nouveau mode de régulation, la technique traditionnelle du compresseur alternatif (piston et vilebrequin), d’une fiabilité légendaire, est progressivement remplacée par :
>  le compresseur rotatif :

  • rendement similaire,
  • niveau sonore moindre,
  • fonctionnement à vitesse variable.

>  le compresseur scroll :

  • rendement plus élevé,
  • niveau sonore encore plus faible,
  • fonctionnement à vitesse variable.

La régulation du condenseur

Certains locaux à charges internes importantes (par exemple, les salles informatiques) doivent être climatisés en été, mais aussi en mi-saison ou encore en hiver. Dans ce cas, lorsque la température de l’air extérieur diminue, la capacité de refroidissement du condenseur augmente.

Paradoxalement, cette situation perturbe le fonctionnement correct de l’évaporateur et entraîne une perte de puissance de ce dernier dernier (voir détails dans la régulation de la machine frigorifique). Le confort dans le local n’est alors plus assuré. À l’extrême, le pressostat basse pression de sécurité de l’appareil peut commander l’arrêt de l’installation.

Pour remédier à ce problème, il faut que la puissance du condenseur soit régulée en fonction de la température extérieure. Si la température de l’air diminue, le débit d’air doit aussi diminuer afin de conserver un échange constant.

Idéalement, on choisira un ventilateur de condenseur à vitesse variable. Ainsi, un climatiseur devant fonctionner pour des températures extérieures inférieures à 17°C doit être équipé d’un ventilateur de condenseur à vitesse variable. La diminution de vitesse du ventilateur est alors commandée par un pressostat ou un thermostat placé sur le condenseur. La puissance d’échange de celui-ci est ainsi maintenue constante quelle que soit la saison.

À défaut, la vitesse sera modulée par paliers. Au minimum, le fonctionnement du ventilateur sera commandé en tout ou rien.

Choix et emplacement du thermostat d’ambiance

Au simple contrôle de la température ambiante doit s’ajouter, pour assurer un fonctionnement économique, des fonctions de programmation de l’occupation, avec arrêt et reprise éventuellement anticipés de manière intelligente.

De plus, idéalement, le climatiseur devrait pouvoir profiter d’une régulation de température de consigne compensée en fonction de la température extérieure. Ce lien, qui est automatisé dans les installations complètes de conditionnement d’air, doit être réalisé manuellement pour les climatiseurs.

Ainsi, un écart de 6°C maximum sera créé, afin de ne pas provoquer de « choc thermique » inconfortable lors de l’accès au bâtiment.

Il revient donc à l’occupant consciencieux de modifier manuellement la consigne de température en fonction de la température extérieure. Pour des raisons d’économies d’énergie et de confort, on ne peut maintenir une consigne de température à 22°C, par exemple, si la température extérieure est de 32°C. Dans ce cas la consigne doit être ajustée à 26°C au minimum.

Le ventilateur de soufflage est soit commandé en même temps que le compresseur, soit fonctionne en continu. Ce deuxième mode de fonctionnement est plus favorable au confort, car il entretient un brassage continu de l’air et prévient toute stagnation inconfortable d’air chaud ou froid. Mais il suppose que les aspects acoustiques soient soigneusement étudiés.

L’emplacement du thermostat joue un rôle important sur la consommation et sur le confort. Il doit être placé à un endroit représentatif de la température moyenne du local, c’est-à-dire éloigné des sources chaudes ou froides (lampe, fenêtre en été, zone ensoleillée, dans la zone de soufflage de l’appareil, …). Le placer dans le local sera donc préférable que de le placer dans la bouche de reprise. Par exemple, si la commande se trouve sur l’appareil au plafond, l’occupant ne prendra pas la peine d’ajuster la consigne de température !

Dans le cas contraire, il devra être étalonné.

Exemple.

Le thermostat est placé à l’extrémité d’un bureau, dans la zone d’influence du climatiseur, mais éloigné de la zone d’occupation habituelle. Lorsque celui-ci mesure 28°C, une température de 24°C règne à l’endroit où les personnes se trouvent.

Les occupants, croyant agir alors correctement, risquent d’abaisser le thermostat jusqu’à 24°C, entraînant une chute de la température ambiante inconfortable et des surconsommations inutiles.

La commande du thermostat doit donc être étalonnée pour être représentative de l’ambiance réelle.

Zones à proscrire pour l’implantation de la sonde de régulation

  1. Influence d’une source chaude.
  2. Influence de l’air extérieur.
  3. Influence de l’ensoleillement.
  4. h < 1 m.
  5. h > 2 m.
  6. Influence de l’air soufflé.

L’emplacement de la commande du thermostat et sa facilité de manipulation jouera un rôle sur la gestion efficace de l’ambiance par l’occupant. Par exemple, si la commande se trouve sur l’appareil au plafond, l’occupant ne prendra pas la peine d’ajuster la consigne de température…

 

Modèles d’isolation – plancher lourd sans aire de foulée

Modèles d'isolation - plancher lourd sans aire de foulée

L’isolation du plancher lourd de combles non circulables peut se faire par divers systèmes :


Matelas souple ou semi-rigide sur le plancher

L’isolant utilisé, en générale de la laine minérale, peut être souple (en rouleaux) ou semi-rigide (en panneaux). Les rouleaux peuvent éventuellement être revêtus d’un papier kraft et/ou d’un pare-vapeur.

Le pare-vapeur éventuel est déroulé soigneusement sur le plancher lourd.

L’isolant est ensuite déposé de façon continue, les panneaux ou rouleaux étant parfaitement jointifs. Si l’isolant est muni d’un pare-vapeur, celui-ci doit se trouver en dessous de l’isolant.

L’isolant sera correctement fixé sur les parties verticales ou inclinées.

Matelas isolant souple ou semi-rigide au-dessus d’un plancher lourd non circulable.

  1. Isolant.
  2. Pare-vapeur éventuel.
  3. Support lourd.
  4. Finition du plafond.

Panneaux rigides sur le plancher

L’isolant utilisé peut être de la mousse synthétique ou du verre cellulaire.

La face supérieure du plancher lourd doit être bien plane. Il faut donc, au besoin, l’égaliser à l’aide d’une fine chape ou de sable.

Le pare-vapeur éventuel est déroulé soigneusement sur le plancher lourd avant la pose de l’isolant.

L’isolant est ensuite déposé de façon continue.

Les panneaux en mousse synthétique sont munis de rainures et languettes, ils doivent être correctement emboîtés.

Les panneaux en verre cellulaire sont posés jointifs.
L’isolant doit être correctement fixé sur les parties inclinées ou verticales éventuelles.

Isolant rigide au-dessus d’un plancher lourd non circulable.

  1. Isolant.
  2. Emboîtement.
  3. Pare-vapeur éventuel.
  4. Egalisation éventuelle.
  5. Support lourd.
  6. Finition du plafond.

Flocons ou granulés d’isolant sur le plancher

Le matériau isolant utilisé est constitué de granulés de perlite ou de polystyrène expansé, ou de flocons de laine minérale posés en vrac sur le plancher lourd.

On sera attentif à ce que l’épaisseur soit régulière.

Lorsqu’un pare-vapeur est nécessaire, celui-ci est placé sur le plancher avant pose de l’isolant.

Isolant posé en vrac au-dessus d’un plancher lourd non circulable.

  1. Isolant en vrac.
  2. Pare-vapeur éventuel.
  3. Support lourd.
  4. Finition du plafond.

Isolant sous le plancher : une solution à éviter !

L’isolant est fixé sous le plancher lourd.

La fixation est difficile et dépend du type d’isolant.

Un pare-vapeur efficace indispensable (sauf en cas d’utilisation du verre cellulaire) est soigneusement placé sous l’isolant. Les joints seront particulièrement soignés. Il ne peut pas être déchiré.

La finition du plafond est ensuite réalisée en prenant toutes les précautions nécessaires pour éviter de blesser le pare-vapeur.

Aucune installation technique ne pourra être aménagée dans le plafond.

Le plancher lui-même ne pourra être percé.

Un espace technique pourrait éventuellement être aménagé entre le pare-vapeur et le plafond.

Toute cette mise en œuvre nécessite un soin parfait difficile à réaliser sur chantier.

Isolation en dessous du plancher lourd non circulable.

  1. Plancher lourd.
  2. Isolant.
  3. Pare-vapeur.
  4. Finition du plafond.

Évaluer l’utilisation des ordinateurs


Les profils d’utilisation

Le tableau suivant reprend pour un immeuble de bureaux, le mode d’utilisation des ordinateurs en fonction du type de travail (enquête réalisée auprès de 3 500 personnes) :

Utilisation régulière % Utilisation intermittente % Non utilisateur %
Direction 45 45 10
Dactylo 100 0 0
Employés 52 33 15
Dessinateurs 40 47 13
Comptables 78 7 15
Informaticiens 85 15 0

Un comportement irrationnel d’un point de vue énergétique consiste souvent à maintenir les équipements sous tension alors qu’ils ne sont pas utilisés.

Une attitude extrême, malheureusement souvent rencontrée, est la mise sous tension de son ordinateur le matin dès l’arrivée (pour relever le courrier électronique, taper une lettre, …). L’ordinateur est alors oublié pour la plus grande partie de la journée, mais reste en fonctionnement : « … si on l’éteint, cela prend du temps pour le relancer et il est possible qu’il serve encore durant la journée … »

Ces attitudes vont donc énormément conditionner les consommations énergétiques des équipements informatiques.

On se réfère aux modes d’utilisation décrit par ouverture d'une nouvelle fenêtre ! Energy Star. On retrouve une estimation du temps d’utilisation d’un ordinateur :

  • À domicile en se basant sur une activité liée à la navigation internet et au courrier électronique et ce pendant 300 jours en moyenne par an.
    Dans un bureau de taille moyenne en se basant sur la gestion du courrier électronique, la recherche occasionnelle d’information sur internet, le travail avec un traitement de texte et tous les outils de bureautique actuels pendant 240 jours (en tenant compte des WE et des congés).
  • Dans un bureau avec grande activité (des heures supplémentaires, ça existe encore ?)
  • Jamais éteint la nuit (profil courant dans un bureau moyen) mais avec le mode « attente » activé.
  • Toujours actif, ce qui correspond au fonctionnement des serveurs ou des ordinateurs dont la gestion de l’alimentation est désactivée.

Dans le tableau suivant, on retrouve tous les profils d’utilisation :

Type d’utilisation de l’ordinateur Heures de fonctionnement
(
ouverture d'une nouvelle fenêtre !  source Energy Star)
Mode actif Mode attente Mode arrêt

À domicile

2 9 13

Bureau de taille moyenne

4 5 15

Bureau à grande activité

8 2 14

Jamais éteint

4 20 0

Toujours actif

24 0 0

Sous forme graphique, cela donne :


Gestion de l’alimentation électrique de l’ordinateur et de l’écran

On distingue trois façons de gérer l’alimentation électrique :

  • Gestion désactivée : l’utilisateur travaille en mode « toujours actif ».
  • Fonction normale : l’utilisateur configure sa machine pour un mode « attente » effectif après 30 minutes (par défaut sur les machines récentes).
  • Fonction économie d’énergie : ce mode de fonctionnement est similaire à celui d’un portable mais peut être appliqué à un ordinateur classique avec un mode « attente » effectif après 10-15 minutes.

En combinant ordinateur, écran, mode d’utilisation et type de gestion de l’alimentation électrique, on peut déterminer la consommation énergétique annuelle.

Exemple.

Cas 1

On prend un PC multimédia équipé d’un écran CRT de 17″ (tube cathodique classique) installé dans un bureau de taille moyenne et dont la fonction de gestion de l’alimentation électrique passe par les trois états suivants :

  • Gestion désactivée,
  • fonction normale,
  • fonction économie d’énergie.

L’encodage des données dans le calculateur Energy Star donne :

 

Gestion de l’alimentation électrique

 

Consommation d’énergie annuelle [kWh/an] ( ouverture d'une nouvelle fenêtre ! source Energy Star)
Mode actif Mode attente Mode arrêt Total

Désactivé.

86,4 388,8 91,8 567

Fonction normale.

86,4 64,8 91,8 243

Fonction économie d’énergie.

64,8 68,4 91,8 225

Sous forme graphique :

Cas 2

Tout en gardant le PC multimédia, on remplace l’écran CRT 17″ (à tube cathodique) par un écran de même taille mais de type plat LCD 17″ (à cristaux liquides).

Les résultats sont consignés dans les tableaux et graphiques ci-dessous :

Gestion de l’alimentation électrique  

Consommation d’énergie annuelle [kWh/an]
(ouverture d'une nouvelle fenêtre ! source Energy Star)

 

 

Mode actif Mode attente Mode arrêt Total

Désactivé.

69,6 313,2 79,5 462,3

Fonction normale.

69,6 54 79,5 203,1

Fonction économie d’énergie.

52,2 52 79,5 188,7

Cas 3

L’ensemble de l’installation est remplacé par un portable haut de gamme équipé d’un écran LCD de 17″.

De nouveau, les résultats sont consignés dans les tableaux et graphiques ci-dessous :

 

Gestion de l’alimentation électrique

 

Consommation d’énergie annuelle [kWh/an]
(
ouverture d'une nouvelle fenêtre ! source Energy Star)
Mode actif Mode attente Mode arrêt Total

Désactivé.

16,8 75,6 42,8 135,2

Fonction normale.

16,8 32,4 42,8 92

Fonction économie d’énergie.

12,6 34,2 42,8 89,6

Au vu de l’exemple pris ci-dessus, on peut en conclure que :

  • L’activation de la fonction « normale », et plus encore la fonction « économie d’énergie », permet de réduire de manière draconienne les consommations dans les espaces de temps où l’utilisateur ne travaille pas sur son ordinateur. Les nouvelles machines, en général, sont configurées par défaut avec la fonction « normale » qui, au bout de 30 minutes d’inactivité de l’ordinateur, le place en mode « attente » (coupure de l’alimentation de l’écran, du disque dur, …).
  • Visiblement, les écrans classiques CRT (à tube cathodique) sont très gourmands en énergie par rapport aux écrans LCD (à cristaux liquides), soit + 19 %.
  • Enfin, la venue du portable, vient encore plus bousculer les configurations classiques des ordinateurs. Les consommations sont bien plus faibles.

On divise par 4 les consommations !


Gestion sécurisée de l’alimentation électrique

Il ne faut pas oublier que l’emploi d’un onduleur (alimentation ininterrompue), pour palier aux micro coupures parfois présentes sur le réseau électrique, génère des consommations sachant que la puissance dissipée est, suivant le modèle et ses caractéristiques, de l’ordre de 8 à 25 W.

Exemple.

Un onduleur (UPS) alimentant un PC multimédia et un écran LCD 17″ (à cristaux liquides) fonctionnant toute l’année (8 760 heures) consommera de l’ordre de 87 [kWh/an].

 

Gestion de l’alimentation électrique

 

Consommation d’énergie annuelle [kWh/an]
(
ouverture d'une nouvelle fenêtre ! source Energy Star)
Mode actif Mode attente Mode arrêt Total

 

Avec onduleur.

 

86,4 151,8 91,8 330

 

Sans onduleur.

 

86,6 64,8 91,8 243


La climatisation

Pour être complet dans l’évaluation des consommations d’énergie, il faut inclure dans le bilan final les consommations qui proviennent de la climatisation (si présente) parfois nécessaire pour réduire les apports internes dus en partie à la bureautique.

Exemple.

On prend un climatiseur avec un COP (coefficient de performance de la machine) de 3 fonctionnant pendant 3 mois.

Le calcul tient compte de :

puissance électrique des équipements / COP x (nombre de mois de climatisation / 12).

 

Gestion de l’alimentation électrique

 

Consommation d’énergie annuelle [kWh/an]
(
ouverture d'une nouvelle fenêtre ! source Energy Star)
Mode actif Mode attente Mode arrêt Climatisation Total

 

Avec climatisation

 

86,4 64,8 91,8 20,2 263,2

 

Sans climatisation

 

86,6 64,8 91,8 0 243

Ambiances froides

Améliorer le confort thermique des ambiances froides

Ambiances froides

Fermer les ouvertures des meubles ouverts

Cela paraît tellement évident !

Le seul « hic » c’est que pratiquement une grosse majorité des commerçants et fabricants ont une démarche inverse, à savoir plus les ouvertures sont grandes, plus les produits sont accessibles aux consommateurs (question de marketing de vente dit-on !). Le confort naturellement s’en ressent vu que les échanges thermiques s’effectuent dans les deux sens :

  • par induction et convection, le rideau d’air échangé « rejette » une partie du froid créé à l’intérieur du meuble. Ce qui signifie que la température de l’air à proximité des meubles ouverts descend jusqu’à des valeurs de l’ordre de 16°C à 1,5 m du sol et bien moins à hauteur du sol si le rideau d’air est perturbé et se déforme au point que la bouche de reprise ne puisse assurer son rôle de récupération du flux du rideau d’air;

 

  • par rayonnement des parois froides intérieures au meuble et le corps humain.

Les meubles verticaux ouverts

Ce sont principalement ces meubles qui sont responsables de tous les problèmes que rencontrent les commerces alimentaires. Problèmes :

  • d’apports thermiques externes (l’ambiance du magasin interagit avec le meuble principalement par son ouverture. Le bilan énergétique pour maintenir les températures adéquates des denrées devient catastrophique tant au niveau environnemental que financier;

 

  • de confort vu l’importance des surfaces d’échange mises en jeu tant au niveau de l’induction que du rayonnement.

La surface d’exposition du meuble représente bien la surface d’échange :

  • du rideau d’air par induction;

 

  • vue par les clients au niveau du rayonnement.

Chauffer les allées froides

Après ce qui vient d’être dit plus haut, difficile à croire que la seule issue possible à l’inconfort des « allées froides » est leur chauffage.

Pourtant, on observe dans les commerces de grandes surfaces que les techniciens tentent de trouver des solutions pour réduire l’inconfort en chauffant l’air ambiant surtout en période chaude, ce qui est un paradoxe !

Si vous êtes convaincu que vous allez  perdre votre clientèle en fermant les ouvertures des meubles ouverts, alors tenter de placer un chauffage qui puisse vous garantir un confort relatif tout en limitant les dégâts énergétiques.

L’idée de beaucoup de spécialistes qui « planchent » sur le sujet est de tenter de récupérer la chaleur rejetée par les condenseurs des machines frigorifiques plutôt que de la répandre à l’extérieur.

Concevoir

Pour en savoir plus sur la récupération de chaleur.

Dans les démarches, on retrouve principalement la mise en place de chauffage :

  • de l’air de haut en bas vers les allées froides par des aérothermes ou par des bouches de pulsion de centrale de traitement d’air. Sans entrer dans les détails, ce type de chauffage apporte un confort relatif tout en augmentant :
    • les apports externes par le mélange de l’air chaud avec le rideau d’air des meubles;
    • les consommations des ventilateurs soufflant l’air vers le bas, surtout dans les espaces de vente de grande hauteur;
    • les consommations des machines frigorifiques puisque, dans le cas où on récupère la chaleur fournie par le condenseur, la température de condensation doit être de l’ordre de 50-70°C; ce qui dégrade la performance (COPfroid) du compresseur;

  • de l’air de bas en haut, ou du pied des meubles vers les allées froides comme le montre le schéma ci-dessous. Ce type de chauffage « devrait donner » intuitivement un meilleur résultat énergétique sachant que naturellement l’air chaud monte. Il est juste nécessaire de le mettre en mouvement sans trop de consommation du ventilateur et que la température peut être plus faible et donc contribuer à réduire les températures de condensation en cas de récupération de la chaleur du condenseur;

  • du sol par la récupération de la chaleur des condenseurs des machines frigorifiques. Ce système « pourrait avoir » des avantages :
    • en terme de confort, le chauffage au sol devrait apporter un plus par radiation;
    • en terme énergétique, puisque la température de condensation serait de l’ordre de 30 à 45°C et donc favorable au maintien de consommation électrique acceptable au niveau du compresseur.

Attention que l’on a très peu de recul par rapport au confort et à l’énergie mise en jeu au niveau de ces systèmes. Une valeur de puissance spécifique de plancher chauffant que l’on rencontre régulièrement est de l’ordre de 100 [W/m²]; ce qui reste relativement faible par rapport à d’autres systèmes de chauffage.

Si vous avez expérimenté ce genre de système, Énergie+ vous serait mille fois reconnaissant de nous faire part de votre expérience.


Cas particulier des ateliers

Dans les ateliers de boucherie, traiteur, …, les durées de travail peuvent être importantes. Il est dès lors nécessaire de pallier au manque de confort qui règne dans ces zones (des températures de maximum 12°C sont exigées pour garantir le maintien de la chaine de froid) par l’adaptation :

  • de l’habillement du personnel;
  • des vitesses d’air des systèmes de climatisation basse température.

Adaptation de l’habillement du personnel et des temps de pose

La récupération d’un certain confort de travail dans ce type d’ambiance passe naturellement par la mise à disposition de vêtements de travail adéquats afin d’éviter les premiers symptômes de refroidissement du corps.

L’indice d’isolation vestimentaire IREQ (Required Clothing Insulation Index) permet de choisir des vêtements adaptés au froid en assurant au corps un bon équilibre thermique. Il est admis que cet indice doit être satisfait lorsque la température est inférieure à 10°C. Un IREQ couramment rencontré est 2,6.

Aussi, l’évaluation de la « température cutanée du dos de la main » permet d’établir un seuil en dessous duquel la dextérité des mains se réduit; c’est le cas en dessous de 24°C. Dès cet instant, il est nécessaire d’adapter son temps de travail exposé et de choisir un type de gant adapté à la tâche.

Évaluer

Pour en savoir plus sur la récupération de chaleur.

Adaptation de la vitesse d’air des systèmes de climatisation à basse température

On admet couramment que la vitesse de déplacement de l’air ne puisse dépasser 0,2 m/s pour ne pas rendre le travail en milieu froid plus pénible encore.
L’utilisation des gaines textiles ou « manchons textiles » est un moyen intéressant d’allier basse température d’air avec vitesse d’air faible.

Manchon textile (source Prodeus).

(+)

  • L’homogénéité de la diffusion sur tout le réseau de gaines textiles apporte un confort thermique indéniable et permet d’éviter :
    • les courants d’air (vitesse de déplacement de l’air faible < 0,2 m/s);
    • les poches d’air froid ou d’air chaud caractéristique des installations offrant un piètre mélange de l’air diffusé avec l’air ambiant de par une mauvaise circulation d’air;
    • les risques de zones mortes existants sur les systèmes classiques.
  • la facilité d’installation dans une zone existante;
  • la facilité d’entretien (hygiène accrue);

(-)

  • leur coût d’achat plus élevé;

Le degré de confort et de l’uniformité est essentiellement fonction :

  • de la vitesse de diffusion ou le débit surfacique [m³/m² de tissu / heure];
  • et le T (différence de température entre la température ambiante et la température de soufflage).

Plus le T est élevé, plus il faudra assurer un débit surfacique faible.

À titre d’exemple, pour un  T de 4 °C, une vitesse de diffusion maximale de 0,1 m/s donnera des résultats satisfaisants.

De plus, lorsque la hauteur du local augmente, le T augmente aussi. Il faudra donc être vigilant sur le dimensionnement des gaines textiles, afin d’obtenir un débit surfacique aussi bas que possible.

Le site XPAIR ouverture d'une nouvelle fenêtre ! (http://www.xpair.com) explique plus en détail ce type de système de diffusion d’air à basse vitesse.

Connaître les détails techniques du mur creux

Connaître les détails techniques du mur creux


3 Principes de base

Remarque : il n’est pas possible de donner une liste exhaustive de tous les détails techniques corrects que l’on peut rencontrer dans les murs creux. Aussi, nous avons préféré expliquer les différentes fonctions à assurer au niveau thermique et montrer la façon d’y arriver dans quelques cas précis de manière à avoir « les outils » pour pouvoir évaluer l’efficacité de tout autre détail de conception.

Afin d’assurer confort et efficacité énergétique, le mur creux doit assurer 3 fonctions de base :

l’étanchéité à l’eau,
l’isolation,
l’étanchéité à l’air.

Ces fonctions doivent être assurées de manière continue. Pour ce faire, elles doivent l’être :

  • aussi bien au niveau des parties courantes des murs,
  • qu’au niveau des différents points particuliers c.-à-d. au niveau des différentes jonctions (avec un châssis, avec la fondation, avec un plancher, avec une terrasse, avec la toiture, etc.) (= « détails techniques« ).

L’étanchéité à l’eau

(contre les infiltrations d’eau de pluie, l’humidité ascensionnelle, les eaux de nettoyages, ….)

> Parties courantes : le principe même du mur creux permet d’assurer une bonne étanchéité à l’eau de pluie.
> Chaque interruption de la coulisse doit être drainée par une membrane d’étanchéité placée en escalier vers l’extérieur et des joints verticaux laissés ouverts de manière à rejeter l’eau qui a pénétré dans la coulisse.
> A chaque ouverture dans le mur (fenêtres, …), il faut veiller à ce que l’eau soit rejetée vers l’extérieur et ne puisse pénétrer à l’intérieur.
> Les matériaux doivent être protégés de l’humidité ascensionnelle, des eaux de nettoyage ou de toute autre source d’eau.

 L’isolation

> Dans les parties courantes du mur creux, l’isolation doit être continue dans la coulisse.

Une discontinuité dans l’isolation des parties courantes engendre des pertes de chaleur supplémentaires de deux types :

  • des pertes par convection  par circulation d’air autour des panneaux (principalement pour les murs à remplissage partiel de la coulisse). Un espace de 5 mm suffit pour provoquer une rotation spontanée de l’air.

Schéma isolation continue dans la coulisse.

> Au droit de chaque nœud constructif, il doit y avoir continuité de la coupure thermique. Cela suppose :

Schéma isolation et nœud constructif.

  1. soit la continuité de l’isolation (cas idéal),
  2. soit l’interposition d’un élément isolant ,
  3. soit l’équivalence de la résistance thermique par un allongement du « chemin » à faible résistance thermique.

 L’étanchéité à l’air

> Outre qu’elle diminue les déperditions thermiques, l’étanchéité à l’air est très importante car elle conditionne le bon fonctionnement de l’étanchéité à l’eau du mur creux.

Elle permet une mise en équilibre des pressions de part et d’autre de la maçonnerie de parement. En l’absence d’une barrière à l’air efficace, l’eau qui aurait traversé la maçonnerie de parement au droit d’une petite discontinuité pourrait être projetée au point d’atteindre la paroi intérieure lorsque celle-ci est exposée à des pluies accompagnées de vent.

     

Pas d’étanchéité à l’air côté intérieur.   Étanchéité à l’air côté intérieur.

Elle est assurée :

> Dans les parties courantes du mur creux, par un enduit appliqué sur le mur intérieur.
> Aux jonctions entre mur et châssis, par les joints d’étanchéité (fond de joint + mastic).

Partie courante et angle d’un mur

Schéma mur creux et étanchéité à l'eau.

L’étanchéité à l’eau

Le principe même du mur creux est d’offrir une barrière efficace à l’eau de pluie.

En effet, la lame d’air entre la maçonnerie de parement et le mur porteur intérieur constitue une interruption dans les matériaux qui permettent l’acheminement de l’eau. Elle empêche donc l’eau qui aurait pu passer au travers de la maçonnerie de parement, de continuer son chemin vers l’intérieur du bâtiment.
De plus, elle permet de récolter l’eau qui a réussi à traverser le mur de parement pour la renvoyer vers l’extérieur.

Pour que ce principe de barrière capillaire fonctionne bien, il faut cependant :

  • Que le mur intérieur soit étanche à l’air.
  • Que la coulisse (3) ait une épaisseur totale de 6 cm au moins de manière à former une véritable rupture capillaire.
    Remarquons qu’une coulisse remplie complètement d’un isolant non capillaire et hydrophobe reste une coupure capillaire.
    Dans le cas d’un mur creux isolé à remplissage partiel, la lame d’air restante doit être d’au moins 3 cm.
  • Que la coulisse soit drainée au bas du mur.
  • Que la maçonnerie de parement (1) soit, de préférence, réalisée au moyen de matériaux capillaires.
    En effet, une maçonnerie capillaire peut absorber l’eau qui a pénétré par les inévitables microfissures du parement et par les joints ainsi que l’eau qui ruisselle sur ses faces externe et interne. Ainsi des matériaux de parement capillaires engendrent des pénétrations d’eau dans la coulisse beaucoup moins rapides et abondantes que des matériaux peu capillaires.
  • Que, dans le cas d’un mur creux isolé avec remplissage intégral de la coulisse, l’isolant (4b) soit non capillaire et hydrophobe (c.-à-d. qu’il ne peut ni s’humidifier dans la masse, ni transférer l’eau qui aurait traversé la maçonnerie de parement.
  • Que les crochets (5a et 5b) soient inclinés vers l’extérieur (remplissage intégral d’isolant) ou munis de casse-gouttes (remplissage partiel d’isolant).

Précautions supplémentaires lors de l’exécution

Il ne peut pas y avoir de déchets de mortier dans la coulisse.

Les joints doivent être bien fermés, le mortier de bonne qualité.

Les joints entre les panneaux isolants doivent être fermés de manière à éviter le passage d’eau entre ceux-ci.

Dans le cas d’un remplissage partiel de la coulisse, les panneaux doivent être bien maintenus contre le mur intérieur par les rondelles de manière à empêcher tout contact entre le mur de parement et le mur intérieur càd de manière à garder efficiente la coupure capillaire que forme la coulisse.

L’isolation

  • Les panneaux isolants (4a et 4b) choisis doivent être rigides ou semi-rigides pour ne pas s’affaisser dans la coulisse.
  • Dans le cas d’un remplissage partiel de la coulisse, les rondelles doivent bloquer l’isolant contre le mur intérieur.

Précautions supplémentaires lors de l’exécution

  • Les panneaux isolants doivent être protégés et manipulés avec précaution sur chantier. Il faut éviter les écrasements, la boue, les déchirures, … afin de préserver leur structure qui est à l’origine de leur pouvoir isolant.

Schéma mur creux et isolation.

    • La surface du mur porteur doit être propre et plane de manière à assurer le contact entre mur porteur et isolant (1).
    • Les panneaux doivent être posés de manière jointive. Les joints sont, de préférence alternés. En surface on utilise des bandes adhésives pour recouvrir les joints et/ou des panneaux à emboîtement (2a). Les angles peuvent être recouverts à l’aide de bandes adhésives (2b).
    • Les crochets, qui servent, entre autres, au maintien de l’isolant contre le mur intérieur, dans le cas d’un remplissage partiel de la coulisse, doivent être en nombre suffisant : 5 par m² en surface (3a), 5 par mètre courant aux angles (3b) et 3 par mètre courant autour de la baie. Ils doivent être bien ancrés.
  • Pendant l’exécution du mur, la coulisse doit être protégé (utilisation de membranes et de voliges temporaires) contre la pluie.

L’étanchéité à l’air

L’étanchéité à l’air est assurée par un enduit (7) (plafonnage, le plus souvent) sur la face interne du mur intérieur. Celui-ci réduit fortement les infiltrations d’air dans le bâtiment.
S’il n’est pas possible d’appliquer l’enduit sur la face vue de la paroi intérieure (maçonnerie intérieure apparente), on applique un enduit de ciment du côté coulisse de ce même mur.

L’enduit est moins indispensable lorsque le creux du mur est pourvu de panneaux isolants peu perméables à l’air (tels que mousse de polyuréthane, polystyrène expansé, etc.) avec jonctions bien jointives.

Précautions supplémentaires lors de l’exécution

Les joints des maçonneries intérieures et extérieures doivent être bien fermés.


Pieds de façade

Cas d’un plancher sur terre-plein

Schéma isolation et plancher sur terre-plein.

  1. Mur de structure.
  2. Bloc isolant.
  3. Isolation sur dalle.
  4. Joints verticaux ouverts.
  5. Membrane d’étanchéité.
  6. Membrane d’étanchéité.
  7. Feuille d’étanchéité.
  8. Feuille d’étanchéité.
  9. Feuille d’étanchéité.
  10. Interruption de l’enduit.
  11. Enduit.

L’étanchéité à l’eau

  • La coulisse est interrompue au-dessus de la fondation. Il faut donc la drainer à ce niveau pour renvoyer l’eau infiltrée à l’extérieur. Ce drainage est réalisé au moyen d’une membrane d’étanchéité (5) posée « en escalier » et des joints verticaux ouverts (4) (1 joint ouvert par mètre) dans la rangée de briques de parement juste au-dessus de la membrane.
    Remarque : ces joints ne servent donc pas à uniquement à ventiler la coulisse mais aussi à la drainer.
  • La membrane (6) et la feuille d’étanchéité (7) protègent le pied du mur et la dalle sur sol contre l’humidité ascensionnelle.
  • Les feuilles d’étanchéité (8) et (9) protègent l’isolant contre les eaux de nettoyage et contre l’humidité de construction de la dalle de sol.Remarque : l’utilisation d’un soubassement est tombée en désuétude ces dernières années. Or, en plus de sa fonction architecturale, ce soubassement protégeait la maçonnerie des éclaboussures.

L’isolation

  • L’isolant sur la dalle (3) freine le transfert de chaleur par conduction vers le sol.
  • La continuité entre l’isolation du mur (1) et celle du sol est assurée par un bloc plus isolant (2) que le reste du mur (bloc de béton cellulaire ou d’argile expansée).Remarque : dans certains cas, pour des raisons de stabilité, par exemple, un bloc isolant ne peut être utilisé. Il faut alors trouver un autre moyen de neutraliser le pont thermique : on place un isolant sur le trajet de la chaleur.

       

Sans correction du pont thermique et avec correction du pont thermique.

L’étanchéité à l’air

Interruption (10) de l’enduit (11) au-dessus de la membrane d’étanchéité (5) afin que l’humidité éventuelle ne contourne celle-ci.

Précautions supplémentaires lors de l’exécution

  • Ne pas encrasser le fond de coulisse (remplissage partiel).

Risque de transfert d’eau vers le mur intérieur.

  • Aux angles du mur, réaliser des jonctions étanches de la membrane d’étanchéité.

Pliage des membranes à l’angle du mur.

Remarque : il existe des profilés d’étanchéité qui assure un raccord étanche entre les membranes aux angles intérieurs et extérieurs.

  • Dans les parties courantes, assurer une jonction étanche entre les membranes (recouvrement (30 cm) ou collage); empêcher la perforation ou le déchirement des membranes.

Cas d’une fondation profonde ou d’un sol extérieur pavé

Sol extérieur pavé ou fondation profonde.

  1. Membrane d’étanchéité.
  2. Joints verticaux ouverts.
  3. Membrane d’étanchéité.

L’étanchéité à l’eau

L’eau qui pénètre dans le mur et arrive dans la coulisse est renvoyée vers l’extérieur un peu au-dessus du niveau du sol extérieur via une membrane (1) et des joints ouverts (2). Les quelques briques de parement qui se trouvent sous terre doivent être emballées sur 3 côtés par une membrane (3) de manière à empêcher l’eau d’arriver jusqu’à la coulisse.

Pour le reste, tout est identique au cas du plancher sur terre-plein.

Précautions supplémentaires lors de l’exécution

Il faut veiller à la continuité de l’isolant de part et d’autre de la membrane d’étanchéité.

Cas d’un plancher sur vide sanitaire

Schéma isolation et plancher sur vide sanitaire.

  1. Membrane d’étanchéité
  2. Joints verticaux ouverts
  3. Membrane d’étanchéité
  4. Bloc isolant
  5. Isolant sous dalle

L’isolation

  • L’isolant sous la dalle (5) freine le transfert de chaleur par convection vers le sol.
  • La continuité entre l’isolation du mur et celle du plancher est assurée par un bloc plus isolant (4) que le reste du mur (bloc de béton cellulaire, de verre cellulaire ou d’argile expansée).

L’étanchéité à l’eau

  • La coulisse est interrompue au-dessus de la fondation. Une membrane d’étanchéité (1) posée « en escalier » et des joints verticaux ouverts (2) dans la rangée de briques de parement juste au-dessus de la membrane renvoient l’eau infiltrée à l’extérieur.
  • La membrane (3) protège le pied du mur contre l’humidité ascensionnelle.Remarque : même si l’isolant sous la dalle n’est pas étanche à l’eau, il n’a pas besoin d’être protégé.
  • contre l’humidité ascensionnelle car il n’est pas en contact avec le sol,
  • contre les eaux de nettoyage car la dalle du plancher le protège,
  • et contre l’humidité de construction car l’isolant est posé par dessous après séchage de la dalle.

Pour le reste, tout est identique au cas du plancher sur terre-plein.


Jonction avec un plancher

Schéma isolation et jonction avec un plancher.         Schéma isolation et jonction avec un plancher.

L’isolant du mur doit être continu au niveau du plancher. Le hourdi doit être placé au ras du mur intérieur.

Ainsi, les différentes fonctions de l’enveloppe sont assurées de la même manière que pour les parties courantes du mur.


Seuil de fenêtre

Schéma isolation et seuil de fenêtre.

  1. Seuil
  2. Châssis
  3. joint d’étanchéité
  4. Membrane d’étanchéité
  5. Isolant
  6. enduit
  7. Tablette
  8. Pattes de fixation

> L’étanchéité à l’eau

  • Le seuil (1) renvoie toutes les eaux qui ruissellent sur le châssis ou infiltrées dans la chambre de décompression vers l’extérieur « loin » de la maçonnerie de parement.
    Le châssis (2) doit donc être posé sur le seuil avec la sortie du conduit de drainage arrivant sur la face supérieure inclinée du seuil.

    Pour bien assurer ces fonctions, le seuil doit :
    • déborder à l’intérieur de la coulisse de 3 cm minimum (5 cm dans un cas avec volet),
    • avoir une pente minimale de 5 % sur sa face supérieure,
    • être muni d’un casse-goute permettant de maintenir les eaux à distance du parement extérieur,
    • être encastré dans la maçonnerie de manière à assurer l’étanchéité de sa jonction avec la maçonnerie (et pour des questions de stabilité),
    • être d’un seul tenant ou avec joints rendus étanches au mastic dans le cas de deux pierres consécutives.
  • Un joint d’étanchéité (3) (fond de joint + mastic) entre le seuil et le châssis empêche les infiltrations à ce niveau.
  • La coulisse est interrompue par le seuil. L’eau qui aurait pénétré par celui-ci ou entre ce dernier et le châssis est renvoyée vers l’extérieur par une membrane d’étanchéité (4) placée sous le seuil et sous la tablette intérieure « en escalier descendant vers l’extérieur ».
    Pour éliminer l’eau qui aurait pénétré dans les battées verticales, il est conseillé de prévoir une membrane d’étanchéité dans le bas de cette dernière (sous le seuil), ainsi que des exutoires de part et d’autre du seuil.

> L’isolation

L’isolant est accolé contre le dormant du châssis ainsi il y a continuité dans l’isolation. Cette disposition s’adapte particulièrement bien lorsque le châssis est placé dans le prolongement de la coulisse isolée, en battée contre la brique de parement.
Le seuil de fenêtre ne peut être en contact avec les blocs intérieurs, l’isolant (5) doit contourner celui-ci et continuer jusqu’au châssis.

> L’étanchéité à l’air

  • Un joint d’étanchéité (7) doit être prévu entre l’enduit et le châssis.

> La stabilité

Les pattes de fixation (8) reprennent les charges propres ou transmises par les menuiseries et les transmettent au mur porteur. À cette fin, de manière à avoir un bon ancrage des pattes de fixation, il faut remplir le creux des blocs de la rangée supérieure de l’allège et des pieds droits de baie avec du mortier ou du béton.
On considère en général que les supports inférieurs reprennent les charges verticales.

Remarque : en principe, des cales de support sont placées sous les montants verticaux des châssis, mais dans le cas d’un seuil en pierre, il faut éviter de trop charger celui-ci en flexion et il vaut dès lors mieux prévoir des pattes de fixation qui reprennent toute la charge.

Précautions supplémentaires lors de l’exécution

  • La membrane d’étanchéité doit être d’un seul tenant; à défaut, les joints doivent être collés ou soudés.
  • Eviter la perforation et le déchirement des membranes.
  • Les pattes de fixation doivent être bien ancrées.

Cas d’un appui métallique

> L’étanchéité à l’eau

Schéma isolation et appui métallique.

  1. Châssis
  2. Tablette.
  3. Joints d’étanchéité.
  4. Seuil métallique.
  • L’appui métallique est imperméable à l’eau, la membrane d’étanchéité sous l’appui est donc inutile.
  • Un joint d’étanchéité entre l’appui et la maçonnerie empêche les infiltrations au droit de cette jonction.

> Pour les autres fonctions, tout reste identique au cas du seuil de fenêtre en pierre bleue.


Ébrasement de baie

Schéma isolation et ébrasement de baie, étanchéité à l'eau.

> L’étanchéité à l’eau

  • Un préformé en mousse à cellule fermée (1) évite le contact du châssis avec la maçonnerie humide. Ce préformé sert également de fond de joint.
  • La pénétration de l’eau dans la coulisse par la jonction entre le châssis et le gros œuvre est empêchée par la battée et par le joint en mastic (2).
    En principe, la battée est de 7 cm pour les châssis bois, PVC et polyuréthane; 4 cm pour les châssis métalliques.
    Remarque : le joint d’étanchéité doit être suffisamment large pour pouvoir reprendre les mouvements entre le châssis et le gros-œuvre (minimum 5 à 8 mm pour un cas standard).

Schéma isolation et ébrasement de baie, étanchéité à l'eau.

> L’isolation

L’isolant arrive jusqu’au ras de la baie. Après la pose du châssis, on injecte un isolant expansé à cellules fermées (3) entre celui-ci et le gros œuvre Ainsi il y a une continuité parfaite dans l’isolation.

Remarque : Dans le cas d’une coulisse très large partiellement remplie, il faut remplir la coulisse intégralement sur 15 à 20 cm (sur tout le pourtour de la baie) afin de permettre, après pose du châssis, l’injection de l’isolant de raccordement.

Schéma isolation et ébrasement de baie et isolation.

> L’étanchéité à l’air

Un joint d’étanchéité à l’air doit être prévu entre l’enduit et le châssis.

> La stabilité

  • Les pattes de fixation (9) reprennent les charges propres ou transmises par les menuiseries et les transmettent au mur porteur. À cette fin, de manière à avoir un bon ancrage des pattes de fixation, il faut remplir le creux des blocs de la rangée supérieure de l’allège et des pieds droits de baie avec du mortier ou du béton.
    On considère en général que les supports latéraux reprennent les charges horizontales (vents, sollicitations dues aux manœuvres, …).

Linteau de baie

Schéma isolation et linteau de baie.

  1. Membrane d’étanchéité
  2. Joints verticaux ouverts
  3. Isolant
  4. Joint d’étanchéité

> L’étanchéité à l’eau

  • La coulisse est interrompue au-dessus du châssis, celui-ci constitue un barrage à l’eau qui s’écoule dans la coulisse. Une membrane d’étanchéité (1) posée « en escalier descendant vers l’extérieur » et des joints verticaux ouverts (2) dans la rangée de briques de parement juste au-dessus de la membrane renvoient l’eau infiltrée à l’extérieur.
    Afin d’éviter la formation de poche d’eau et la perforation de la membrane, l’isolant doit être coupé en biseau (3) de manière à servir de support à la membrane.
    Remarque : une autre solution consiste à placer une membrane juste au-dessus du châssis. Cette solution est parfois choisie lorsque lors du placement des menuiseries, on se rend compte qu’une membrane n’a pas été prévue dans le gros œuvre.

Schéma isolation et linteau de baie, étanchéité à l'eau.

  • Un joint d’étanchéité (4) (fond de joint + mastic) entre la maçonnerie de parement et le châssis empêche les infiltrations à ce niveau.
    Remarque : le joint d’étanchéité doit être suffisamment large pour pouvoir reprendre les mouvements entre le châssis et le gros œuvre (minimum 5 à 8 mm pour un cas standard).

Schéma isolation et linteau de baie, étanchéité à l'eau.

Précautions supplémentaires lors de l’exécution

  • La membrane d’étanchéité doit être d’un seul tenant; à défaut, les joints doivent être collés ou soudés.
  • Les extrémités de la membrane doivent, de préférence, être relevées.
    À défaut, l’eau qui a pénétré dans la coulisse par le mur de parement au-dessus de la baie, peut être drainée latéralement et être évacuée par les joints laissés ouverts en pied de façade.

  • On doit veiller à ce qu’il n’y ait pas de déchets de mortier dans le fond de la coulisse au-dessus de la membrane.
  • Éviter la perforation et le déchirement des membranes.

> L’isolation – l’étanchéité à l’air

Ces deux fonctions sont assurées de la même façon que pour l’ébrasement de baie.

Précautions supplémentaires lors de l’exécution

Il faut veiller à la continuité de l’isolant de part et d’autre de la membrane d’étanchéité.

– – – – – – – – – – – –

Remarque : cette feuille s’inspire des 3 documents suivants :

  • la NIT 188 : « La pose des menuiseries extérieures » du CSTC.
  • « L’isolation thermique des murs creux – Guide pratique du maçon et du menuisier » / FFC.
  • « L’isolation thermique des murs creux – Outil didactique / FFC.

Condensation de surface

Condensation de surface

L’air intérieur ayant une température, une humidité relative et une pression donnée, peut arriver en contact avec une surface de température plus faible. Au contact, l’air se refroidit et la température qu’il atteint dans le voisinage de la surface peut se retrouver en dessous du point de rosée. Il apparaît alors de la condensation dite de surface (la pression de vapeur dans l’air atteint la pression de saturation).

Exemple de représentation sur le diagramme de l’air humide.

La figure ci-dessous montre l’évolution de l’état de cet air sur le diagramme de l’air humide : pour un air à 20 °C, 50 % d’HR et 1013 hPa, la condensation apparaît lorsque la température est réduite à 10 °C ou moins (à pression constante).

Dans les bâtiments, la condensation de surface apparaît d’abord sur les vitres, les châssis métalliques sans coupure thermique, les conduites d’eau froide, et sur les parties froides de l’enveloppe. Cette condensation  lorsqu’elle est localisée en un endroit précis dénonce la présence d’un pont thermique. Celle-ci peut de plus entrainer l’apparition de moisissures.

Pour empêcher la condensation de surface, il faut :

  1. Avoir une qualité suffisante de l’isolation de l’enveloppe de façon à ce que la température de la face intérieure de celle-ci ne descende pas en dessous de 17.5 °C.
  2. Diminuer par ventilation complémentaire l’humidité relative de l’air intérieur.
  3. Chauffer la face intérieure des parois froides.

Si ces mesures ne sont pas applicables ou insuffisantes, la seule façon de limiter les dégâts est de traiter la surface des parois pour empêcher la pénétration de l’eau de condensation par capillarité dans les parois, et de pouvoir recueillir et évacuer l’eau condensée.

Lampes au sodium basse pression

Lampes au sodium basse pression


Comment fonctionne une lampe au sodium basse pression ?

La lampe au sodium basse pression fait partie des lampes à décharge. Son principe de fonctionnement est donc identique.

L’ensemble amorceur, ballast conventionnel et condensateur peut être remplacé par un ballast électronique.

Particularités

Cette lampe est constituée d’un tube à décharge en forme de « U » logé dans une ampoule extérieure.

Le tube à décharge contient un mélange de vapeur de sodium et de gaz tels que le néon et l’argon.

La lumière est émise, en majeure partie sous forme de rayonnements visibles, sa face interne n’est donc pas recouverte d’une couche de poudre fluorescente.


Caractéristiques générales

La lampe au sodium basse pression émet une lumière monochromatique jaune-orangée au maximum de la sensibilité de l’œil.

Cette lumière monochromatique lui confère la plus haute efficacité lumineuse de toutes les lampes communes (hors LED).

Mais c’est également cette caractéristique qui lui donne un très mauvais indice de rendu des couleurs (IRC).

Après une coupure du réseau, elle redémarre immédiatement.

Elle est principalement utilisée pour l’éclairage des autoroutes car l’efficacité lumineuse est très élevée et que le rendu des couleurs n’y est pas primordial.

Données

Pour connaitre les caractéristiques des lampes au sodium basse pression.

Données

Pour consulter un récapitulatif des caractéristiques des différents types de lampe.

Registres et clapets

Registres et clapets

Clapets de réglage des débits.


Registres de réglage

Ces registres servent

  • Au réglage de débit d’air, par création d’une perte de charge variable, qui n’est pas directement proportionnelle à l’angle de pivotement des volets : la variation du débit dépend essentiellement de la pente de la courbe débit-pression du ventilateur ; si cette pente est fortement descendante, le débit diminuera lorsque le registre sera près de la fermeture (avec un risque de bruits importants).
  • À l’isolement entre un conduit d’air et un ou plusieurs autres. Par exemple, pour remplacer une alimentation en air recyclé par une alimentation en air neuf ou pour isoler un échangeur de température. Une étanchéité rigoureuse n’est généralement pas demandée.

En général de section rectangulaire, ils comportent plusieurs lames ou volets pivotant autour d’axes parallèles, depuis une position « ouvert » où ils présentent leur tranche à l’écoulement de l’air, jusqu’à une position « fermée » où leurs bords se rejoignent : comme chaque volet a un effet directionnel, on les actionnent de manière à ce que leur sens de pivotement soit contraire d’un volet à l’autre. On évite ainsi que la déviation du flux d’air aval ne perturbe trop l’écoulement loin à l’aval du registre.

Dans le cas de sections circulaires, on utilise parfois (pour une facilité d’approvisionnement et de fabrication) des registres de section carrée, dont les coins débordent. Un registre de section ronde à un seul volet rond créerait une dissymétrie perturbant trop l’écoulement aval. Les registres à deux volets semi-circulaires sont préférables.

   

Volets de réglage.

Il est difficile de réaliser des registres très étanches. Néanmoins, il est possible de réduire les fuites en position fermée à quelques pour-cent du débit normal avec des bords de volet se recouvrant et munis de joints souples. Le jeu entre volets et parois doit être réduit au minimum tout en restant compatible avec un pivotement facile des volets.

Dans les régions froides, des résistances électriques peuvent être incorporées aux bords des volets placés à l’extérieur.


Clapets d’obturation

Il s’agit des dispositifs permettant la fermeture quasi parfaite d’un conduit. Ils peuvent être actionnés mécaniquement et même automatiquement dès que la vitesse de l’air diminue ou tend à s’inverser. Ils ne comportent généralement qu’un seul volet dont la section est supérieure à celle du conduit. Ils reposent par leur pourtour sur un siège souvent garni d’un joint souple laissant libre une section égale à celle du conduit.

  

Clapet anti-retour et clapet de fermeture.

De tels clapets se rencontrent souvent au refoulement de ventilateurs, fonctionnant en parallèle, afin d’éviter un retour en arrière à travers un ventilateur arrêté. Sans ce dispositif le ventilateur risque d’avoir des temps de démarrage plus long provoquant un échauffement important du rotor du moteur électrique. De tels clapets s’imposent également quand un conduit doit être isolé pour des questions d’entretien ou de sécurité (désenfumage en cas d’incendie).

On utilise également des clapets plus légers dits « anti-retour » comprenant souvent plusieurs lames comme les registres, ces lames retombant sous leur propre poids quand la circulation d’air s’arrête ou s’inverse.


Diaphragmes de réglage

L’utilisation de diaphragmes fixes ou réglables est parfois nécessaire pour modifier la perte de charge d’un circuit pour équilibrer les débits réels par rapport aux prévisions.

Diaphragme de réglage des débits.

Les diaphragmes sont des sources de bruit et créent des zones d’accumulation de poussières. Ils sont réalisés sous des formes différentes

  • Lame plane pénétrant dans le conduit entre deux brides d’assemblage, fixée au montage ou coulissante dans des rainures pour obtenir un réglage. Sa position peut être bloquée par pose d’une goupille.
  • Lame fixée contre un côté intérieur du conduit et pouvant pivoter par déformation sous la poussée d’une tige articulée ressortant de la paroi. La lame est solidarisée à la paroi après obtention d’un réglage correct.
  • Grille, grillage ou tôle perforée qui répartissent mieux la perte de charge et ont l’avantage de ne perturber l’écoulement aval que sur une courte distance et d’homogénéiser le flux d’air.

Clapets coupe-feu

Lorsqu’un conduit de ventilation traverse une paroi présentant une exigence de résistance au feu, il est obligatoire de prévoir des équipements qui pallient à la faiblesse ainsi crée et permettent de bloquer la distribution des fumées. On recours pour cela à différents équipements selon la section du conduit:

  • si la section du conduit est > 130 cm² : 1 clapet coupe-feu est placé au droit de la paroi de la trémie. Grâce à un fusible thermique, il se fermera soit quand la température de l’air dépasse une certaine température (typiquement 80°C). Pour éviter une propagation des fumées à des températures moindres, certains sont équipés également d’une détection de fumée.

Photo clapets coupe-feu.

  • si la section du conduit est < 130 cm² : Des grilles foisonnantes ou intumescentes sont placées au droit de la paroi entourant la trémie. Elles gonfleront sous l’effet de la chaleur et bloqueront le passage du feu (usage unique !).

Choisir parmi le différents systèmes de refroidissement

Choisir un système de refroidissement

Tout au plus pouvons-nous ici évoquer avec prudence les quelques critères principaux et ébaucher des solutions classiques, mais nullement « passe-partout ».


Critères de choix technico-économiques

Une concertation dès l’Avant-Projet

Il serait prétentieux de prétendre énoncer en quelques lignes tous les critères constituants la démarche conceptuelle qui conduit au choix d’un système de climatisation d’un immeuble.

La solution résulte en effet de la concertation étroite entre le Maître de l’Ouvrage, l’Architecte, l’Ingénieur de bureau d’études et tous les partenaires qui forment l’équipe de projet. Cette concertation se situe lors de l’Avant-Projet de l’étude du bâtiment et résulte du meilleur compromis entre critères parfois contradictoires :
  • évaluation des besoins : apports (-> froid), déperditions (-> chaud), occupation (->débit d’air hygiénique),…
  • mobilité aux variations de programme (usage du bâtiment, un ou plusieurs locataires, …)
  • confort au sens large (climatique, acoustique, visuel,…),
  • coût d’investissement et d’exploitation,
  • optimalisation de l’usage des surfaces,
  • esthétique externe et interne (le bâtiment doit être beau à voir et à vivre !),
  • etc…
À noter qu’au plus tôt se constitue cette équipe de projet, au plus l’ensemble des contraintes sera pris en considération à temps.

Tout au plus pouvons-nous ici évoquer avec prudence les quelques critères principaux et ébaucher des solutions classiques, mais nullement « passe-partout » :


Le coût d’investissement

Considérons une base relative de 100 % comme valeur moyen d’une installation de climatisation. Une simple installation de chauffage est alors à 30 %. L’échelle des prix en fonction du type d’équipement et du niveau de régulation qui lui est associé peut être évalué comme suit :

Installations  « détente directe »

Investissement
par rapport à la référence

Window 60 – 75 %
Split system 80 – 160 %
Débit réfrigérant variable (2 tubes) 160 – 200 %
Débit réfrigérant variable (3 tubes) 240 – 300 %
Armoire de climatisation 60 – 6 000 %%
Roof-top 30 – 100 %

Installations « tout air »

Investissement
par rapport à la référence

Tout air-débit constant 120 – 170 %
Tout air-débit variable 120 – 180 %

Installations « sur boucle d’eau »

Investissement
par rapport à la référence

Ventilo-2 tubes 85 – 110 %
Ventilo-2 tubes/2 fils 90 – 125 %
Ventilo- 4 tubes 100 – 150 %
Pompe à chaleur sur boucle d’eau 80 – 170 %
Plafonds froids 110 – 160 %

Le coût des plafonds froids (plutôt élevé en regard à l’énergie frigorifique produite) est pénalisé notamment par la régulation qui doit permettre d’éviter tout risque de condensation. Mais, comme tout produit récent, son prix est progressivement en baisse sensible…


Le coût d’exploitation énergétique

Le coût d’exploitation est directement fonction des charges à vaincre : un immeuble fort vitré consommera beaucoup plus que son équivalent équipé de protections solaires extérieures, par exemple … C’est donc d’abord le bâtiment qui crée la consommation !

On peut cependant établir une échelle entre les systèmes suivant leur performance énergétique :

Installations  « détente directe »

Coût énergie

Window élevé
Split system moyen
Débit réfrigérant variable faible
Armoire de climatisation moyen
(Roof-top) (faible)

Installations « tout air »

Coût énergie

Tout air-débit constant élevé
Tout air-débit variable moyen

Installations « sur boucle d’eau »

Coût énergie

Ventilo-2 tubes moyen
Ventilo-2 tubes/2 fils moyen à élevé
Ventilo- 4 tubes moyen
Pompe à chaleur sur boucle faible à élevé
Plafonds froids faible

Quelques règles à suivre pour concevoir une installation à faible consommation énergétique :

  • Éviter de détruire l’énergie : en aucun cas, on ne doit concevoir une installation dont la régulation fonctionnerait par mélange entre fluides chauds et froids. Les installations « tout air » à doubles conduits sont particulièrement sensibles à ce phénomène.
  • Récupérer la chaleur extraite lorsque le bâtiment requiert du chaud et du froid simultanément : un grand local informatique refroidi en hiver, des plateaux très étendus et fort équipés dont il faut en permanence refroidir la partie centrale, … On aura intérêt à concevoir une installation qui peut récupérer la chaleur extraite de ces locaux pour la restituer dans les locaux en demande de chaleur (bureaux en périphérie). Les installations à débit de réfrigérant variable et les pompes à chaleur sur boucle d’eau sont performantes à ce niveau. Dans les installations plus classiques (ventilos), une récupération de chaleur au condenseur des groupes frigorifiques est également possible et moins contraignante.
  • Préchauffer l’air neuf en récupérant la chaleur soit sur l’eau en sortie des faux plafonds, soit sur le condenseur de la machine frigorifique.
  • Limiter les résistances chauffantes électriques qui peuvent entraîner des dépenses importantes vu le coût du kWh électrique par rapport au kWh thermique. On sera attentif à ne sélectionner une installation de ventilos 2 tubes/2 fils que dans un bâtiment très isolé (besoins de chaleur très limités suite aux apports gratuits). De plus une gestion des équipements devra superviser l’ensemble.
    Un petit outil de simulation
    permet de quantifier l’impact du choix du vecteur énergétique de chauffage.
  • Préférer un refroidissement à haute température : l’efficacité frigorifique d’une installation à eau glacée sera améliorée si le fluide est produit et circule à relativement « haute » température. De là, l’avantage du refroidissement par plafonds froids dont la boucle d’eau « glacée » fonctionne au régime 15°-17°. Cette température élevée permet également, durant une bonne partie de l’année, un refroidissement gratuit de l’eau glacée dans un aéroréfrigérant ou dans une tour de refroidissement en toiture, en by-passant ainsi la machine frigorifique (« free-chilling« ).  La présence d’une source d’eau froide naturelle peut également être mise à profit (forage, rivière, lac, …)
  • Préférer un refroidissement par rayonnement : pour les plafonds froids également, le confort apporté par le rayonnement froid au-dessus des occupants permet une augmentation de 2°C de la consigne de température ambiante (température max = 26°C ou 27°C, au lieu des 24 ou 25°C habituels pour des ventilos, par exemple). Il s’en suit une réduction de la puissance frigorifique nécessaire.
  • Transporter l’énergie par l’eau et pas par l’air : le transport de l’eau par pompes représente moins de 2 % de l’énergie transportée. Le transport de l’air par ventilateur représente de 10 à 20 % de l’énergie véhiculée ! Les systèmes « tout air » subissent donc un sérieux handicap. Le système à débit d’air variable (VAV) limite les dégâts à ce niveau.
  • Valoriser l’air frais extérieur gratuit : dans le cas d’une installation « tout air », une partie importante de l’énergie frigorifique peut être fournie par l’air extérieur (free cooling en hiver et mi-saison). Il semble y avoir conflit entre cet argument et le précédent ! En réalité, on choisira une installation « tout air » lorsque le bilan énergétique prévoit du refroidissement régulièrement en hiver et en mi-saison.
  • Enfin, ne pas raboter le budget régulation : la qualité de la régulation est déterminante ! on pense tout particulièrement au ventilo-convecteur qui est le pire ou le meilleur des équipements, … selon la régulation qui lui est associée !

Le coût de maintenance

Les prix donnés à titre indicatif ci-dessous (Source : « GIE – Climatisation et Développement » en France) correspondent à un contrat annuel de maintenance sur devis (les prix les plus bas correspondent aux surfaces traitées les plus grandes). Ces valeurs sont assez anciennes (années 2000), mais les variations entre les différentes installations peuvent être supposées toujours pertinentes. À ces prix s’ajoute celui du renouvellement périodique des équipements défectueux, lié à leur durée de vie. Ainsi, les installations en « détente directe » sont généralement plus fragiles, ce qui implique un remplacement plus fréquent des composants.

Installations « détente directe »

€/m2
Window très faible
Split system 3 – 7,5
Débit réfrigérant variable
Armoire de climatisation 2,25 – 9,25 (si gamme informatique)
(Roof-top) (1,5 – 3,25)

Installations « tout air »

€/m2

Tout air-débit constant 1,5 – 5
Tout air-débit variable 2 – 6,25

Installations « sur boucle d’eau »

€/m2

Ventilo-2 tubes 3 – 5
Ventilo-2 tubes/2 fils 3 – 5
Ventilo- 4 tubes 3 – 5
Pompe à chaleur sur boucle 3,75 – 6,25
Plafonds froids  

 


Le confort thermique

Installations  « détente directe »

Confort thermique
Window faible
Split system faible
Débit réfrigérant variable bon
Armoire de climatisation moyen
(Roof-top) (moyen)

Installations « tout air »

Confort thermique
Tout air-débit constant bon
Tout air-débit variable bon

Installations « sur boucle d’eau »

Confort thermique
Ventilo-2 tubes moyen
Ventilo-2 tubes/2 fils moyen
Ventilo- 4 tubes bon
Pompe à chaleur sur boucle moyen
Plafonds froids excellent
Remarque  : Le confort thermique des plafonds froids est meilleur que celui des systèmes traditionnels (ventilo-convecteurs par exemple)

  1. parce que l’apport de froid par rayonnement est plus stable (inerte) et mieux réparti spatialement que l’apport de froid par convection forcée,
  2. parce qu’il permet la sensation agréable d’avoir « la tête au frais »,
  3. parce que le confort est renforcé par l’absence de courant d’air froid, puisque le débit d’air est limité aux besoins hygiéniques,
  4. parce ces mouvements d’air limités entraînent peu de déplacement de poussières dans les locaux.


La puissance frigorifique

Le dimensionnement des installations de climatisation est généralement fonction de la puissance frigorifique maximale nécessaire en été.

À ce niveau, les plafonds froids sont relativement limités puisque la puissance de refroidissement n’atteint que de l’ordre de 80 W/m² de plafond actif. Ce système ne permet pas de refroidir seul une salle informatique, par exemple.

A puissance frigorifique égale, un système « tout air » entraîne des débits d’air véhiculés très importants et donc des gainages coûteux et encombrants !


Le confort acoustique

Pour atteindre les niveaux requis par les normes, il va de soi que les plafonds froids sont avantagés. Mais on peut également sélectionner des installations plus classiques de qualité (basse vitesse des ventilateurs, amortisseurs de bruit,…).

Ainsi, une installation « tout air » classique à laquelle on adjoint des bouches de diffusion par déplacement devient excellente sur le plan acoustique.

Installations  « détente directe »

Confort acoustique
Window faible
Split system bon
Débit réfrigérant variable bon
Armoire de climatisation moyen
(Roof-top) (bon)

Installations « tout air »

Confort acoustique
Tout air-débit constant bon
Tout air-débit variable bon

Installations « sur boucle d’eau »

Confort acoustique
Ventilo-2 tubes bon
Ventilo-2 tubes/2 fils bon
Ventilo- 4 tubes bon
Pompe à chaleur sur boucle faible
Plafonds froids excellent

La centralisation


Si la surface des locaux à climatiser est limitée (rénovation de quelques locaux,par exemple), un système à « détente directe » (voire plusieurs équipements décentralisés) sera suffisant et nettement moins coûteux.

Si une installation centralisée bénéficie de l’effet de taille en terme de prix d’investissement, il n’y a que peu d’effet majeur à l’exploitation (efficacité frigorifique meilleure pour les grosses puissances, mais pertes en ligne et pertes en régulation plus élevées…).


Le fluide caloporteur

L’effet refroidissant

Il peut être apporté aux locaux par de l’air, de l’eau, ou par le fluide réfrigérant lui-même.

L’air ayant une faible chaleur spécifique, un système « tout air » entraîne un encombrement très important (gaines volumineuses), et donc une perte d’espace utile pour l’aménagement des locaux. En rénovation, cette technique est souvent exclue (si on ne veux pas « tout casser » !). Si les locaux sont de toute façon demandeur d’air hygiénique en grande quantité (présence de nombreux occupants), le problème est vu différemment : il est alors logique d’associer les fonctions « ventilation » et « rafraîchissement »…

L’eau glacée est le choix le plus fréquent. La boucle d’eau pouvant se placer aussi bien en allège qu’en faux plafond.

L’idée de faire circuler le fluide réfrigérant directement dans les locaux est nouvelle. C’est certainement la formule la plus souple. Elle s’adapte bien aux locaux à très faible inertie (parois légère, tapis de sol, faux plafond) pour lesquels on peut parfois en mi-saison chauffer au matin, … mais refroidir sous le soleil de midi !

L’effet calorifique

Il peut être apporté par de l’air, de l’eau, par le fluide réfrigérant ou par l’électricité.

Le transport par air entraîne les mêmes conclusions en chaud qu’en froid.

Le chauffage par boucle d’eau peut se justifier par la présence d’autres besoins dans le bâtiment (eau chaude sanitaire, par exemple) : l’installation de production d’eau chaude sera commune.

Lorsque le fluide « réfrigérant » est utilisé pour chauffer : l’échangeur dans le local devient le condenseur de la machine frigorifique. C’est la solution la plus économique à l’exploitation si la chaleur est extraite de locaux refroidis. Si la chaleur est extraite de l’air extérieur (fonctionnement en pompe à chaleur), la performance diminue fortement avec la baisse des températures extérieures. Le chauffage est alors obtenu avec un prix de revient supérieur aux installations à combustible classique. Ce choix ne peut se justifier qu’au regard de la consommation globale (hiver + été) de l’installation.

Enfin, le chauffage par résistance chauffante ne doit être sélectionné que lorsque les besoins thermiques sont très limités. Le prix de revient du kWh électrique de jour est en effet 3 fois plus élevé environ que celui du kWh thermique (pointe de puissance comprise).


Le recyclage de l’air

Dans le cas d’une installation « tout air », l’apport de froid dans les locaux entraîne un débit d’air nettement plus élevé que celui nécessaire pour les besoins hygiéniques (4 … 6 fois, environ). Dès lors, plus des 3/4 du débit total est recyclé. Seul 1/4 du débit total est de l’air neuf hygiénique.

Bien que les débits hygiéniques soient largement respectés, le mélange avec de l’air recyclé est loin de faire l’unanimité. On parle de « Sick Building Syndrom ». En réalité, il est difficile de faire la part des choses entre les plaintes liées au mauvais entretien des installations et celles liées au recyclage proprement dit.

De là, la préférence donnée aux installations dans lesquelles apport d’air neuf et apports thermiques sont dissociés : le réseau d’air pulse le débit nécessaire au renouvellement hygiénique (cet air est ensuite expulsé sans recyclage).

Calculs

Dans les outils de calcul – rubrique « Climatisation » – vous trouverez un outil permettant de calculer les caractéristiques d’un mélange d’air


L’encombrement

Les installations de climatisation « tout air » sont fort encombrantes, local volumineux à prévoir pour la centrale de préparation d’air (chauffer, refroidir, humidifier l’air,..).

Gaines de volumes importants à placer. L’augmentation de l’épaisseur des faux plafonds qui en résulte peut entraîner un étage de moins sur un bâtiment de 10 étages !

Petit calcul approximatif pour avoir un repère …

Une personne requiert 30 m³/h d’air hygiénique. Sur base d’une vitesse de 5 m/s dans les conduits, cet apport d’air requiert 30 [m³/h] / 3 600 [s/h] / 5 [m/s] = 16 [cm²], soit un conduit de 4 cm sur 4 cm. Et ceci rien que pour une personne !
Si l’air est en même temps « porteur » de la charge thermique (air chaud en hiver et air froid en été), les débits d’air traités sont en moyenne multipliés par 6. La section des conduits aussi. On arrive alors à un ratio de 100 cm² par personne, soit 10 cm sur 10 !
À titre d’exemple : l’hôpital St Luc de Woluwé traite et distribue 300 000 m³ d’air par heure ! ! !

Photo technique des plafonds froids.

La technique des plafonds froids demande par contre une épaisseur de faux plafonds moins élevée.

Quant aux ventilo-convecteurs en allège, si les tuyauteries de raccordement sont discrètes, les convecteurs eux-mêmes peuvent occuper, au sol, de la place recherchée.


Le tableau de synthèse


Reprenons les différents critères :

Installations  « détente directe »

Investis.

Coût énergie

Confort acoustique Confort thermique
Window 60 – 75 % élevé faible faible
Split system 80 – 160 % moyen bon faible
Débit réfrigérant variable 160 – 200 % faible bon bon
Armoire de climatisation 240 – 300 % moyen moyen moyen
Roof-top 60 – 6 000 % faible (bon) (moyen)

Installations « tout air »

Investis.

Coût énergie

Confort acoustique confort thermique
Tout air-débit constant 120 – 170 % élevé bon bon
Tout air-débit variable 120 – 180 % moyen bon bon

Installations « sur boucle d’eau »

Investis.

Coût énergie

Confort acoustique confort thermique
Ventilo-2 tubes 85 – 110 % moyen bon moyen
Ventilo-2 ubes/2 fils 90 – 125 % moyen à élevé bon moyen
Ventilo- 4 tubes 100 – 150 % moyen bon bon
Pompe à chaleur sur boucle 80 – 170 % variable faible moyen
Plafonds froids 85 – 110 % faible excellent excellent

Stratégie de choix

Un système technique, notamment de refroidissement, ne devrait pas se choisir uniquement sur base de critères technologiques et économiques, même s’ils sont essentiels. Le choix doit intégrer toute la complexité du bâtiment, son programme, ses besoins énergétiques de chaud et de froid, son site, son occupation,…

Pour s’y retrouver, il est nécessaire de se donner une stratégie. Un exemple de stratégie de choix peut être d’identifier des groupes de critères jugés prioritaires sur base desquels faire une première sélection peut s’effectuer. Par exemple, dans une approche orientée vers la performance énergétique, on mettra en avant les critères liés :

  • Aux propriétés thermiques et constructives du projet : Quelle est l’inertie du bâtiment ? Quelles sont les puissances demandées et les besoins d’énergie en chaud et en froid, en fonction des charges internes et solaires, des performances de l’enveloppe ? Quels sont les débits d’air hygiéniques ? Quelle est la modularité envisagée (possibilité de modifier fréquemment les cloisons) ?
  • Aux ressources énergétiques disponibles sur le site : Dans notre climat, un bâtiment peut être rafraîchi la plus grande partie de l’été en ventilant naturellement le bâtiment par de l’air extérieur. Si le site est trop bruyant ou pollué, une ventilation mécanique adaptée utilisée en mode free cooling sera également efficace. L’air extérieur peut en outre être rafraichi par des aménagements paysagers (parcs, bassins) ou technologiques (humidification). Si l’air extérieur reste malgré tout chaud la journée, la température nocturne tombe suffisamment pour permettre de décharger la chaleur accumulée à l’intérieur. Si l’air extérieur n’est pas valorisable sur le site du projet, peut-être une ressource hydrique l’est-elle (sans aller jusqu’à solliciter la nappe phréatique, un étang par exemple constitue une masse d’eau fraiche impressionnante) ? La capacité thermique du sol peut également être sollicitée, si sa composition permet des forages à un coût raisonnable.
  • Au profil de l’occupant : Selon qu’il souhaite ou non avoir un rôle actif dans la conduite du bâtiment, les choix techniques ne seront pas les mêmes. Est-il disposé à ouvrir ses fenêtres en été ? Les choix dépendront également des profils d’occupation : sont-ils stables ou variables ? Enfin, les attentes de confort sont un critère majeur : les occupants exigent-ils une température constante réglable selon leurs envies, ou sont-ils prêts à accepter une évolution raisonnable, mais moins maîtrisée des conditions intérieures ?

Une fois que l’on s’est donné une liste de critères principaux, il faut faire l’inventaire des choix possibles, et s’orienter vers celui qui offre la meilleure performance énergétique. Cette première sélection doit ensuite être discutée sur base des autres critères : impact financier, contraintes d’entretien, risque de nuisance acoustique, etc.


Organigramme de sélection

L’organigramme ci-dessous propose un guide de sélection d’un système de refroidissement. Il s’appuie sur une stratégie de sélection partant des profils d’occupants, des caractéristiques du bâtiment et des ressources du site et va jusqu’à la sélection d’une technologie.

Concevoir

Pour en savoir plus sur les choix techniques détaillés et les principes d’économie d’énergie accessible pour chaque technologie, cliquer ici !

Cet organigramme s’applique surtout aux constructions neuves, mais peut globalement être repris pour des projets de rénovation également. Il s’agit d’un guide générique, qui peut ne pas s’appliquer à un cas particulier. Restez donc prudents et critiques dans son utilisation. Tous les embranchements sont référencés par une lettre (de A à Q). Un mot d’explication est donné sur chacun de ces choix en dessous de l’organigramme.

>> Les textes en italique dans le schéma sont cliquables et mènent vers des informations complémentaires.

Organigramme de sélection - 1 partie.

La ventilation intensive naturelle d’été La ventilation intensive naturelle d’été La ventilation intensive mécanique d’été

Organigramme de sélection - 2 partie.

Le système tout air, à débit variable (VAV) Le climatiseur de local Le refroidissement adiabatique La machine frigorifique à ab/adsorption La machine frigorifique à compression La dalle active Le free-chilling Les plafonds froids La géothermie et le géocooling La dalle active La géothermie et le géocooling La dalle active Le free-chilling Les plafonds froids La machine frigorifique à ab/adsorption Le système tout air, à débit variable (VAV) Le système tout air, à débit constant, mono-gaine Le système tout air, à débit variable (VAV) Le système tout air, à débit constant, mono-gaine Les plafonds froids La machine frigorifique à compression Les poutres froides Les ventilo-convecteurs

Quelques commentaires sur cet organigramme :

  • A à D : La première partie sert à identifier le profil de l’occupant : actif ou passif.
    • Si le profil est passif (c’est-à-dire lorsque que l’occupant ne peut intervenir sur son environnement par l’ouverture d’une fenêtre, la fermeture d’un store,…)., toutes les stratégies intégrant la notion de confort adaptatif sont caduques.
    • Si l’occupant est actif, on peut envisager d’aller vers une limitation acceptée de la puissance de refroidissement disponible. C’est le sens de la question « D. Température glissante ? »
      • Répondre oui signifie que l’on tolère une dérive limitée des températures intérieures en été, telle que définie par la norme NBN EN 15251. L’installation de refroidissement sera alors vue comme une aide limitée en cas de vague de chaleur exceptionnelle (on parle de top cooling) ou de besoins localisés (systèmes split).
      • Répondre non signifie que, malgré le comportement actif possible des occupants, on souhaite avoir la garantie du maintien de consignes strictes de température. On s’oriente alors vers un système de refroidissement capable de répondre instantanément aux besoins. Pour en savoir plus sur les profils d’occupants, voir la page « confort thermique ».
  • E à G : La question E se place dans le cadre d’une fluctuation contrôlée des températures. Une stratégie de free cooling est dans ce cadre indispensable, au moins en journée,  faute de quoi les charges internes et solaires ne peuvent être dissipées et le confort ne pourra être maintenu. Mais ce free cooling (diurne et/ou nocturne) est-il suffisant ? Une simulation dynamique du comportement du bâtiment peut être intéressante pour répondre à cette question. Différentes réponses sont envisageables :
    • 1/Oui, auquel cas il n’est pas nécessaire d’installer de système de refroidissement. Félicitation, votre consommation d’énergie thermique en été sera nulle ;
    • 2/Oui, sauf dans certains locaux, par exemple ceux avec des serveurs informatiques, ou une salle de réunion particulièrement exposée au soleil, ou les quelques locaux sous toiture,… Dans ce cas, une installation de refroidissement à détente directe, de type armoire de climatisation ou système split parait un bon choix. Éventuellement, la chaleur extraite de ces locaux pourrait être utile à d’autres ? Alors on s’orientera vers un système à débit de réfrigérant variable (VRV) ;
    • 3/ Oui, sauf en plein été. Dans ce cas, un appoint mécanique de type top cooling est pertinent, pour franchir confortablement les jours chauds sans investir dans un système de distribution spécifique au refroidissement ;.
    • 4/ Non, le free cooling est tout à fait incapable d’assurer le confort du bâtiment, malgré la bonne volonté et la coopération des occupants.
  • H à I : Un appoint d’été dans un bâtiment qui ne dispose pas d’autre système de refroidissement qu’un free cooling se base souvent sur le réseau de ventilation : l’air neuf hygiénique est refroidi en centrale avant d’être diffusé dans l’ensemble du bâtiment. Le débit d’air correspond au débit nominal du réseau de ventilation hygiénique, c’est-à-dire de débit nécessaire pour assurer la qualité de l’air des locaux en supposant une occupation de référence. Éventuellement, ce débit peut être augmenté légèrement si le groupe de pulsion le permet, mais avec précaution : les pertes de charge seront alors très élevées et la consommation électrique d’un ventilateur également (pour éviter cela, on peut surdimensionner le réseau de ventilation par rapport au débit hygiénique). Dans ces cas, le refroidissement de l’air peut éventuellement se faire au départ d’une source naturelle. Typiquement, si l’air extrait des locaux n’est pas trop humide, un refroidissement adiabatique peut être envisagé. Une climatisation solaire peut aussi être envisagée, si le besoin de froid est effectivement lié aux gains solaires, et non aux gains internes des locaux. Enfin, une machine frigorifique traditionnelle à compression sera choisie.
  • J : Cette question fait le constat d’une incompatibilité entre une stratégie ouverte à une remise en cause du confort et à la valorisation du comportement des occupants et les résultats attendus, déduits par exemple d’une simulation dynamique. Avant de conclure que, dans ce cas, le free cooling est une impasse et de basculer sur un système de refroidissement plus traditionnel, il peut être utile de creuser un peu les résultats de la simulation. Pourquoi le free cooling est-il à ce point insuffisant que même un appoint limité de type top cooling (climatisation uniquement à certains moments extrêmes (canicule par exemple) ne suffit pas ? C’est peut être justifié par le site : trop de bruit ou de pollution pour ventiler efficacement, ou par l’architecture : pas assez de protection solaire, ou pas de possibilité pour l’air de traverser le bâtiment en assurant un balayage efficace, ou pas assez d’inertie thermique, ou une trop grande dispersion des charges internes. Une fois la cause identifiée (il s’agira souvent d’un faisceau de causes partielles), les modifications à apporter au projet peuvent être envisagées. Peut-être sont-elles acceptables par le maître d’ouvrage et l’architecte ? Le rôle de l’ingénieur sera ici déterminant. À lui d’être créatif d’imaginer des propositions compatibles avec les souhaits des autres intervenants.
  • K à L : le slab cooling, ou activation de la dalle, est présenté comme première alternative au free cooling. Il présente en effet certaines similarités : valoriser l’inertie du bâtiment au travers d’un déphasage entre période de refroidissement effectif (la nuit) et période d’accumulation de chaleur (journée). Ce déphasage permet de valoriser une source de fraicheur fluctuante ou limitée, en particulier l’air extérieur (free chilling) ou un forage géothermique de puissance limitée (geocooling).
  • M : ici, on bascule du côté des émetteurs à puissance contrôlée, qui implique de disposer à tout moment d’une capacité de dissipation de la chaleur. Le choix des systèmes dépendra d’abord de la disponibilité ou non d’une ressource géothermique. Des essais de sol, ou l’examen de données géologiques permettent d’identifier le potentiel de valorisation thermique du sous-sol. La chaleur du bâtiment peut y être dissipée directement, au moyen d’un simple échangeur (géocooling), ou indirectement, au travers d’une machine frigorifique. Dans les deux cas, il est fortement recommandé de pouvoir travailler dans le bâtiment avec des émetteurs à « haute température », de type plafonds froids. En l’absence de ressource géothermique, on cherchera à valoriser l’air extérieur au travers d’une installation d’une dalle active (slab cooling). Cependant, un appoint « traditionnel », par exemple sur le réseau de ventilation sera nécessaire pour compléter la puissance et assurer une capacité de modulation locale et dans le temps de la dissipation de la chaleur. Enfin, si le besoin de refroidissement est directement lié à la course solaire, une climatisation solaire peut éventuellement être envisagée.
  • N à P : en l’absence d’une ressource naturelle, ou lorsque son exploitation est impossible, on se tournera vers une production traditionnelle de froid (machine frigorifique à compression). La question du système de refroidissement est alors limitée au choix du réseau de distribution. Si la puissance demandée dépasse largement celle que peut véhiculer le réseau de ventilation hygiénique, on optera pour une distribution par boucle d’eau. Eau froide si des émetteurs à haute température peuvent être choisis, eau glacée sinon. Si le réseau de ventilation peut, moyennant un surdimensionnement limité, assurer le refroidissement, on se dirigera vers des systèmes de conditionnement d’air VAV ou CAV selon le niveau de variabilité des besoins, et vers toutes les solutions intermédiaires possibles en termes de gestion des débits.

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Pour plus d’informations sur le choix d’un système de refroidissement tout air  (débit d’air constant, VAV), cliquer ici !

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Pour plus d’informations sur le choix d’un système convectif sur boucle d’eau froide : (ventilo-convecteurs ou poutres froides), cliquer ici !

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Pour plus d’informations sur le choix d’un système rayonnant sur boucle d’eau froide (plafond froid, dalle active, cliquer ici !

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Pour plus d’informations sur le choix d’un système à détente directe (climatiseurs et systèmes à Débit de Réfrigérant Variable), cliquer ici !

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Osmoseur inverse

Osmoseur inverse


Principes fondamentaux de l’osmose et de l’osmose inverse

L’osmose

Au même titre qu’un caillou ne peut évoluer que d’une altitude plus élevée vers une altitude plus basse (différence de potentiel), un système chimique évoluera naturellement d’une enthalpie libre (rôle du potentiel) plus élevée vers une plus faible (premier principe de la thermodynamique). L’enthalpie libre d’un système chimique constitué d’un solvant (l’eau de ville à traiter) et de solutés (sel minéraux, matières organiques, …) est fonction de la concentration de chacun de ses constituants: le potentiel d’une solution saline est plus élevé que celui d’une solution moins saline.

Eau « pure ».

Eau + soluté.

Migration de l’eau.

 

Équilibre osmotique.

Si les deux solutions sont mises en contact par l’intermédiaire d’une membrane semi-perméable, les solutés (les sels) de la solution la plus concentrée ne pouvant la traverser, c’est le solvant (l’eau) de la solution la moins concentrée qui la traversera afin de réduire l’enthalpie libre et ce jusqu’à ce que le système soit en équilibre. Cet équilibre est atteint quand la différence de hauteur entre les deux solutions correspond à la pression osmotique (correspondance des deux concentrations de part et d’autre de la membrane).

La valeur de la pression osmotique est principalement fonction des solutés présents dans la solution (potentiel chimique) et de leur concentration.

L’osmose inverse

Schéma principe osmoseur inverse.

Si on fournit de l’énergie au système, le phénomène de l’osmose est réversible. En exerçant une pression inverse à la pression osmotique sur la solution la plus concentrée, l’eau uniquement retraversera la membrane en sens inverse: c’est l’osmose inverse.

Si seule l’eau d’une solution chargée en sel et en matières organiques traverse la membrane semi-perméable, on obtient un système de filtration ultra efficace.

En imaginant une eau de ville à épurer pour la stérilisation, envoyée contre une membrane semi-perméable au travers d’une pompe de mise en pression supérieure à la pression osmotique, à la sortie de l’osmoseur inverse, l’eau est débarrassée de ses impuretés. Cependant, à force d’épurer l’eau, la concentration en solutés en amont de la membrane augmente et risque d’empêcher l’eau de passer au travers. Pour cette raison, il est nécessaire de créer une fuite contrôlée vers l’égout de manière à réduire la concentration des solutés.

Généralement, on emploie les termes suivants :

  • l’alimentation est la solution à épurer;
  • le perméat est la solution qui traverse la membrane;
  • le concentrat est le rejet.

Technologie de l’osmoseur inverse

Avant toute chose, il est utile de préciser que dans le but de préserver l’osmoseur inverse et de « dégrossir » le travail, on trouve en amont un adoucisseur permettant de réduire la concentration en ions calcium et magnésium de l’eau.

Photo osmoseur inverse.

Sans rentrer dans les détails l’osmoseur inverse se compose principalement :

En amont des membranes

  • d’un filtre d’entrée;
  • d’un pressostat de sécurité;
  • d’un manomètre pour le réglage de la pression;
  • d’un pompe de mise en pression des membranes;
  • de membranes travaillant en alternance:
  • d’un contrôle des débits de perméat et de concentrat
  • d’un contrôle des pressions

En aval des membranes

  • d’un contrôle du débit de concentrat;
  • d’un conductimètre (mesure la qualité de l’eau en µSiemens);

Les membranes

Photo membrane.

Schéma membrane.

Pour la petite histoire, l’abbé nollet avait déjà observé à la fin du 17ème siècle qu’une membrane constituée d’une vessie de porc laissait passer un flux d’eau douce pour diluer une solution saline séparée de celle-ci par la membrane; probablement la première observation du phénomène d’osmose.

Depuis, la technique a quand même évolué et la venue des matières synthétiques sur le marché a permis de réaliser des membranes semi-perméables de manière industrielle.

On distingue plusieurs types de membranes :

  • Isotropes, où les propriétés structurelles sont constantes sur toute l’épaisseur de la cartouche.
  • Anisotropes, où les propriétés structurelles varient sur l’épaisseur de la cartouche.
  • Liquides.

En fonction de la nature des matériaux constituant les couches des membranes, on parle de :

  • Membranes organiques fabriquées à partir de polymères organiques tels que l’acétate de cellulose, de polyamides, …
  • Membranes minérales constituées de matériaux tels que les matières céramiques, le métal fritté et le verre. Ces matériaux résistent bien aux hautes températures et aux agressions chimiques.
  • Membranes composites caractérisées par la structure asymétrique d’une peau très fine et constituées de plusieurs couches différenciées par leur nature physico-chimique (organique, organo-minérale ou minérale).
  • Membranes échangeuses d’ions.

Suivant la géométrie des supports (modules) de ces membranes, on trouve sur le marché :

  • Les modules tubulaires qui utilisent une technologie simple, facile d’utilisation et de nettoyage mais de compacité réduite où la consommation d’énergie est important pour un faible débit de perméat.
  • Les modules composés d’un ensemble important de fibres creuses (grand débit de perméat).
  • Les modules plans où les membranes sont empilées à la manière d’un « mille-feuilles » séparées par des cadres intermédiaires qui assurent la circulation des fluides. On retrouve souvent dans les installations d’osmose inverse des modules spiralés.

La conductivité de l’eau

La conductivité électrique d’une eau correspond à la conductance d’une colonne d’eau comprise entre deux électrodes métalliques de 1 cm² de surface et séparées l’une de l’autre de 1 cm. L’unité de conductivité est le micro-siemens par centimètre (µS/cm). La conductivité traduit la minéralisation totale de l’eau. Sa valeur varie en fonction de la température. Elle est donnée à 20°C. Sa mesure permet de déceler immédiatement une variation de la composition de l’eau, par exemple :

  • Baisse de conductivité de l’eau d’un réseau de chauffage due à l’entartrage.- Réglage de la purge d’une chaudière ou d’un circuit de refroidissement pour limiter la concentration des sels dissous.
  • Contrôle de la production d’une chaîne de déminéralisation. Approximativement, la valeur en µS/cm correspond à la salinité en mg/l. On utilise également la résistivité, inverse de la conductivité, mesurée en ohms.cm : Résistivité (ohms.cm) = 1 000 000 / conductivité (en µS/cm)

Niveau guide de la conductivité à 20°C d’une eau destinée à la consommation humaine : 400 µS/cm

  • < 15 : qualité de l’eau de stérilisation;
  • 50 à 400 : qualité excellente;
  • 400 à 750 : bonne qualité;
  • 750 à 1500 : qualité médiocre mais eau utilisable;
  • > 1500 : minéralisation excessive.

Intermittence des cycles de stérilisation

Intermittence des cycles de stérilisation


Image de l’économie : la température intérieure

La consommation d’un stérilisateur est proportionnelle à la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur des équipements sous pression de vapeur. Plus cette différence diminue, moins on consommera.

Graphiquement, on peut représenter la consommation de vapeur comme suit :

Images des déperditions sans intermittence et avec intermittence.

On voit donc que plus la température intérieure chute et plus le temps pendant lequel cette température est basse est important, plus l’économie d’énergie réalisée grâce à l’intermittence est importante.


Paramètres influençant l’économie par intermittence

Si l’installation est coupée pendant les intercycles, quelles seront les économies engendrées ? La figure ci-dessous résume les différents paramètres qui influencent le bilan thermique.

L’économie est fonction du degré d’isolation

Plus l’enveloppe extérieure est isolée moins le transfert de chaleur de la vapeur vers l’ambiance de la zone technique sera aisé. La température de la vapeur aura tendance à rester stable et les économies seront faibles.

L’économie est fonction de l’inertie du système

Imaginons un système très inerte : la température intérieure chutera peu durant la coupure d’intercycle car beaucoup de chaleur s’est accumulée dans l’acier inoxydable. Les économies seront faibles.

L’économie est fonction de la durée de coupure

Une coupure de nuit est beaucoup plus efficace qu’une coupure d’intercycle.

L’économie est fonction du sur-dimensionnement du générateur

Si l’installation est très puissante (générateur et double enveloppe de faible volume), la relance en fin d’intercycle pourra se faire en dernière minute et donc la température intérieure pourra descendre plus bas durant la coupure.


Température interne des équipements

Maintien d’une consigne de température au générateur

Le gain énergétique provient de la diminution des déperditions d’intercycle. Et donc, plus la température intérieure du système de stérilisation descendra, plus l’économie augmentera. Néanmoins, il ne faut pas descendre sous une température de 100°C (sauf pendant la nuit) afin de maintenir le système sous pression (aux alentours de 1 bar) et, par conséquent, de réduire l’alternance de régimes stables et transitoires qui nuit à la pérennité de l’installation (fatigue et stress du métal, risque de fuite aux connexions).

Coupure du générateur

Au début d’un intercycle, lorsque le générateur est coupé, la vapeur sous pression dans la double enveloppe (3 bar – 134 °C) se refroidit au contact des parois et des condensats se forment. La quantité de vapeur résiduelle diminuant dans un volume quasi constant, un vide s’installe. Des casse-vide sont donc nécessaires pour éviter de noyer les équipements par l’aspiration de l’eau du générateur. Cela se matérialise par l’entrée d’air ambiant (à 30 °C) qui contribue à refroidir d’avantage l’intérieur des équipements permettant de réduire les déperditions pendant l’intercycle.


Diffusivité et Effusivité des matériaux

En régime variable (dynamique), le comportement des matériaux accumulant et restituant la chaleur dépend, entre autres, de deux caractéristiques physiques liées à une combinaison de leur :

  • masse volumique ρ[kg/m³];
  • conductivité thermique λ [W/m.K];
  • chaleur massique c [kJ/kg.K]

Diffusivité thermique

La vitesse avec laquelle la température d’un matériau évolue est liée par la relation suivante :

a = λ / (ρ x c) [m²/s]

Plus sa valeur est grande, plus elle s’échauffe et se refroidit vite.

Effusivité thermique

La quantité de chaleur qu’il faut fournir au matériau pour élever sa température est liée par la relation suivante :

Eff = (λ x ρ x c)1/2 [J/m².K.s1/2]

Plus sa valeur est grande, plus il faudra de l’énergie pour parvenir à le réchauffer.

Quelques matériaux

Le tableau suivant donne quelques valeurs de diffusivité et d’effusivité pour différents matériaux :
Matériau ρ [kg/m³] a [10-7m²/s] Eff [J/m².K.s1/2]
Acier 7 800 148 11 700
laine minérale 30 13 36
Polystyrène extrudé
25 9 35
Le cas de l’acier est intéressant dans le sens où il possède à la fois une grande diffusivité a et une grande effusivité Eff :
  • À la réchauffe, il est capable de s’échauffer rapidement au contact de la vapeur (la température de la double enveloppe est vite à + 134 °C) et, par la même occasion, d’emmagasiner de l’énergie en condensant beaucoup de vapeur (la vapeur cède sa chaleur latente); il faut donc une quantité d’énergie importante pour réchauffer la double enveloppe mais cela se fait rapidement.
  • À l’inverse, lors de la coupure d’intercycle ou du soir, l’acier de la double enveloppe se comporterait, s’il n’y avait pas d’isolant extérieur, comme un gros réservoir d’énergie cédant sa chaleur rapidement à l’ambiance. La seule présence d’isolant ne fait que retarder le refroidissement de la double enveloppe.

Période de refroidissement et de réchauffe

Refroidissement

À l’instant t0 de fin de cycle, le couple vapeur-acier échange sa chaleur avec l’ambiance à travers l’isolant. Pour valoriser l’intermittence, c’est à ce moment que l’on décide de couper la source de chaleur du générateur. Il est difficile de dire quel sera le temps qu’il faudra au couple pour que sa température interne passe de 134 à 100 °C. La modélisation de ce temps devrait tenir compte :

  • de la variation d’enthalpie de la vapeur au court du temps;
  • de la chaleur massique de l’acier;
  • de l’importance de l’énergie interne de la vapeur (en fonction de sa masse) par rapport à celle stockée dans l’acier;

Dans l’exemple qui suit, on tente de simplifier le modèle :

Soit quelques données :

  • mdouble enveloppe  = 200 [kg];
  • Tde0 = 134 [°C];
  • cacier = 500 [J/kg.K]
  • h »vapeur à 3 bar 134°C  = 2 727 [kJ/kg];
  • déperditionsde = 2 100 [W] (ces déperditions tiennent compte de l’isolant autour de l’acier);
  • volume de la double enveloppe estimé à Vde = 0,047 [m³];
  • volume massique de la vapeur à 134[°C] v »134°C = 0,6 [m³/kg];
  • L’ambiance de la zone technique est à une température de l’ordre de Tamb0 = 28 [°C] et reste constante.

On considère que, suite à la coupure de la source de chaleur à l’instant t0, les déperditions vers l’ambiance de la zone technique entrainent le refroidissement de la masse de la double enveloppe et de la vapeur.

Comme représenté dans le graphe (s,T) suivant, la vapeur se refroidit à volume constant. Si on considère que l’on doit maintenir 100 [°C] dans la double enveloppe (réduire les contraintes thermiques et mécaniques), la vapeur est partiellement condensée après un certain temps et garde une enthalpie de l’ordre de 1 500 [kJ/kg]. Ce que nous ignorons, c’est après combien de temps elle sera dans cet état.

Si on compare l’enthalpie de la masse de vapeur présente dans la double enveloppe et l’énergie emmagasinée dans l’acier, on se rend compte que le problème se simplifie car l’acier a emmagasiné beaucoup plus d’énergie que la vapeur (dû à sa faible masse) :

L’énergie stockée dans l’acier est de l’ordre de :

Eacier =  cacier  x mdouble enveloppe  x  (Tde0 – Tamb0)  

500 [J/kg.K] x 200 [kg] x ( 134 [°C] – 28 [°C])

Eacier = 10 600 [kJ]

L’énergie de la vapeur est de l’ordre de :

Evapeur =  h »vapeur à 3 bar 134°C  x Vde / v »134°C

=

2 727 [kJ/kg] x 0,047 [m³] / 0,6 [m³/kg]

Evapeur = 213 [kJ]

Le rapport des énergies internes de la vapeur et de l’acier à l’instant t0 est de l’ordre de 50; ce qui signifie que l’état de refroidissement de la vapeur est dicté par la masse d’acier qui échange sa chaleur avec l’ambiance à travers l’isolant.

Ce refroidissement suit une loi exponentielle décroissante :

T(t) = Tamb + Δ T x e-t/τ

avec :

τ = mdouble enveloppe x  cacier /  (kS / Δ T)

(avec kS / Δ T =  déperditions de/ Δ T)

τ = 200 [kg] x 500 [J/kg.K] /  (2 100 [W] / 106 [°C])

τ = 5 048 [s]

ou τ = 84  [min]

La courbe suivante montre la décroissance de la température pendant la durée de l’intercycle :

Réchauffe

Il est intéressant de savoir quand il faut effectuer la relance avant un nouveau cycle. Cet intervalle de temps peut être évalué :

Soit les mêmes données :

  • Tde0 = 134 [°C];
  • mdouble enveloppe  = 200 [kg];
  • cacier = 500 [J/kg.K]
  • h »vapeur à 3 bar 134°C  = 2 727 [kJ/kg];
  • déperditionsde = 2 100 [W];
  • Puissance du générateur = 40 [kW];
  • volume de la double enveloppe estimé à Vde = 0,047 [m³];
  • volume massique de la vapeur à 134[°C] v »134°C = 0,6 [m³/kg];
  • L’ambiance de la zone technique est à une température de l’ordre de Tamb0 = 28 [°C] et reste constante.

La réchauffe en fin d’intercycle nécessite de fournir de l’énergie :

  • à la vapeur pour qu’elle atteigne à nouveau les 3 [bar] de pression.

Δh1 =  (h »vapeur à 3 bar 134°C – hvap_refroidie)  x Vde / v »134°C

(2 727 [kJ/kg] – 1 500 [kJ/kg]) x 0,047 [m³] / 0,6 [m³/kg]

Δh1 =  96 [kJ] 

  • à l’acier pour ramener sa température à 134 [°C] et assurer sa fonction de réchauffe de la chambre de stérilisation.

ΔE =  E acier à 134 °C  – Eacier à 100 °C = 10 600 [kJ] – 7 200 [kJ]

ΔE =  3 400  [kJ]

  • pour compenser les déperditions, soit 2 100 [W].

L’énergie doit être fournie par le générateur de 40 [kW] (valeur courante de puissance).

On en déduit que le temps de remontée en température dépend surtout du réchauffement de la double enveloppe :

T(t) = Tint + Δ T x (1-e-t/τ)

avec  :

  • Tint = 100 [°C];
  • Δ T =  34 [°C];
  • kS / Δ T =  (Pgénérateur – déperditionsde) /Δ T)

    kS / Δ T = (40 000 – 2 100) [W] / 34 [°C]) = 1 115 [W/K];

  • τ = mdouble enveloppe x  cacier /  (kS / Δ T) τ

    τ = 200 [kg] x 500 [J/kg.K] / 1 115 [W/K] = 90 [s]

La courbe suivante montre la croissance de la température à la fin de l’intercycle :

On voit que la réchauffe est très rapide et qu’il n’est pas nécessaire de trop anticiper avant le démarrage du second cycle.

Il serait intéressant, dans la pratique, de mesurer ces temps afin de se rendre compte de l’intérêt de couper le générateur de vapeur ou de maintenir la température d’intercycle légèrement au-dessus de 100 °C.

Moteur synchrone

Moteur synchrone


 

Généralité

Le moteur synchrone est aussi un moteur utilisé pour la motorisation des ascenseurs. Ces dernières années ont vu ce type de moteur revenir en force parallèlement au développement des variateurs de vitesse.


Principe de fonctionnement

Le moteur synchrone se compose, comme le moteur asynchrone, d’un stator et d’un rotor séparés par un entrefer. La seule différence se situe au niveau de la conception du rotor. La figure ci-dessous montre un rotor à pôles saillants constitués d’aimants permanents ou d’électro-aimants alimentés en courant continu.

Schéma principe de fonctionnement.

Après le démarrage, le moteur tourne en synchronisme avec le champ tournant. A vide les axes des pôles du champ tournant et du rotor sont confondus. En charge, les axes sont légèrement décalés. La vitesse du moteur synchrone est constante quelle que soit la charge. On notera aussi que :

  • La charge (le système d’ascenseur) ne doit pas dépasser l’effort de démarrage entre le rotor et le champ tournant.
  • Le couple moteur est proportionnel à la tension à ses bornes.

Caractéristiques

Les avantages et inconvénients du moteur synchrone sont repris ci-dessous :

(+)

  • il peut travailler avec un facteur de puissance proche de 1 (cos φ~ 1). Il contribue donc à redresser le cos φglobal de l’installation électrique.
  • la vitesse du moteur est constante quelle que soit la charge (intéressant dans le cas des ascenseurs).
  • Il peut supporter des chutes de tension important sans décrocher.

(-)

  • S’il n’est pas associé à un variateur de vitesse, il a des difficultés à démarrer.
  • il peut décrocher en cas de forte charge (pas intéressant au niveau des ascenseurs nécessitant un couple important).


Le stator

Le stator d’un moteur triphasé (le plus courant en moyenne et grosse puissance), comme son nom l’indique, est la partie statique du moteur synchrone. Il s’apparente fort au stator des moteurs asynchrone. Il se compose principalement :

  • de la carcasse,
  • des palier,
  • des flasques de palier,
  • du ventilateur refroidissant le moteur,
  • le capot protégeant le ventilateur.

   

Stator.

L’intérieur du stator comprend essentiellement :

  • un noyau en fer feuilleté de manière à canaliser le flux magnétique,
  • les enroulements (ou bobinage en cuivre) des trois phases logés dans les encoches du noyau.

Dans un moteur triphasé les enroulements sont au nombre minimum de trois décalés l’un de l’autre de 120° comme le montre le schéma ci-dessous.

Variation de la vitesse en fonction du nombre de paires de pôles.

Lorsque les enroulements du stator sont parcourus par un courant triphasé, ceux-ci produisent un champs magnétique tournant à la vitesse de synchronisme. La vitesse de synchronisme est fonction de la fréquence du réseau d’alimentation (50 Hz en Europe) et du nombre de paire de pôles. Vu que la fréquence est fixe, la vitesse du moteur peut varier en fonction du nombre de paires de pôles.

Paires de pôles 1 2 3 4 6
Nombre de pôles 2 4 6 8 12
n0 [tr/min] 3 000 1 500 1 000 750 500


Le rotor

Le rotor est la partie mobile du moteur synchrone. Couplé mécaniquement à un treuil d’ascenseur par exemple, il va créer un couple moteur capable de fournir un travail de montée et de descente de la cabine d’ascenseur. Il se compose essentiellement d’une succession de pôles Nord et Sud intercalés sous forme d’aimants permanents ou de bobines d’exitation parcourues par un courant continu. On distingue donc deux types de moteurs :

  • à aimants permanents,
  • à rotor bobinés.

Rotor à aimant permanent

Ce sont des moteurs qui peuvent accepter des courants de surcharge importants pour démarrer rapidement. Associés à des variateurs de vitesse électronique, ils trouvent leur place dans certaines applications de motorisation d’ascenseurs lorsque l’on cherche une certaine compacité et une accélération rapide (immeuble de grande hauteur par exemple).

Rotor bobiné

Ce type de machines est réversible car elles peuvent fonctionner en régime moteur comme en régime alternateur. Pour les moyennes et grosses puissances, les moteurs synchrones à rotor bobiné, associé avec un variateur de vitesse, sont des machines performantes.

Comme le montre la figure ci-dessous, le rotor est composé d’un empilement de disques ferro-magnétiques. Comme dans le stator du moteur, des enroulements sont logés dans des encoches pratiquées sur le rotor et reliés électriquement aux bagues de bout d’arbre. L’alimentation en courant continu s’effectue via l’ensemble bagues-balais.

Photo rotor bobiné.


Pilotage de la vitesse de rotation

Le pilotage de la vitesse de rotation du moteur synchrone est essentiel pour beaucoup d’applications.

La relation suivante permet de cerner quels sont les paramètres qui peuvent influencer la vitesse de rotation.
On a :

n0 =  n

Avec,

  • n0 = vitesse du champ tournant [tr/min].
  • n = la vitesse de rotation de l’arbre du moteur [tr/min].

Ou :

n =   f / p

Avec,

  • f = fréquence du réseau [Hz].
  • p = le nombre de paires de pôles du stator.

On peut donc piloter la vitesse de rotation en intervenant sur :

  • le nombre de paires de pôles (moteur à nombre de pôles variable),
  • la fréquence du réseau.

Régulation de fréquence

À l’heure actuelle, le pilotage de la vitesse des moteurs synchrones se fait électroniquement grâce à des variateurs de vitesse. Pour cette raison, on ne parlera ici que du contrôle de la fréquence qui de loin la plus courante. Vu la nécessite pour un moteur synchrone d’être démarré avec un système auxiliaire (le rotor ne peut pas « accrocher » un champ tournant statorique trop rapide de 3 000 [tr/min]), le variateur de fréquence associé au moteur synchrone permet de le démarrer avec une fréquence statorique faible voire nulle.

Sans perte de puissance, on peut piloter la vitesse de rotation du moteur en faisant varier la fréquence et la tension car la vitesse de rotation du champ tournant au niveau du stator change.

A remarquer que le couple d’un moteur synchrone ne change pas en fonction de la vitesse puisqu’il n’y a pas de glissement.

Variation de la vitesse à couple constant (moteur synchrone).

Le pilotage du moteur synchrone par un variateur de fréquence montre des intérêts certains; à savoir principalement :

  • La limitation du courant de démarrage (de l’ordre de 1,5 fois le courant nominal),
  • Un couple constant quelle que soit la vitesse du moteur.

 

Mesurer l’humidité de l’air

Mesurer l'humidité de l'air


Mesure de l’humidité d’une ambiance

Les psychromètres ne sont plus utilisés que pour les mesures instantanées. Pour les mesures continues, on utilise des hygromètres.

Les hygrostats utilisés en climatisation sont des régulateurs tout ou rien, utilisant des hygromètres électroniques à cellule hygroscopique (mesure de l’humidité absolue) ou à cellule capacitive (mesure de l’humidité relative). Le différentiel enclenchement – déclenchement est de l’ordre de 3 à 5 % d’humidité relative.

Les sondes délivrent généralement un signal analogique standard (0 – 10 V ou 4 – 20 mA). Elles sont alimentées par une tension continue de l’ordre de 24 V.

Certains modèles ont leur élément sensible disposé au bout d’une canne. Ils sont utilisés dans les locaux spécifiques : salles blanches, locaux de stockage, par exemple. L’étalonnage de l’élément sensible est facilité et le placement d’un filtre spécifique est possible, en présence de poussières, par exemple.

Pour effectuer une mesure correcte, il faut que l’air soit en contact réel avec le capteur : il faut donc garantir un libre écoulement vers l’organe de mesure. Toutes les précautions de placement applicables aux sondes de température sont valables ici (température et humidité sont parfois dans le même boîtier). Elles ne devront pas être situées à proximité des climatiseurs, par exemple.

De la précision de la mesure d’humidité dépend la qualité de la régulation et le montant de la facture énergétique, puisque l’influence du taux d’humidité sur la consommation de l’installation est non négligeable ! À ce titre, on privilégiera les sondes à mesure continue par rapport aux sondes à dépassement de seuil (basées sur l’allongement d’un fil synthétique), dont l’hystérésis peut être important (près de 15 %).


Mesure de l’humidité dans les conduits

On utilise généralement des hygromètres électroniques à cellule capacitive. Ces sondes délivrent généralement un signal analogique standard (0 – 10 V ou 4 – 20 mA). Elles sont alimentées par une tension continue de l’ordre de 24 V.

Quelques recommandations pour une mesure de qualité :

  • Une distance minimale entre l’humidificateur et la sonde, d’une part pour s’assurer que toutes les gouttelettes sont bien évaporées (les gouttelettes ne sont pas prises en considération dans la mesure !), mais d’autre part parce que ces gouttelettes mènent à la destruction de la sonde, tout particulièrement celles au chlorure de lithium. On se renseignera auprès du constructeur.
Exemple.

vitesse de l’air = 3,5 m/s

augmentation d’humidité Δx = 4,5 geau/kg air sec.

Distance minimale = 6,4 m

  • Une distance minimale entre les batteries chaudes ou froides et la sonde : même si, faute de place, il n’est pas toujours facile de respecter la distance théorique, il y a lieu d’éloigner les sondes des batteries pour éviter l’effet de stratification (l’air humide a tendance à s’élever). Distance théorique minimale = 5 à 10 D, où D est le diamètre équivalent de la gaine. De plus, on placera les sondes à mi-hauteur du conduit aéraulique, et au centre de l’écoulement.
  • Une protection de l’élément sensible, soit par une grille si air propre, soit par un filtre en métal fritté si air avec poussières.
  • Une ouverture dans la gaine, à proximité de la sonde, pour pouvoir faire périodiquement une mesure de contrôle avec un appareil indépendant de l’indication de la sonde de régulation.
  • Une mesure dans la gaine de reprise située, si possible, en aval du ventilateur d’extraction si un risque de stratification de l’humidité est présent.
  • Un câble de raccordement électrique de la sonde suffisamment long pour permettre un entretien aisé.


Maintenance des sondes

Principales mesures d’entretien

  • Dépoussiérage de l’élément sensible au pinceau doux, si l’air est chargé en poussières.
  • Remplacement des filtres en métal fritté.
  • Pas de nettoyage des sondes à capacité par un solvant organique, du type chloré par exemple.
  • Régénération des sondes à chlorure de lithium, par l’utilisateur.
  • Étalonnage des éléments sensibles tous les ans (ou tous les deux ans si la sensibilité à la variation de la consigne est faible). Un tel étalonnage peut être fait facilement grâce à l’existence de cartouches contenant des solutions salines. L’humidité relative au-dessus de la solution est pratiquement indépendante de la température.
Exemple.

Solution de chlorure de sodium (76 % HR), ou de carbonate de potassium (44 % HR).

Il est donc facile de recalibrer l’appareil (consulter le fournisseur pour connaître les solutions salines adéquates, certaines étant agressives pour les éléments sensibles).

Une autre possibilité d’étalonnage consiste à comparer la mesure à celle d’un autre appareil plus précis (de la l’intérêt de prévoir une petite ouverture dans la gaine, à proximité de la sonde).


Hygromètre et psychromètre

Hygromètre à cheveu

La longueur d’un cheveu varie sous l’effet de la vapeur d’eau, tout particulièrement le cheveu des femmes !

L’appareil enregistre la variation de longueur d’un faisceau de cheveux suite à la variation de l’humidité.

La précision est de l’ordre de 5 %, si l’appareil est régulièrement étalonné. Autrement, la lecture n’est pas fiable;

Le temps de réponse est de l’ordre de 20 minutes.
Le cheveu peut être remplacé par un fil de soie ou de coton, voire par une fibre synthétique.

La plage normale de mesure s’étale entre 30 et 90 % et entre – 10 °C et + 50 °C de température sèche.

Il existe également des appareils électroniques qui convertissent la variation de longueur en signal de tension (mesure de résistance électrique ou magnéto-inductive).

Hygromètre à cellule hygroscopique

Le plus connu est l’hygromètre à cellule hygroscopique au chlorure de lithium. Le chlorure de lithium est une solution saline (LiCl). Ses propriétés hygroscopiques lui font absorber constamment de la vapeur d’eau contenue dans l’air.

L’appareil comprend deux électrodes entourant une couche de fibre de verre imbibée de LiCl Le tout est monté sur un capteur de température.

Lorsque les électrodes sont sous tension, le courant circulant au travers du tissu imbibé de LiCl produit de la chaleur qui évapore une partie de l’eau. Par évaporation, la résistance électrique du tissu augmente (la conductivité du tissu diminue), la puissance calorifique diminue, donc aussi la température sur la sonde intérieure. Une température d’équilibre s’établit finalement sur la sonde.

Cette température est utilisée pour mesurer la pression partielle de vapeur d’eau de l’air et de là le niveau d’humidité absolue de l’air.

Cette technique réclame un entretien important, la solution de chlorure de lithium devant être régénérée régulièrement.

Hygromètre à variation de capacité

Les hygromètres électroniques à cellule capacitive sont basés sur la modification de la valeur d’un condensateur en fonction de l’humidité. Plus précisément, c’est le diélectrique du condensateur qui est sensible à l’humidité relative de l’air ambiant.

La variation de la capacité (et donc de son impédance) entraîne une variation d’un signal de tension.

L’appareil est fiable et ne demande un étalonnage que tous les 2 ans. La précision est de 3 %. Le temps de réponse est court (de l’ordre de la dizaine de secondes). Et la plage de mesure est large. Que demander de plus ? !

Si, ils ont un petit défaut : être sensible aux polluants chimiques ! On sera dès lors attentif à ne pas les nettoyer avec des solvants organiques (chlore,…).

Leur durée de vie est estimée à une dizaine d’années.

Psychromètre

Le fonctionnement du psychromètre mécanique est basé sur la lecture de deux températures : la température sèche ordinaire et la température dite « bulbe humide « .

Pour connaître cette dernière, on enrobe la base du thermomètre d’ouate humide. On force l’air à passer au travers de cette ouate (par un ventilateur ou par déplacement rapide dans l’air au moyen d’une fronde). L’air qui passe au travers de l’ouate s’humidifie L’évaporation de l’eau refroidit l’air. Plus il se refroidit, plus il était sec au départ !

En comparant les deux mesures, on peut déduire le taux d’humidité de l’ambiance. Par exemple, supposons que le thermomètre sec mesure une température ambiante de 20 °C, tandis que la température lue au bulbe humide soit de 16°C. En prenant l’intersection entre l’isenthalpe passant par le point 16 °C – 100 % HR, et la droite des points à 20°C, on trouve une humidité relative de 67 %.

Autrement dit, l’air ambiant à 20 °C et 67 % HR, lorsqu’il est humidifié se refroidit jusque 16 °C 100 % HR, ce que lit le thermomètre « bulbe humide ».

La précision sur cette mesure est de 0,3 °C sur la température bulbe humide et de 2 % sur l’humidité relative qui s’en déduit.

Un entretien périodique est nécessaire, mais la fiabilité est bonne.

La plage normale de mesure s’étale entre – 10 °C et + 60 °C de température sèche.

Dans le psychromètre électronique, la mesure des températures est réalisée sur base des valeurs données par des thermistances à Coefficient de Température Négatif (CTN).

Eté 2008 : Brieuc.
22-08-2008 : 1er passage de mise en page [liens internes, tdm, en bref !, rapide passage général sur la mise en page de la feuille] – Sylvie
02-09-2008 : WinMerge ok – Sylvie

Oxydation des accessoires de toiture

Oxydation des accessoires de toiture

Les causes principales qui accélèrent l’oxydation des accessoires de toiture métalliques sont


La production d’acide par les membranes bitumineuses

Sous l’action des rayonnements UV, les bitumes produisent de l’acide. Cet acide peut être fortement concentré lorsque la quantité d’eau présente sur la toiture est faible (rosée matinale en zone rurale avec faible écoulement). Lorsque cet acide atteint les accessoires ou évacuations en métal, il provoque une corrosion rapide de ceux-ci.

Le contact entre le bitume et le métal ne pose pas de problème, c’est l’acide généré sur la surface bitumineuse qui en coulant sur le métal provoque sa corrosion.

Les causes de ce phénomène ne sont pas encore connues avec certitude, mais le processus semble être inversement proportionnel à la qualité de la protection UV de l’étanchéité.

Il convient donc pour éviter les dégâts de protéger efficacement la membrane d’étanchéité bitumineuse contre les rayonnements UV. Si la membrane n’est pas protégée parce que ce n’est pas nécessaire (membranes APP), il faut utiliser des accessoires avals en matières synthétiques ou, lorsqu’ils sont métalliques, protéger ceux-ci par à l’aide d’un enduit adapté entretenu régulièrement.


Les couples galvaniques

La combinaison de différents métaux peut engendrer un risque de corrosion du métal le moins noble du couple galvanique et ce, d’autant plus que les métaux du couple sont éloignés sur l’échelle des potentiels galvaniques.

Il convient donc d’éviter de mettre en contact direct deux métaux de potentiels galvaniques très différents ou d’utiliser un métal moins noble en aval d’un métal dont le potentiel galvanique est plus élevé.

En pratique on évitera de mettre en contact, le cuivre avec le zinc, l’acier, l’acier galvanisé ou l’aluminium, ou de le placer en amont de ceux-ci.

Le contact direct peut être évité en plaçant entre les deux métaux une couche de désolidarisation durable.


Les dépôts de matières organiques

La décomposition des matières organiques produit de l’acide.
Lorsque des dépôts de feuilles, branchages, algues ou mousses maintiennent une humidité acide permanente contre le métal des accessoires, celui-ci se corrode.

Un nettoyage régulier de la toiture, surtout s’il y a des arbres à proximité, s’avère utile.

Les zones de stagnation doivent être évitées à proximité des accessoires métalliques.


La pollution

En zone industrielle on constate une corrosion plus rapide des accessoires métalliques.
Elle est due aux fumées acides.

La corrosion est plus importante à proximité des cheminées.


Echelle des potentiels galvaniques de certains métaux utilisés dans le bâtiment

Métaux plus nobles Acier inoxydable
Brasure à l’argent
Cuivre
Plomb
Brasure plomb-étain
Fonte
Acier / Fer
Aluminium
Métaux moins nobles Zinc

Eclairage direct

Eclairage direct

La lumière est projetée directement du luminaire vers la surface de travail.

Avantages

La lumière n’est pas réfléchie avant d’atteindre la tâche à éclairer. Le rendement est donc meilleur que celui d’un système comprenant une partie indirecte.

Inconvénients

Il existe un risque d’éblouissement et de contraste entre des zones sombres (par exemple le plafond) et des zones lumineuses. Dans le but de réduire l’éblouissement direct, on placera, par exemple, des  ventelles de défilement.

Lampes aux halogénures métalliques

Lampes aux halogénures métalliques


Comment fonctionne une lampe aux halogénures métalliques ?

La lampe aux iodures métalliques fait partie des lampes à décharge. Son principe de fonctionnement est donc identique.

Pour certaines lampes, l’ensemble amorceur, ballast conventionnel et condensateur peut être remplacé par un ballast électronique.

Particularités

L’ampoule contient de la vapeur de mercure haute pression dans laquelle on a ajouté des halogénures métalliques. Suivant le fabricant, les iodures métalliques sont différents (dysprosium, scandium, sodium, tallium, indium, etc.). La température de couleur dépend des iodures métalliques présents.

Schéma principe lampe aux halogénures métalliques.

La lumière est émise, en majeure partie sous forme de rayonnements visibles, mais une petite partie est émise sous forme de rayonnements ultraviolets invisibles. Dans les lampes ellipsoïdes, on tente de récupérer ces rayons en tapissant la paroi intérieure de l’ampoule d’une poudre qui absorbe les U.V. et les transforme en rayons visibles de couleur chaude, de manière à obtenir une couleur globale moins froide. Cette poudre rend l’ampoule opaline.

Remarque.
Certaines lampes particulières ont un starter incorporé. Elles s’utilisent alors bien sûr sans amorceur.


Caractéristiques générales

Technologies quartz et céramique

Les premières générations de lampe à halogénure métallique ont fait appel à un brûleur quartz. Cette technologie est tout doucement remplacée par la céramique qui :

  • supporte mieux les plus hautes températures permettant une miniaturisation des lampes ;
  • est moins sensible à la corrosion des halogénures métalliques ;
  • est moins poreux aux éléments de remplissage ;
  • améliore l’efficacité lumineuse et le rendu de couleur.

Comment les reconnaître ?

Lampe ovoïde de puissance élevée (250 - 400 W). Lampe ovoïde de puissance élevée (250 – 400 W) équipée :

  • d’un tube à décharge au quartz,
  • d’un culot standard.
Lampe tubulaire de puissance élevée (250 - 2 000 W). Lampe tubulaire de puissance élevée (250 – 2 000 W) transparente équipée :

  • d’un tube à décharge au quartz,
  • d’un culot standard.
Lampe compacte (70 - 150 W). Lampe compacte (70 – 150 W) équipée d’un brûleur céramique.
Lampe compact (35 -150 W). Lampe compact (35 -150 W) équipée d’un brûleur céramique.
Lampe (35 - 70 W). Lampe (35 – 70 W) équipée d’un brûleur céramique à culot standard.

Avantage et inconvénient

  • Elles ont un flux lumineux élevé et un bon rendement.
  • Pour certaines applications (dans les bureaux par exemple), il faut une protection contre les U.V. Cette protection peut se faire soit au niveau de la lampe, soit au niveau du luminaire.
  • Il existe des lampes aux iodures métalliques qui peuvent être utilisées en remplacement direct des lampes au sodium haute pression. Il suffit de changer l’ampoule, il ne faut aucune modification de ballast, d’armature ou de câblage.
  • Suivant le type d’halogénures présent dans la lampe, les caractéristiques électriques sont différentes, ce qui ne rend pas ces lampes toutes interchangeables.
  • Les lampes aux halogénures métalliques ne sont pas stables dans le temps. Dans le brûleur (ou tube à arc), il y a des poudres stabilisantes, mais le brûleur classique est en quartz et ces poudres s’échappent, ce qui explique que la couleur de ces lampes peut devenir bleue ou rose après un certain temps.
  • Certains fabricants ont remplacé le brûleur en quartz des lampes aux halogénures métalliques par un brûleur en céramique du même type que celui des lampes sodium haute pression. La couleur de la lampe est alors stable dans le temps, de plus son efficacité lumineuse ainsi que son IRC sont légèrement améliorés.
    Cependant, ces lampes n’existent pas encore dans la gamme des grandes puissances (> 150 W).
  • Elles ont une position de fonctionnement bien déterminée.
  • À l’allumage, le flux lumineux nominal n’est atteint qu’après plusieurs minutes et après extinction, le réamorçage ne peut se faire qu’après une dizaine de minutes. Utilisées avec un ballast électronique à allumage à chaud pour lampes aux iodures métalliques, le réamorçage est immédiat en cas d’extinction. Mais ces ballasts n’existent que pour de faibles puissances.
  • De même, certains modèles particuliers permettent un réamorçage immédiat. Ces lampes couvrent toute la gamme de puissance. Néanmoins, elles doivent être utilisées avec des accessoires adéquats : l’amorceur doit procurer une tension très élevée pour permettre cet allumage instantané.
  • Ces lampes peuvent exploser,  il faut donc les utiliser avec une glace de protection sauf pour les modèles spéciaux qui possèdent un revêtement extérieur en téflon qui les protège contre l’éclatement et qui permet de les utiliser dans des luminaires ouverts.

Données

Pour connaitre les caractéristiques des lampes aux halogénures métalliques.

Données

Pour consulter un récapitulatif des caractéristiques des différents types de lampe.
Distribution d'air

Améliorer le réseau de distribution d’air

Distribution d'air

Suppression des fuites

L’étanchéité des réseaux de ventilation existants est réputée comme étant très mauvaise. Il est cependant très difficile de procéder à l’étanchéification (bandes adhésives, mastic, …) de tout un réseau, même si celui-ci est apparent. Tout au plus peut-on remédier aux plus grosses fuites.

   

La solution est le remplacement complet des conduits de distribution rectangulaire par des conduits circulaires à double joint aux raccords.

Étanchéité des conduits de ventilation dans le bâtiment PROBE du CSTC  :

1.

Situation initiale (conduits rectangulaires).

2 à 5.

Étanchéifications successives par bandes adhésives.

6.

Remplacement des conduits rectangulaires par des conduits circulaires à double joints aux raccords.


Équilibrage de l’installation

Tout enfant trouve plaisir à boucher de son doigt un jet d’une fontaine : la pression monte dans le réseau et tous les autres jets sont augmentés !

Il en est de même pour Josiane, la secrétaire, qui prétextant « un horrible courant d’air », a scotché sa grille de ventilation, doublant ainsi le débit chez sa voisine !

Équilibrer une installation, c’est assurer dans chaque local le débit d’air nécessaire. Ni plus, ni moins. Par souci de confort et d’économie d’énergie.

Cette opération est normalement effectuée par l’installateur avant la réception des travaux, pour ajuster les débits aux valeurs prévues par le bureau d’études. Mais une mise au point ultérieure par le gestionnaire est parfois nécessaire en fonction de l’occupation effective du bâtiment.

L’équilibrage est réalisé dans les conditions normales de fonctionnement, soit

  • Avec portes intérieures fermées, sauf si l’usage courant les destine à rester ouvertes,
  • avec portes et fenêtres extérieures fermées,
  • avec l’extraction en fonctionnement dans le cas d’un système double flux.

Il est grandement favorisé par l’existence d’organes de réglage des débits aux bouches et en tête des branches. À défaut, des diaphragmes de réglage peuvent être insérés dans les conduits, mais leur utilisation est moins souple.

Deux principes dirigent le travail :

  1. Tous les débits d’une distribution restent proportionnels entre eux lorsque le débit en tête varie. Autrement dit, si une bouche est réglée pour diffuser un débit double de sa voisine, ce rapport restera quel que soit le débit qui les alimentera.Ce principe va entraîner le réglage proportionnel de toutes les bouches d’une branche, puis toutes les branches entre elles, sans se soucier du débit effectif. En fin de travail seulement, le débit total souhaité sera réglé au ventilateur… et donc automatiquement à toutes les bouches.
  2. Après équilibrage de l’ensemble, la consommation d’électricité est la plus faible :
    • Si au moins un organe de réglage de bouche est totalement ouvert (c’est la bouche la plus défavorisée),
    • si au moins un organe de réglage de branche est totalement ouvert (c’est la branche la plus défavorisée),
    • et si le registre du ventilateur est ouvert totalement (à partir du moment où le ventilateur a été correctement dimensionné).

Un exemple vaut mieux qu’un long discours :

Calculs

Un programme de simulation de l’équilibrage d’un réseau aéraulique vous permet de tester la méthode, en vous amusant !

Objectif ? En agissant sur les ouvertures de vannes, il faut obtenir les débits souhaités en adaptant les débits réels.

Suggestion :
Imprimer préalablement le mode d’emploi ci-dessous pour l’avoir à côté de soi lors de l’utilisation du programme.

Mode d’emploi de l’équilibrage

  1. Commencer par ouvrir tous les organes d’équilibrage du réseau (bouches, têtes des branches, registre du ventilateur). Sur le terrain, il faudra maintenir le registre du ventilateur à une position proche de la fermeture pour ne pas dépasser la limite de charge du ventilateur (à contrôler par la mesure du courant absorbé par le moteur). Dans les réseaux à débit variable, placer les points de consigne des régulateurs de débit à leur valeur maximale.
  2. Réaliser un premier ajustement des débits (régler approximativement le ventilateur pour que son débit soit légèrement supérieur (10 %) à sa valeur nominale, approcher l’équilibrage en tête des branches par un premier réglage grossier). Cette opération permet d’arriver plus facilement au bon résultat sur le terrain. Elle ne doit pas être faite sur le programme de simulation.
  3. Attaquer une branche (de préférence la branche la plus défavorisée) : repérer la bouche la plus défavorisée (voir remarque ci-dessous), mesurer son débit, laisser son réglage ouvert à 100 %, puis régler le débit de toutes les autres bouches de la branche à un débit proportionnel à celui de la bouche la plus défavorisée. Tous les débits obtenus seront incorrects en valeur, mais corrects dans les proportions entre eux.
  4. Procéder de même pour chaque branche.
  5. Régler les registres des têtes de branches de la même manière : les proportions entre branches doivent être correctes, en vous référant à la demande de la branche la plus défavorisée pour laquelle le registre reste ouvert.
  6. Enfin régler le débit du ventilateur à la valeur totale souhaitée. Normalement, si le ventilateur a été correctement dimensionné ou s’il dispose d’un régulateur de débit, le registre du ventilateur devrait rester ouvert à 100 %. Freiner après le ventilateur, c’est appuyer en même temps sur l’accélérateur et le frein d’une voiture…
Exemple pratique.

Dans le programme de simulation, prenons les 2 dernières bouches de la 3ème branche : elles demandent toutes deux 800 m³/h de débit. Or, sans toucher aux autres organes de réglages, l’une donne 416 m³/h et l’autre 219 m³/h. Fermons l’avant-dernière bouche jusqu’à 82,2 % d’ouverture. Cette fois, les 2 dernières bouches donnent 285 m³/h. Ce n’est donc pas le débit demandé, mais le rapport des débits entre eux est correct : l’avant-dernière bouche donne 100 % de la dernière, l’objectif du réglage est atteint. Après avoir réalisé le même travail avec toutes les autres bouches, il suffira d’adapter le débit total pour que tous les débits soient corrects.

Remarques.

  • Toucher au débit d’une bouche, c’est modifier le débit de toutes les bouches ! Le réglage est donc plus facile à faire sur ordinateur que sur le terrain : l’ordinateur calcule en permanence le rapport entre tous les débits. Sur le terrain, il faut travailler à deux, l’un restant à la dernière bouche durant tout le réglage de la branche et communiquant à son collègue l’évolution du débit…

 

  • Le programme de simulation permet de visualiser de façon didactique les étapes d’un équilibrage de réseau. Il n’est pas destiné à prédire le réglage d’un réseau déterminé… On ne peut donc y intégrer les données particulières de son propre bâtiment.

 

  • Ce type de travail est bien adapté aux réseaux pour lesquels la perte de charge des bouches est importante par rapport à la perte de charge des conduits. C’est souvent le cas pour les installations de conditionnement d’air, ce sera sans doute plus difficile dans le cas des réseaux de ventilation.

 

  • A la fin d’un équilibrage, il est utile de consigner par écrit les valeurs réglées : débits des bouches, pressions en amont des registres, tension, intensité et vitesse du ventilateur, température du réseau lors de l’opération,…

 

  • Il existe des bouches auto-régulatrices : dans une plage de pression donnée, le débit est maintenu relativement constant, ce qui facilite fortement l’opération, voire la rend inutile…

 

  • On entend par « bouche la plus défavorisée », celle qui est soumise à la plus faible pression différentielle pour des débits réglés à leur valeur nominale : c’est souvent la bouche la plus éloignée, parce que le trajet le plus long entraîne les pertes de charges les plus élevées. Mais cela peut être parfois l’avant-dernière bouche qui aurait un débit plus élevé et donc également des pertes de charges plus importantes.

Calculs

Si vous faites partie de ceux qui vont toujours voir les réponses à la fin sans chercher, il est possible de visionner le résultat de l’équilibrage… déjà tout fait par un autre ! Il faut admettre que vous avez déjà lu jusqu’ ici…

Entraînements pour ventilateurs

Ventilateur entraîné par courroies.


Entraînement direct

Dans ce cas, la roue est directement calée sur l’arbre du moteur. Avec de petits ventilateurs, on peut également caler la roue sur le rotor d’un moteur à rotor extérieur.

Ventilateur à entraînement direct.

Les avantages de l’entraînement direct proviennent de son coût d’investissement moindre, de son meilleur rendement (pertes de 2 à 5 % contre 2 à 10 % pour l’entraînement par courroies), de son encombrement réduit et de son faible coût d’entretien.

Son principal inconvénient provient sans aucun doute de l’impossibilité, sans disposer d’un variateur de vitesse, d’ajuster a posteriori la vitesse du ventilateur pour régler au plus juste le point de fonctionnement nominal, à quoi s’ajoute dans le cas des gros ventilateurs une plus importante sollicitation des paliers. Par ailleurs, ce type d’entraînement ne convient pas dans le cas de températures d’aspiration élevées.


Entraînement par accouplement élastique et coupleurs centrifuges ou hydrauliques

Les accouplements sont des liaisons d’arbres permanentes, tournant à la même vitesse.

C’est un type d’entraînement qui est principalement utilisé dans le cas de roues de grandes dimensions et dont la masse à mettre en mouvement est importante. Les paliers du ventilateur et du moteur sont alors indépendants.

Dans un accouplement élastique, un élément élastique est interposé entre les deux moitiés de l’accouplement. Dans les coupleurs centrifuges, la transmission du couple se fait grâce à la force centrifuge qui presse des éléments mobiles entraînés par l’arbre du moteur contre la partie du coupleur solidaire du ventilateur. Dans les coupleurs hydrauliques, c’est le déplacement d’un fluide qui assure la transmission du mouvement.

L’avantage des accouplements élastiques provient de l’amortissement des faibles mouvements d’arbre dans une direction longitudinale par suite de variations de température ou de pression d’aspiration. Celle-ci provient, particulièrement dans le cas de ventilateurs à simple ouïe d’aspiration, de ce que les fluctuations de pression amont modifient également la poussée axiale. Un autre avantage provient de l’équilibrage des vibrations produites par le couple moteur.

Les coupleurs permettent, eux, de faciliter le démarrage en réduisant la période de surcharge du réseau par un courant de démarrage élevé.

Comme pour l’entraînement direct, l’inconvénient de ces types d’entraînement tient au fait qu’on ne peut faire varier a posteriori la vitesse de rotation du ventilateur pour ajuster le point de fonctionnement nominal. On ne peut donc pas faire de correction du point de fonctionnement en agissant sur la vitesse de rotation.

Entraînement par coupleur élastique. et  par courroies et coupleur centrifuge.

Remarquons qu’un entraînement par courroies peut être raccordé au moteur via un accouplement du type centrifuge.


Entraînement par courroies

nventilateur = nmoteur x (Dmoteur / Dventilateur)

ou,

  • nventilateur  et Dventilateur = vitesse et diamètre de la poulie du ventilateur (fond de gorge).
  • nmoteur  et Dmoteur = vitesse et diamètre de la poulie du moteur (fond de gorge).

La vitesse du moteur est connue en lisant sa plaque signalétique.

Les courroies les plus courantes sont les courroies trapézoïdales étroites.

Son grand avantage réside dans le fait que l’on n’est pas lié aux vitesses de synchronisme, ce qui donne plus de latitude quant au choix du ventilateur. On peut par exemple choisir un moteur tournant plus vite donc moins coûteux. Il est en outre toujours possible d’effectuer ultérieurement des corrections du point de fonctionnement par échange des poulies. En prenant quelques mesures complémentaires appropriées, ce mode d’entraînement convient aussi très bien dans le cas de températures d’aspiration élevées.

Ses inconvénients viennent de son rendement pas très élevé ainsi que de l’usure des courroies, ce qui entraîne des frais d’entretien supplémentaires.

La tension de la courroie joue un rôle important sur son bon fonctionnement :

  • Une trop faible tension a pour conséquence un glissement élevé, donc un échauffement de la courroie et une usure prématurée.
  • Une trop forte tension entraîne la surcharge des paliers.

Bien réglée, un transmission par courroies a un rendement de l’ordre de 97 %. Ce rendement peut chuter à 80 % pour des poulies très petites.

Des entraînements par courroies trapézoïdales munis de poulies trop petites ou inutilement de courroies doubles et dont la tension est mal réglée entraînent des pertes de 10 à 20 %.

Un autre inconvénient est l’augmentation des frais d’entretien et de surveillance.

Lorsque l’on met deux courroies (ou plus) en parallèle, là où une seule suffirait, cela peut provoquer des vibrations, des bruits et une usure irrégulière. La durée de vie des courroies est réduite, ainsi que le rendement de transmission.


Entraînement direct par moteur à rotor extérieur

Le moteur à rotor extérieur est sans aucun doute d’une solution très bon marché et ne nécessitant que peu de maintenance pour entraîner de petits ventilateurs dont le gain de pression est faible. La vitesse de rotation de tels moteurs est réglable par variation de tension d’où la possibilité d’adapter en souplesse le fonctionnement du ventilateur aux exigences de l’installation.

Comme avantage complémentaire, on peut citer son encombrement réduit.

Au titre des inconvénients, on peut mentionner les faibles températures d’aspiration admissibles, qui se situent en général à 40 ou 50°C au maximum. Par ailleurs, le rendement global du ventilateur est relativement faible avec ce type d’entraînement.


Rendements

Mode d’entraînement

Pertes
Moteur à entraînement direct (roue de ventilateur directement calée sur l’arbre du moteur) 2 à 5 %
Entraînement par accouplement 3 à 8 %
Transmission par courroies Pmot < 7,5 kW : 10 %
7,5 kW < Pmot < 11 kW : 8 %
11 kW < Pmot < 22 kW : 6 %
22 kW < Pmot < 30 kW : 5 %
30 kW < Pmot < 55 kW : 4 %
55 kW < Pmot < 75 kW : 3 %
75 kW < Pmot < 100 kW : 2,5 %

Objectifs de la conservation par le froid

Objectifs de la conservation par le froid

La liste des températures à garantir

La liste des températures à garantir est donnée ci-dessous à titre indicatif. Elle nous a été fournie par un fabricant.

Températures à garantir

Chambre froide fruits et légumes

4 à 6 °C

Chambre froide viande

2 à 4 °C

Chambre froide poisson

2 à 4 °C

Chambre froide pâtisserie

2 à 4 °C

Chambre froide de jour

2 à 4 °C

Congélateur

– 20 à – 30 °C

Local de stockage des déchets

10 °C

Cave à vin conditionnée

10 à 12 °C/HR 75 %

Local de tranchage

10 °C

Un document contenant une liste beaucoup plus complète et intitulé : HACCP pour PME et artisans – Auteurs Catherine Quittet et Helen Nelis – Réalise par L’Unite de Technologie des IAA a la Faculte universitaire des Sciences agronomiques de Gembloux, Le Laboratorium voor Levensmiddelentechnologie de la KU Leuven en collaboration avec l’Inspection generale des denrees alimentaires, l’Institut d’expertise veterinaire, le service d’Inspection du Ministere de l’Agriculture Finance par le SSTC. peut être obtenu auprès de l’Unité de Technologie des IAA de la Faculté universitaire des sciences agronomiques de Gembloux au 081/62 23 03.

Statistiques de consommation dans les buanderies

Statistiques de consommation dans les buanderies


Machines à laver

Consommation électrique des lessiveuses automatiques avec remplissage à l’eau froide pour 500 utilisations/an (kWh/a)

Capacité du tambour
litres

Programme
60°C
Programme
95°C

  47
100
140
220
300

  600
1 600
2 550
4 000
5 000
1 150
3 000
4 500
6 800
9 000

Source : Miele.

Consommation électrique des lessiveuses automatiques avec remplissage à l’eau chaude pour 500 utilisations/an (kWh/a)

Capacité du tambour
litres

Programme
60°C
Programme
95°C

  47
100
140
220
300

  500
1 550
2 450
2 700
4 100
  950
2 400
3 900
5 700
7 500

Source : Miele/NOVEM 1993.


Séchoirs

Consommation électrique des séchoirs pour 500 utilisations/an (kWh/a)

Capacité du tambour
litres

Consommation électrique Consommation de gaz (1)

200
350
550
750

2 550
4 550
7 400
9 850
160
280
540
585

(1) Consommation électrique pour mise en marche mécanique.
Source : Miele/NOVEM 1993.

Choisir le pare-vapeur / Cas d’un comble perdu

Schéma pare-vapeur dans un comble perdu.

  1. Couverture.
  2. Lattes.
  3. Contre-lattes.
  4. Sous-toiture.
  5. Chevron.
  6. Panne.
  7. Plancher.
  8. Isolant.
  9. Pare-vapeur.

Pourquoi faut-il un pare-vapeur ?

Schéma principe du pare-vapeur.

À l’intérieur des locaux occupés, il y a toujours production de vapeur (par les occupants, par les plantes, par le nettoyage, etc.). La pression partielle de vapeur à l’intérieure des locaux occupés est donc toujours supérieure à celle présente à l’extérieur. Ainsi la vapeur d’eau va migrer au travers de la toiture en passant par le plancher isolé.

Vu que la résistance à la diffusion de vapeur de certains isolants (laines minérales, par exemple) est très faible, la pression de vapeur du côté inférieur de l’aire de foulée ou de la sous-toiture (s’il n’y a pas d’aire de foulée), ou de la couverture (s’il n’y a pas de sous-toiture) est quasi identique à la pression de vapeur à l’intérieure des locaux occupés; elle est donc relativement élevée. Or, après avoir traversé l’isolant, cette vapeur d’eau va rencontrer une paroi froide et il y a donc, suivant les cas, un grand risque de condensation interne dans l’isolant ou de condensation superficielle sur la face inférieure de l’aire de foulée, de la sous-toiture ou de la couverture.

Le pare-vapeur, placé sous l’isolant, va, grâce à sa grande résistance à la diffusion de vapeur, diminuer la pression de vapeur du côté froid de l’isolant, ainsi l’air en contact avec la paroi froide que constitue le plancher, la sous-toiture ou la couverture est déjà fortement déchargé de sa charge de vapeur et il n’y a plus de risque de condensation.

Faut-il toujours un pare-vapeur ?

Non, (voir quel pare-vapeur choisir ? ci-dessous).

Mais, le risque de condensation interne par transport de vapeur contenue dans l’air qui pourrait traverser la paroi est bien plus important que le risque de condensation interne par diffusion de vapeur. Il faut donc, en priorité, stopper le passage d’air au moyen d’un matériau résistant au passage de l’air et bien fermer les joints. Ce rôle est souvent rempli par la finition intérieure. Dans certaines configurations (fonction du type de plancher, de couverture, de sous-toiture, de classe de climat intérieur), cet écran d’étanchéité à l’air suffit à éviter toute condensation interne.

Schéma condensation interne par diffusion de vapeur.

Schéma condensation interne par diffusion de vapeur.

La vapeur qui passe par un joint non rebouché entre 2 plaques de plâtre enrobé est … 100 … 1 000 fois plus importante que la vapeur qui traverse la plaque elle-même.

Mais attention, si cette étanchéité peut être assurée, par la dalle en béton, elle ne l’est pas forcément par le plancher léger. Dans ce dernier cas, il est toujours intéressant de prévoir un écran étanche à l’air.
Si le passage de canalisation est nécessaire, celles-ci passeront dans un vide technique aménagé entre l’écran étanche à l’air et la finition inférieure.


Quel pare-vapeur choisir?

Classe du pare-vapeur

Le choix du pare-vapeur se fait en fonction :

  • du type de plancher
  • du type de sous-toiture,
  • du matériau de couverture,
  • du climat intérieur des locaux.
Sous-toiture : Classe de climat intérieur Tuiles en terre cuite, ardoises synthétiques, tôles ondulées. Ardoises naturelles, tuiles en béton ou en métal Bardeaux bitumés sur voliges
A B C A B C A B C
Aucune I
II, III E1 E1 E1
Capillaire I
II, III E1 E1 E2 E2
Non capillaire en bandes I
II, III E1 E1 E1 E1
Non capillaire continue I
II, III E2 E2 E2 E2
IV A examiner au cas par cas.

(-) :

un écran d’étanchéité à l’air suffit.

Plancher type A  : plancher lourd étanche à l’air, avec isolant sur le plancher.

Plancher type B : plancher léger étanche à l’air; l’isolant n’est pas recouvert d’un revêtement de sol.

Plancher type C : plancher léger étanche à l’air; l’isolant est recouvert d’un revêtement de sol.

Source : NIT 186 du CSCT.

Forme

Le pare-vapeur peut être :

  • incorporé à la finition dans le cas d’un plancher léger,
  • fixé aux laines minérales,
  • indépendant.

Conseils de mise en œuvre

> Le pare-vapeur doit être placé sur toute la surface du plancher.

> Il faut bien fermer les joints entre les plaques, les panneaux ou les membranes (selon le cas).

  • Dans le cas de plaques de finition avec pare-vapeur intégré, la fermeture des joints est assurée par :
    1. l’injection d’un silicone,
    2. la pose d’un enduit de finition.

Schéma sur plaques de finition avec pare-vapeur intégré.

  1. Injection de silicone
  2. Pare-vapeur
  3. Plaque plâtre
  4. Enduit de finition
  • Dans le cas d’une laine minérale munie d’un pare-vapeur, la pose de celui-ci se fait en même temps que celle de l’isolant.
  • Dans le cas d’un pare-vapeur posé indépendamment sous le gîtage d’un plancher léger, celui-ci est agrafé sur la partie inférieure des gîtes. Entre deux lés, on prévoit un recouvrement de 50 mm minimum rendu étanche à l’air et la vapeur au moyen d’un ruban adhésif simple ou double face ou d’une latte de serrage.

Schéma sur un pare-vapeur posé indépendamment sous un plancher léger.

Bande adhésive.

  1. Agrafe
  2. Pare-vapeur
  3. Bande adhésive

Schéma sur latte de serrage.

Latte de serrage.

  1. Plancher
  2. Isolant
  3. Pare-vapeur
  4. Latte de serrage
  5. Finition intérieure.
  • Dans le cas d’un pare-vapeur posé indépendamment entre le plancher (lourd ou léger) et l’isolant, celui-ci est posé avec recouvrement rendu étanche à l’air et la vapeur au moyen d’un ruban adhésif.

Avec un pare-vapeur en bitume, les joints sont collés ou soudés.

> Il faut bien fermer les raccords avec la maçonnerie :

  • soit en comprimant le pare-vapeur entre un joint souple et une latte, le tout cloué ou vissé,
  • soit au moyen d’un ruban adhésif double face adhérant parfaitement à la maçonnerie.

Schéma sur raccords avec la maçonnerie et pose d'un pare-vapeur.

Joint souple + latte fixée.

  1. Pare-vapeur
  2. Joint souple
  3. Latte

> Il faut veiller à ne pas perforer le pare-vapeur :

  • Dans le cas d’un plancher léger dont le pare-vapeur est placé sous la structure, les canalisations (eau, électricité, …) ne peuvent être encastrées au-dessus du pare-vapeur. Si elles sont nécessaires, elles sont logées dans un vide technique obtenu, par exemple, par la pose d’un lattage entre le pare-vapeur et la finition. La création de ce vide permet, en plus, le cas échéant, de rectifier la planéité de la finition du plafond. Celui-ci est couramment réalisé à l’aide de matériaux plans assez rigides : planches rainurées languettées (bois, MDF, PVC…), panneaux bois, plaques de plâtre (rejointoyées ou enduites).

Schéma plancher léger et pare-vapeur.

  1. Plancher en bois
  2. Isolant semi-rigide
  3. Pare-vapeur
  4. Latte / Vide technique
  5. Couche de finition
  • Le pare-vapeur doit rester continu derrière les éléments encastrés dans la finition (spots, boitiers, …).
  • Pour les spots, la chaleur produite peut dégrader les matières sensibles tels que les mousses synthétiques, les feuilles de polyéthylène (PE), … et provoquer des incendies. Dans le cas d’un plancher léger (pare-vapeur sous le structure), il faut donc soit choisir des matériaux pouvant résister à ces températures, soit les protéger en en interposant un écran adéquat.

Si l’on superpose deux couches d’isolant, il ne peut y avoir de pare-vapeur entre les deux couches.

Photo pare-vapeur.

Deux couches d’isolant sans pare-vapeur entre les couches.

Choisir un silencieux [ventilation]

Choisir un silencieux


Choix du silencieux

Le choix d’un silencieux est commandé par le niveau de bruit à atteindre dans les locaux (par exemple NR 35). Il dépend des caractéristiques des locaux, de tout le réseau de distribution, du ventilateur, … . Le choix est donc difficilement maîtrisable par le responsable du bâtiment. La sélection d’un silencieux s’effectue généralement par le fabricant lui-même. La sélection qu’il opère est d’abord guidée par l’atténuation acoustique souhaitée. Celle-ci permet de définir grâce à des abaques l’épaisseur des baffles, leur écartement et leur longueur.

Il faut ensuite veiller à optimiser la vitesse de l’air dans le silencieux :

  • Premièrement, pour limiter au maximum les pertes de charge dans le silencieux. Il faut trouver un juste compromis entre les pertes de charge, l’encombrement et l’investissement. En effet, plus les sections du silencieux sont importantes, plus la vitesse de passage de l’air est faible, mais plus encombrant et plus cher est le silencieux.
  • Ensuite, pour que l’écoulement de l’air dans le silencieux ne génère lui-même trop de bruit (ce serait un comble si le silencieux générait plus de bruit qu’il n’en atténue !). La valeur maximum du bruit régénéré que l’on tolère permet de définir la vitesse maximum de l’air dans le silencieux. On en déduit sa section frontale minimum en fonction du débit à véhiculer et son nombre de baffles.
Règle de bonne pratique.

On dimensionnera le silencieux de telle sorte que la vitesse de l’air soit limitée à 10 m/s lors du passage entre les baffles acoustiques du silencieux. Si la section d’ouverture du silencieux est de …30 %… à …50 %…, cela induit que la vitesse faciale à l’entrée du silencieux devrait être de …3 m/s… à …5 m/s… environ. Ceci conduit généralement à une perte de charge proche de 50 .. 80 Pa.

Pour limiter les pertes de charge du silencieux, on peut être attentif à :

  • À choisir les ventilateurs les moins bruyants, ce qui va de pair avec la recherche du rendement maximum.
  • Ne pas surestimer les besoins réels d’atténuation.
  • Choisir des silencieux circulaires, générant moins de pertes de charge. Ceci n’est pas toujours possible lorsque les débits deviennent importants, les silencieux circulaires n’apportant pas une atténuation suffisante.
  • Choisir des silencieux actifs, générant peu de pertes de charge, puisqu’ils n’utilisent pas de matériaux absorbants.

Emplacement du silencieux

La meilleure position d’un silencieux varie d’une installation à l’autre. On respectera les prescriptions suivantes

  • Le silencieux doit être le plus près possible du ventilateur, principalement si le gainage passe au-dessus d’un local critique juste en aval du ventilateur.
  • Si le gainage à la sortie du ventilateur traverse un local sans exigence acoustique (local technique, ..), il est préférable de placer le silencieux dans la cloison séparant ce local des locaux avec exigences acoustiques, pour éviter la transmission de bruit par by-pass du silencieux.

Mauvaise position du silencieux : le bruit du ventilateur by-passe le silencieux et bonne position du silencieux.

  • Si un clapet coupe-feu doit être installé dans le mur du local technique, le silencieux ne peut être placé dans la cloison et la portion de conduit entre le silencieux et le mur doit être garni d’un matériau absorbant.
  • Les silencieux doivent souvent encadrer la source sonore (généralement le ventilateur), tant du côté réseau que du côté prise d’air extérieur, pour limiter la transmission du bruit vers le voisinage.
  • Si le niveau de bruit demandé dans les locaux est très bas (NR 25 .. NR 30), il est souvent nécessaire de placer un deuxième silencieux en fin de réseau, de manière à atténuer les bruits générés par le réseau.

Comportement thermique d’un local climatisé

Date : page réalisée sous l’hégémonie Dreamweaver

Auteur : les anciens

Mars 2009 : Thibaud

Notes :

  • antidote appliqué. Thibaud
  • Winmerge : ok – Sylvie
  • Mise en page [liens internes, tdm, en bref !, passage général sur la mise en page de la feuille] – Sylvie

 Pour comprendre l’évolution des températures dans un local climatisé, il est utile de se créer mentalement un modèle de fonctionnement thermique.

Simulation d’un local « aveugle »

Partons d’un exemple simple : un local sans fenêtre, chauffé en journée par des apports internes et refroidi par une ventilation d’air à 16°C.

Hypothèses

  • Le local fait 3,5 x 4 x 2,8  de hauteur, soit un volume de 39 m3.
  • Les apports sont fixés à 600 Watts de 8h00 à 18h00.
  • Une ventilation permanente (jour et nuit) apporte 150 m3 d’air à 16°C, soit un renouvellement horaire de 3,8 (ce qui est plutôt élevé pour un apport de ventilation mais faible pour un apport frigorifique de climatisation). Cela représente un refroidissement de 400 Watts si l’ambiance est à 24°C, ou de 200 Watts si l’ambiance est à 20°C.

Deux types de parois sont étudiées, afin de visualiser l’impact de l’inertie des parois sur la température intérieure.

Variante 1 : local de forte inertie

On considère un sol en béton, des murs en maçonnerie recouverts de plafonnage, un faux plafond en matériau isolant.

La température opérative est la moyenne entre la température de l’air et celle de la surface des parois. Elle correspond à la température ressentie par les occupants. De plus, on peut en déduire l’allure de la température de surface des parois. Ainsi, puisque la température opérative est 0,6°C plus froide que l’air lors de la montée en température, on en déduit que la température de surface des parois est 1,2°C plus froide.

Il est intéressant de visualiser l’allure de la T° de l’air : en période de refroidissement, elle tend à descendre vers les 16°C donnés par l’air neuf, mais cette descente est freinée par les parois qui sont chaudes et qui transfèrent de la chaleur vers l’ambiance. L’air « cale » à 1,2°C de la température moyenne des parois.
Une fois 8h00 du matin, l’équilibre s’inverse : les apports dépassent le refroidissement. Sans inertie, l’air monte brusquement en température jusqu’à ce que ce même écart de 1,2°C apparaisse entre air et paroi, la paroi refroidissant cette fois l’ambiance.
À noter qu’en supprimant le faux plafond et en laissant l’air en contact direct avec le béton, la température maximale atteinte par l’air serait de 23°C, contre 23,5°C ici.

Variante 2 : local de faible inertie

Dans le même volume, on considère cette fois un sol en béton recouvert par 0,5 cm de tapis, des parois légères de 8 cm d’isolant recouvertes de 1,5 cm plafonnage, un faux plafond en matériau isolant.

Les parois ne présentent presque plus de masse thermique. L’air est cette fois « plus libre » de monter ou descendre en fonction des variations de charge et entraîne avec lui les fines parois. La température maximale monte à 25°C, contre 23,5°C dans le cas précédent.

Quel modèle thermique équivalent ?

Pour représenter cette évolution des températures, on peut imaginer le modèle suivant très simplifié :

Les apports sont communiqués à l’air du local; celui-ci échange par convection vers la surface des parois; le cœur de la paroi voit sa température lentement évoluer.
Remarque : en pratique, une part des apports internes est donnée par rayonnement direct vers les parois.
On en déduit une évolution des températures suivantes :

       

Cela correspond assez bien à la réalité lorsque l’apport frigorifique est donné par l’air. Par contre, une climatisation par plafonds froids entraînerait un transfert direct du froid par rayonnement vers les parois et donc une meilleure stabilisation de la température de l’air.

Le cas d’un apport solaire supplémentaire

Les locaux climatisés sont souvent soumis à des apports internes importants par les vitrages. Dans ce cas, le soleil ne chauffe pas l’air, il chauffe d’abord les parois (essentiellement le sol) qui restituent ensuite cette chaleur vers l’air par convection et vers les autres parois par rayonnement.

L’impact de l’inertie des parois est dans ce cas encore amplifié : si la paroi « touchée » par le soleil est absorbante (couleur foncée) et de forte inertie (béton), elle va accumuler la chaleur sans monter en température, et donc limiter le transfert de chaleur par convection vers l’air.
La présence de tapis au sol des bureaux génère donc plus facilement une montée en température de l’air des bureaux ensoleillés… Le mouvement convectif est encouragé par la vitre dont la température monte à … 30°C … par absorption partielle du rayonnement solaire.

Conclusions

  • Les charges sont apportées au local, partiellement par rayonnement, partiellement par convection.
  • Dans tous les cas, l’inertie des parois permet une stabilisation de la température de l’air.
  • Un apport frigorifique par rayonnement (plafonds froids) permet une stabilisation de la température de l’air similaire à celle obtenue par une inertie plus forte.
  • A la limite, un refroidissement du plancher par une circulation d’eau froide dans le plancher permettrait une captation directe des apports solaires… mais le risque d’inconfort aux pieds des occupants est présent…

Évaluer l’efficacité énergétique de la gestion de l’eclairage

Évaluer l'efficacité énergétique de la gestion de l'eclairage


Gaspillages courants

Constats

Un éclairage enclenché dans un local inoccupé ou encore en présence d’un éclairement naturel abondant est un gaspillage évident. Quelque soit l’usage du bâtiment, les exemples sont fréquents :

Dans les bureaux, des études, menées en Suisse et en Allemagne, ont montré que :

Photo bureau avec fenêtres éclairées.

  • Les luminaires sont enclenchés durant 60 % des heures de travail.
  • La majorité des utilisateurs enclenche les luminaires en arrivant au travail. C’est le service de nettoyage qui les éteint en fin de journée.
  • Lorsque des luminaires sont regroupés en deux zones à commande distincte (zone fenêtre et zone fond du local), le taux d’utilisation de tous les luminaires reste pratiquement identique. Ceci signifie que les utilisateurs prennent très peu attention aux apports d’éclairage naturel.

Dans les écoles, des constats similaires sont courants :

  • L’éclairage reste allumé lorsque la classe est inoccupée : récréation, temps de midi, …
  • Dans la classe, l’éclairage reste allumé même lorsque l’éclairage naturel est abondant. Par exemple, pour satisfaire les rangées les plus éloignées des fenêtres, toute la classe doit être éclairée car la commande de l’éclairage est unique.
  • Dans une classe à aménagement variable, on ne peut pas commander l’éclairage en fonction de la zone d’occupation.
  • Le tableau ne possède pas d’éclairage indépendant de l’éclairage général. Un éclairage spécifique au tableau est non seulement important pour le confort des élèves mais peut entraîner une économie d’énergie. L’expérience montre en effet que, pour compenser un niveau insuffisant de l’éclairage naturel du tableau, l’éclairage général de la classe est utilisée… Pire : en cas de reflets sur le tableau non résolus par un éclairage spécifique, on ferme les tentures du local et on allume l’éclairage artificiel … en présence d’un éclairage naturel suffisant !
  • Dans les couloirs, l’éclairage artificiel est allumé le matin et le reste … alors qu’il n’y a plus personne ou que l’éclairage naturel suffit.

Explications

Plusieurs raisons peuvent expliquer ces attitudes :

  • L’indifférence face au problème de l’énergie.
  • L’utilisation de luminaires basse luminance ne crée plus de points lumineux dans le champ de vision, il faut lever la tête pour s’apercevoir qu’une lampe est allumée.
  • Le contraste élevé entre le niveau d’éclairement naturel (2 000 à 4 000 lux) et le niveau d’éclairement artificiel (300 à 500 lux) : lorsque l’éclairage naturel prend la relève de l’éclairage artificiel, il l’occulte par son intensité beaucoup plus élevée.
  • Un système de gestion inefficace (centralisation sans zonage différencié).

Gérer

Organiser une campagne de sensibilisation.

Une installation efficace

     

S’il apparaît que certains locaux sont éclairés complètement

  • alors que l’éclairage naturel est suffisant (bureaux, couloirs vitrés, …),
  • alors qu’ils sont inoccupés (sanitaires, salles de réunion, couloirs, cage d’escalier…),
  • alors qu’une partie seulement du local est utilisée (bureaux paysagers, …),
  • alors que l’activité secondaire qui s’y déroule pourrait demander un éclairement moindre (nettoyage, gardiennage, …),

Il faut se demander si les occupants disposent de commandes permettant

  • D’enclencher l’éclairage par poste de travail, par local individuel ou par zone de même tâche.

  • D’enclencher partiellement l’éclairage en fonction de la distance aux fenêtres (et de la profondeur du local) ou de la zone d’activité.

  • d’éteindre automatiquement l’éclairage dans les locaux utilisés pour une courte durée : circulations (couloirs, halls, escaliers), dépôts, sanitaires, salles de réunion, etc., …
  • d’éteindre automatiquement l’éclairage en dehors des heures de travail.
  • dans certains cas (commerce par exemple),  de couper une partie de l’éclairage (l’éclairage d’accentuation, un luminaire sur deux, …) quand l’activité change (vente -> nettoyage).

Améliorer

Améliorer le système de commande.

Et en éclairage extérieur ?

L’éclairage extérieur ne peut fonctionner lorsque l’éclairage naturel est suffisant. La période d’allumage varie donc avec la saison. Cela vaut la peine d’examiner comment est gérée l’installation à rénover.

Éclairage fluo allumé en permanence sous un passage couvert.

L’éclairage reste-t-il allumé durant la journée ?

  • Si l’allumage est manuel, l’adaptation à cet horaire variable risque d’être liée à un horaire de travail fixe (on allume en partant le soir et éteint le matin en arrivant).
  • Une cellule crépusculaire peut commander l’allumage et l’extinction. Il faut cependant vérifier que son comportement soit correct. Un encrassement avancé peut l’empêcher de détecter correctement la venue du jour.
  • Une simple horloge peut limiter les horaires de fonctionnement.
  • Dans certains cas (lieux de passage par exemple), un détecteur de présence peut être utile.
  • Le raccordement au réseau d’éclairage public permet un fonctionnement automatique à horaire variable grâce aux signaux d’allumage/extinction diffusés par le distributeur électrique.

Amenées d’air naturelles

Amenées d'air naturelles


Amenées d’air naturelles : définition

Une amenée d’air naturelle est définie dans la norme NBN D 50-001 relative à la ventilation des locaux d’hébergement comme :

Une « ouverture d’alimentation réglable » ou « OAR »

C’est-à-dire une ouverture prévue dans une paroi extérieure, dans ou autour d’une fenêtre ou d’une porte extérieure dont la surface peut être modifiée manuellement ou automatiquement en continu ou au minimum en trois positions entre la position fermée et la position entièrement ouverte.

De plus, suivant la NBN D 50-001, une ouverture « de fuite » peut subsister en position fermée, pour permettre un certain renouvellement d’air même en cas de fermeture de toutes les alimentations d’air. En pratique, cette ouverture minimum équivaut à maximum 3 % de l’ouverture maximum.

La norme précise en outre qu’une ouverture d’alimentation réglable ne peut en aucun cas augmenter le risque d’effraction.

En pratique, une OAR est une grille ou un vasistas.


Les grilles de ventilation

Photo grilles de ventilation.  Photo grilles de ventilation.

Grille intégrée entre le vitrage et la menuiserie et grille verticale intégrée dans la menuiserie.

Photo grilles de ventilation.   Photo grilles de ventilation.

Grilles réglables à insérer dans la maçonnerie et grille intégrée au dessus du châssis, contre la battée.

Les grilles de ventilation peuvent, en pratique, faire l’objet de nombreuses applications. On peut notamment les distinguer selon leur emplacement dans les façades extérieures

  • dans la menuiserie même,
  • entre le vitrage et le profilé de menuiserie,
  • entre les profilés de menuiserie,
  • entre la menuiserie et la maçonnerie,
  • dans la maçonnerie

Leur débit nominal varie entre 30 et 180 m³/h par m courant (sous 2 Pa), les dimensions (principalement en épaisseur) étant d’autant plus importantes que le débit est grand. Le réglage manuel du débit d’air se fait soit par une glissière, un cylindre rotatif ou encore un clapet. La manipulation de la grille est possible grâce à une manette, une cordelette, une tringle ou encore une glissière pour les grilles disposées à des hauteurs difficilement accessibles.

Il existe également sur le marché :

Des grilles à coulisses

Les grilles à coulisse ne présentant pas de chicane sur le trajet de l’air. Ces grilles, de moins en moins utilisées, ne freinent pas le flux d’air, ce qui peut provoquer un léger courant d’air à proximité de la grille.

Illustration grilles à coulisses.

Grille à coulisse.

Des grilles à profilés minces

Les grilles pouvant s’adapter à toutes les épaisseurs usuelles de vitrage. Des grilles avec profilés plus minces s’adaptent également aux fenêtres coulissantes.

Illustration grilles à profilés minces.

Grille autoréglable pour châssis coulissant.

Des grilles autoréglables

Les grilles dites « autoréglables » qui ont pour but de maintenir un débit constant quelle que soit la pression du vent. Ces grilles comprennent une bavette souple réduisant automatiquement la section d’ouverture quand la pression augmente. Elles permettent ainsi d’obtenir un débit d’air relativement constant dans une plage de pression différentielle de 10 à 200 Pa. Non seulement elles assurent une alimentation en air plus ou moins constante (malgré tout nettement supérieure au débit de dimensionnement, puisqu’elles ne réagissent qu’à partir de 10 Pa alors que la pression de dimensionnement est de 2 Pa) mais elles évitent également que les utilisateurs ne bouchent complètement les grilles pour éviter les courants d’air inévitables par vent fort.

Schéma principe grilles autoréglables.  Illustration grilles autoréglables.

Exemple de grilles autoréglables.

Des grilles hygroréglables

Les grilles dites « hygroréglables » qui adaptent leur ouverture en fonction du degré d’humidité ambiante du local. Elles sont constituées d’un élément sensible à l’humidité relative (tresse de nylon) qui commande l’ouverture par sa dilatation. Leur bon fonctionnement est conditionné par l’absence d’influence de l’ambiance extérieure sur l’élément hygrosensible. Celui-ci doit être parcouru par de l’air intérieur et sa température doit être la plus proche possible de cet air.

Schéma principe grilles hygroréglables.

Grille hygroréglable.

Des grilles à coupure thermique

Les grilles à coupure thermique (absence de contact ou matériau isolant) entre les matériaux en contact avec l’extérieur et les matériaux en contact avec l’intérieur. Ces grilles évitent qu’en position fermée des condensations n’apparaissent sur la face intérieure.

Schéma principe grilles à coupure thermique. 

Des grilles isophoniques

Les grilles possédant aussi des systèmes d’insonorisation évitant la transmission trop importante des bruits extérieurs. Ces grilles possèdent des chicanes obligeant l’air à passer entre des surfaces garnies de matériaux absorbants.

Illustration systèmes d'insonorisation.Illustration systèmes d'insonorisation.

Exemple de grilles isophoniques.

Des grilles motorisées

Avec ouverture motorisée ou des grilles assistées par un ventilateur interne et pouvant être raccordées à un régulateur (thermostats, hygrostat) commandant la mise en route en fonction des besoins en ventilation intensive.

Photo grilles motorisées.     

Exemple de grille motorisée avec commande par potentiomètre ou thermostat – hygrostat.

Des grilles pour ventilation intensive

Les grilles d’aération traditionnelles suffisent pour assurer la ventilation hygiénique. Pour augmenter les débits d’air et pratiquer une ventilation intensive (rafraîchissement nocturne, évacuation d’un polluant occasionnel,…), il existe des grilles nettement plus grandes qui placée devant un ouvrant de fenêtre permettent des débits d’air important tout en protégeant le bâtiment contre l’intrusion, le passage des insectes, la pluie. Ces grilles se placent facilement de l’intérieur dans les ouvrants existants. Elles peuvent par exemple être installées en été et retirées en hiver. Une fois en place, la grille ne perturbe nullement l’ouverture de la fenêtre.

Photo grilles pour ventilation intensive.

Grille de ventilation nocturne intensive.


Les vasistas

Les vasistas sont de petites fenêtres ouvrantes qui (dans la tradition belge) s’ouvrent généralement vers l’intérieur et s’articulent par le bas. Ce type de fenêtre se rencontre fréquemment dans les toilettes mais peut également être utilisé dans d’autres pièces. Aux Pays-Bas, les vasistas s’articulent par le haut et s’ouvrent vers l’extérieur. Ils servent souvent d’amenées d’air pour la ventilation de base.

Photo vasistas.   Schéma vasistas..

Vasistas s’ouvrant vers l’extérieur ou vers l’intérieur.

Notons que se développent actuellement des systèmes plus sophistiqués permettant de régler assez précisément la position d’ouverture de ces fenêtres, soit manuellement, soit automatiquement.


Les portes et fenêtres

Les portes et les fenêtres ont depuis toujours été utilisées pour ventiler les bâtiments. Dans le cadre de la norme sur la ventilation, elles ne conviennent pas, car les débits amenés sont beaucoup trop élevés pour la ventilation de base. Leurs surfaces ouvertes génèrent des débits qui dépassent le débit maximum autorisé. En outre, les possibilités de réglage sont trop limitées. Dans l’esprit de la norme, les fenêtres et portes ouvertes ne peuvent donc servir que comme dispositifs de « ventilation périodique intensive ». Notons toutefois une exception pour les petits vasistas réglables.


Les conduits ouverts

Les conduits de ventilation ouverts (ouvertures non obturables dans les murs ou les sols) ne conviennent pas non plus, étant donné qu’ils engendrent de trop grands débits (plus du maximum autorisé de deux fois le débit nominal) et ne sont pas réglables. Les conduits ouverts peuvent dès lors être utilisés, dans le cadre de la norme, comme dispositifs pour les locaux ou espaces spéciaux : garages, les caves, les débarras, les chaufferies, les greniers, etc.

Évaluer l’efficacité énergétique d’une installation de chauffage centralisée

Évaluer l'efficacité énergétique d'une installation de chauffage centralisée


Où part le combustible ? Notion de rendement

L’efficacité énergétique d’une installation de chauffage se traduit par la notion de rendement global d’installation.

Ce rendement représente le pourcentage d’énergie consommée qui est réellement utile au confort des occupants, le complément de consommation servant à compenser les pertes au niveau de la production, de la distribution, de l’émission et de la régulation :

Pertes liées à une installation de chauffage centralisée : cliquez avec le curseur sur les intitulés pour visualiser les différentes pertes.


Ordres de grandeur

Type d’installation

Rendements en %
global = ηproduction x ηdistribution x ηémission x ηrégulation)

ηproduction

ηdistribution

ηémission

ηrégulation

ηglobal

Très ancienne chaudière surdimensionnée ou très peu performante, longue boucle de distribution (années 60-70) 75 .. 80 % 80 .. 85 % 90 .. 95 % 85 .. 90 % 46 .. 58 %
Ancienne chaudière bien dimensionnée, courte boucle de distribution 80 .. 85 % 90 .. 95 % 95 % 90 % 62 .. 69 %
Chaudière haut rendement, courte boucle de distribution, radiateurs isolés au dos, régulation par sonde extérieure, vannes thermostatiques, … (années 90 et début 2000) 90 .. 93 % 95 % 95 .. 98 % 95 % 77 .. 82 %
Chaudière mazout à condensation actuelle, bien dimensionnée et qui condense 97 .. 98 % 95 % 95 .. 98 % 95 % 83 .. 87 %
Chaudière gaz à condensation actuelle, bien dimensionnée et qui condense 101 .. 103 % 95 % 95 .. 98 % 95 % 87 .. 91 %

Dans une ancienne installation présentant un rendement global de 50 % (situation extrême), il faut 2 kWh en chaufferie (ou 0,2 litre de fuel, puisque 1 litre de fuel produit 10 kWh) pour 1 kWh utile au confort des occupants.

Dans une installation moderne présentant un rendement global de 90 %, il ne faut plus que 1,1 kWh (ou 0,11 litre de fuel) pour fournir le même kWh.

Ce qui fait pencher le rendement vers 90 %

  • une nouvelle chaudière qui condense et un nouveau brûleur avec un rendement de combustion voisin de 100 %,
  • des conduites bien isolées,
  • un découpage du réseau de tuyauterie conforme aux zones thermiquement homogènes (par façade, par occupation, ..),
  • la coupure de l’installation en période d’inoccupation,
  • une régulation locale tenant compte des apports de chaleur gratuits,

Ce qui fait pencher le rendement vers 60 %

  • une chaudière de plus de 25 .. 30 ans, avec un rendement de combustion voisin de 80 %,
  • une ancienne chaudière gaz atmosphérique,
  • des conduites en cave non isolées,
  • des radiateurs logés en alcôve dans un renfoncement du mur extérieur
  • un circuit hydraulique unique pour tout le bâtiment,

Évaluer chacune des pertes

Concrètement, il n’est pas possible de chiffrer le rendement global réel d’une installation de chauffage, certains composants, comme le rendement d’émission ou de régulation ne pouvant être évalués que qualitativement.

Il est cependant possible pour chacune des 4 sources de perte (production, distribution, émission, régulation) d’estimer un potentiel d’amélioration et d’en évaluer l’impact sur la consommation globale.

Évaluer

Évaluer l’efficacité énergétique de la production.

Évaluer

Évaluer l’efficacité énergétique de la distribution.

Évaluer

Évaluer l’efficacité énergétique de l’émission.

Évaluer

Évaluer l’efficacité énergétique de la régulation.

Pertes liées à une installation de chauffage centralisée : cliquez avec le curseur sur les intitulés pour visualiser les différentes pertes.

Les ressources

Les ressources – chauffage

menu-chauffage

Pertes liées à une installation de chauffage centralisée : cliquez avec le curseur sur les intitulés pour visualiser les différentes pertes.

Dimensionner l’ascenseur

Dimensionner l'ascenseur


Indicateurs de performance

Les indicateurs de performances sont principalement :

  • le temps d’attente moyen maximum probable (= « l’intervalle ») en secondes,
  • le temps nominal d’une course en secondes,
  • le débit relatif du trafic, exprimé par le pourcentage du nombre d’occupants maximum du bâtiment déplacé en 5 minutes.

Intervalle et temps nominal d’une course

Dans une étude de dimensionnement, un constructeur définit ses critères de performance. Ils sont traduits sous forme d’un tableau de satisfaction comme représenté ci-dessous :

Niveau de qualité Intervalle [s] Temps nominal d’une course [s] Moyenne
Entrant uniquement Double sens
Excellent 20-25 25-32 15-20
Bon 25-32 32-40 20-25
Satisfaisant 32-40 40-50 25-32

Débit relatif du trafic

Le débit relatif du trafic est fonction :

  • du type de bâtiment,
  • du type d’occupation des niveaux (fixe, à temps partiel, occasionnel, …),
  • de la présence de un ou plusieurs services différents avec des horaires différents.
Débit relatif du trafic (relative handling capacity)
[% du total de la population en 5 min.]
Type de bâtiments Services occupant le bâtiment Type d’occupation Niveau de qualité
Bon Excellent
Bureau Un seul service Fixe 16-20 20-25
Flexible 13-16 16-20
Plusieurs services Fixe 13-16 16-20
Flexible 12-15 15-18
Hébergement 12-16 16-18
Hôpital 13-16 16-20

Dimensionnement

1. Dimensionnement général de l’installation

Un préalable consiste à déterminer le type d’ascenseur que le maître d’ouvrage et le maître d’œuvre voudraient placer dans l’immeuble, connaissant les données constructives (nombre d’étages, type d’occupation, confort à atteindre, …).

Ce choix fixé, les fabricants ou les bureaux d’étude sont à même de déterminer, en fonction d’hypothèses prises sur la configuration de l’ascenseur (vitesse, accélération, …) et de données constructives du bâtiment, le nombre d’ascenseurs nécessaires pour atteindre les performances recommandées. Ces calculs sont basés sur des données statistiques d’utilisation d’ascenseurs.

D’autres paramètres de bonne pratique permettent de simplifier le dimensionnement ou de mieux cibler le choix des équipements. Le tableau ci-dessous reprend ces ordres de grandeur :

Paramètres Types d’immeuble
Résidentiel Tertiaire Tour
Nombre de courses annuel < 200 000 < 400 000 < 800 000
Nombre de cycles/h max. 180 240 240

Pour donner les bases d’un dimensionnement, comme opéré par un constructeur, prenons un exemple simple :

Données

Soit un ascenseur d’immeuble de bureaux, occupé par un seul service dont les employés travaillent, pour la plupart, avec un horaire flexible.

Les données constructives de l’immeuble sont les suivantes :

Données constructives du bâtiment
Paramètres Unités Valeurs
Destinations privilégiées
niveau 0
Nombre d’étages occupés
8
Nombre total d’étages
9
Population estimée
nbre de personnes
320
Hauteur totale de course
m
28
Hauteur moyenne d’un étage
m
3,5

Pour lancer la première itération, le constructeur propose les données suivantes au niveau de l’ascenseur :

Information concernant les ascenseurs
Paramètres Unités Valeurs
Vitesse évaluée m/s
1,6
Accélération
m/s²
0,8
Charge évaluée de la cabine
nbre de personnes
8
Nombre estimé d’ascenseurs
3
Largeur d’ouverture
mm
800
Temps de fermeture de porte
s
2,5
Temps d’ouverture de porte
s
1,7
Temps de transfert
s
2,4

Simulation

Les résultats de la simulation sont les suivants :

Résultats du calcul
Paramètres Unités Valeurs Appréciation
Type de trafic
Entrant
Facteur de charge de la cabine (CLF : Car Load Factor)
%
80
Temps de course aller/retour (RTT : Round Trip Time)
s
90,6
Débit de population (HC : Handling Capacity)
nombre de personne / 5 min
63,6
Débit relatif de population (RHC : Relative Handling Capacity)
% population / 5 min
19,9
Excellent
Intervalle
s
30,2
Bon
Temps de course nominal
s
17,5
Excellent
Estimation de la performance
Excellent

Ces résultats sont comparés aux recommandations de performance; le but étant d’atteindre une performance acceptable tant au niveau du temps nominal et de l’intervalle de course que du débit relatif de trafic.

Le résultat de la simulation estime donc la performance excellente (en analysant les critères de performance ci-dessus) pour autant que le bâtiment soit équipé de 3 ascenseurs avec les caractéristiques énumérées ci-dessus.

Si les résultats des calculs estimaient la performance médiocre, il eut été nécessaire de relancer une itération avec un nombre d’ascenseurs supérieur par exemple, tout en sachant que le maître d’ouvrage cherche toujours, à juste titre, à limiter l’investissement. Il va de soi aussi que l’amélioration de la performance ne doit pas se faire au détriment du confort des utilisateurs et de la performance énergétique comme, par exemple, augmenter la vitesse et l’accélération de la cabine.

La simulation peut aussi donner des résultats auxiliaires tels que :

Nombres de courses et d’arrêt probables
Facteur de remplissage de cabine [%] Course aller / retour ou le Round Trip Time [s] Intervalle [s] Débit [per./5 min] Débit relatif [% pers/5 min] Nombre probable d’arrêts en montée Nombre probable d’arrêts en descente Course probable [m]
10 43,4 14,5 16,6 5,2 1,34 1 17,42
20 50 16,7 28,8 9,0 1,76 1 19,16
30 57,3 19,1 37,7 11,8 2,24 1 20,82
40 64,7 21,6 44,5 13,9 2,74 1 22,28
50 71,9 24 50 15,6 3,24 1 23,48
60 78,7 26,2 54,9 17,2 3,71 1 24,41
70 84,9 28,3 59,3 18,5 4,15 1 25,1
80 90,6 30,2 63,6 19,9 4,56 1 25,63

Interprétation des résultats

D’autres résultats peuvent encore être sortis de la simulation tels que :

  • le nombre de courses probables en montée et en descente vers différents étages,
  • le nombre d’arrêts moyen. Par exemple :
    • pour les bureaux : 7 à 8,
    • pour le résidentiel : 5,
  • les temps de course vers les différents étages,

Ces informations sont très précieuses pour les constructeurs et les installateurs mais, cependant, sortent du cadre du dimensionnement vu du côté du maître d’ouvrage.

Le graphique suivant donne une idée des zones de performance des intervalles et des débits relatifs en fonction du facteur de remplissage de la cabine :

Graphique de performance : trafic entrant.

Le graphique suivant montre la performance des temps de course en fonction de la vitesse nominale.

Graphique de temps de course nominale.

Cet exemple simplifié montre que le dimensionnement d’ascenseurs constitue un défi de taille. La difficulté ne réside pas nécessairement dans le dimensionnement par rapport aux données constructives de l’immeuble mais dans l’évaluation de l’occupation probable du bâtiment. Pour passer l’écueil :

  • Il faut préparer correctement l’esquisse par l’étude approfondie du programme d’occupation des étages.
  • Il est nécessaire de tenir compte du nombre de destinations probables (Rez-de-Chaussée, parking souterrain, cafétéria, …) et de leur emplacement.

2. Dimensionnement de la motorisation

Quel que soit le type de motorisation, il faut partir du dimensionnement des différents équipements. À partir de la connaissance des caractéristiques de la charge (couple, vitesse et puissance mécanique nécessaire), le réducteur éventuel, le moteur électrique et le système de démarrage et de régulation de la vitesse peuvent être dimensionnés.

Couple et puissance mécanique nécessaires en fonction du type de charge

Le couple de démarrage de la motorisation doit être suffisant pour mettre en mouvement la charge de l’ascenseur.

On considère que les caractéristiques de la motorisation sont une corrélation entre :

  • le couple,
  • la vitesse,
  • la puissance mécanique.

Suivant le type de motorisation, les profils des courbes du couple et de la puissance mécanique en fonction de la vitesse de rotation sont spécifiques.

Typiquement, pour le couple :

  • Les motorisations à traction ont un profil de couple constant, quelle que soit la vitesse de rotation.
  • Les motorisations hydrauliques, quant à elle, ont un profil de couple quadratique (C = f(n²)).

Quant à la puissance mécanique :

  • Les motorisations à traction ont un profil de puissance proportionnel à la vitesse de rotation de la roue.
  • Les motorisations hydrauliques, quant à elles, ont un profil de puissance proportionnel au cube de la vitesse de rotation de la roue.

Courbes caractéristiques pour une motorisation à traction.

Courbes caractéristiques pour une motorisation hydraulique.

Exemple de calcul du couple et de la puissance nécessaires à la sortie d’une motorisation à traction.

De manière simplifiée, le couple est calculé comme suit :

C = m  x a x r

où :

  • C : le couple en [Nm].
  • m = m1 – m2 : la charge de l’ascenseur en [kg].
  • m1 : masse de la cabine.
  • m2 : masse du contre-poids (m2 = 1,5 m1).
  • a = v / t : l’accélération de la cabine en [m/s²].
  • v : la vitesse de déplacement de la cabine et du contre-poids.
  • t : le temps d’accélération.
  • r : le bras de levier ou le rayon de la roue d’entraînement en [m].

À noter qu’il faudrait aussi tenir compte des différentes inerties de la motorisation, du poids du câble, …, mais cela sort du cadre de ce chapitre.

Quant à la puissance mécanique à l’arbre, elle est approchée comme suit :

P = C x ω

où :

  • P : la puissance en [W].
  • C : le couple en [Nm].
  • ω = 2 x π x n /60 : la vitesse angulaire en [rad/s].
  • n : la vitesse de rotation de la roue.

Dans le cas des ascenseurs à traction, le couple résistant reste pratiquement constant en fonction de la vitesse, tandis que la puissance nécessaire à l’arbre est, quant à elle, proportionnelle à cette même vitesse; c’est ce que l’on demande souvent au variateur de vitesse comme mode de fonctionnement.

Dimensionnement du moteur électrique

Par exemple, le dimensionnement d’un moteur asynchrone se résume, en simplifiant, à déterminer le couple nécessaire à déplacer la charge à vitesse nominale ; c’est le couple nominal. On en déduit une puissance nominale mécanique qui va déterminer le choix du moteur. Il faut aussi tenir compte qu’un couple additionnel doit être disponible (sur toute la plage de vitesse) entre le couple de démarrage et celui de la vitesse nominale ; c’est ce surcouple qui assure l’accélération.

Lorsque le couple de démarrage de la charge est supérieur à celui du moteur, il ne démarre pas. Dans le cas des ascenseurs à traction, le couple de démarrage de la charge peut être important (réducteur à vis sans fin par exemple).

3. Dimensionnement du démarreur

Couple du moteur électrique

À l’heure actuelle, concevoir un nouveau projet d’ascenseur sans prévoir leur commmande et leur régulation de vitesse par un variateur électronique de fréquence, ruine tout espoir de gestion énergétique efficace et d’optimisation du confort des utilisateurs.

Jusqu’il y a peu, le dimensionnement du variateur de vitesse par rapport au moteur électrique était très délicat. En effet, dans le cas des ascenseurs dont la charge varie continuellement presque à chaque démarrage, les fonctions telles que les compensations de démarrage (adaptation de la tension) et de glissement (charge variable) était peu maîtrisées. Aujourd’hui, ces fonctions de compensations sont automatiquement adaptées en temps réel en mesurant les paramètres de fréquence, de tension et de courant alimentant le moteur.

Couple du moteur

Le dimensionnement du variateur tient compte du couple à délivrer au moteur afin que celui-ci puisse répondre aux exigences de la charge utile en optimisant l’appel de puissance.

Dans le cas d’un moteur courant de type asynchrone ou synchrone, le couple est fonction du fluentreferx dans l’entrefer et du courant induit :

C [Nm] = Φ (Weber] x I[A]

où :

  • C est le couple à l’arbre du moteur [Nm].
  • Φ est le flux dans l’entrefer.
  • I est le courant dans l’induit.

Fonctionnement du variateur de fréquence

Pour optimiser le couple du moteur, le variateur en fréquence et tension maintien le rapport U/f constant en adaptant la tension U proportionnellement à la fréquence f délivrée au moteur (Φ~ U/f).

Courbes caractéristiques d’une régulation U/f constant.

Pour les démarrages lourds (motorisation à réducteur à vis sans fin par exemple), le démarrage s’effectue initialement en tension U0.

Couple de démarrage du variateur de vitesse

Comme on l’a vu précédemment, la caractéristique de charge de l’ascenseur est différente suivant le type d’ascenseur :

  • Pour l’ascenseur à traction, le couple reste constant quelle que soit la vitesse.
  • Pour l’ascenseur hydraulique, le couple varie de manière quadratique (le couple est fonction de la vitesse au carré).

Le couple de démarrage du variateur de vitesse doit être adapté en fonction de la caractéristique de charge :

  • Pour une motorisation hydraulique, la plage de variation du couple des pompes, en fonctionnement normal, se situe entre 30 et 80 % du couple nominal. Un dimensionnement énergétiquement intéressant du variateur de fréquence serait de considérer que le couple nominal pourrait être calé à 80 % sachant que les variateurs sont capables de fournir brièvement un surcouple de 160 %.
  • Pour une motorisation à traction, le couple à 100 % du variateur doit être proche du couple nominal de la charge. Un surcouple de démarrage à 160 % est nécessaire pour les charges importantes (motorisation avec réducteur à vis sans fin par exemple).

Puissance du variateur de vitesse

Une fois la caractéristique de charge du variateur de vitesse déterminée, le dimensionnement de la puissance du variateur de vitesse peut s’effectuer selon 4 méthodes :

  • La détermination du courant absorbé par le moteur à charge nominale correspond à celui du courant que peut fournir le variateur.
  • La détermination de la puissance apparente « S » du moteur à charge nominale correspond à celle du variateur :
Smoteur = Svariateur = U x I x racine de 3 /1000
  • La détermination de la puissance mécanique du moteur à charge nominale permet de connaître la puissance apparente du variateur :
Svariateur = Puissance mécanique / rendement cos phi
  • Suivant la puissance normalisée du moteur asynchrone par exemple, on peut déterminer celle du variateur.

4. Dimensionnement de l’installation électrique

Du choix de la motorisation et de son dimensionnement, il en découle celui de l’installation électrique de puissance. C’est à ce stade qu’un choix erroné :

  • Entraîne, en cas de surdimensionnement de l’installation, des investissements plus conséquents et une réservation de puissance surévaluée auprès du distributeur d’électricité.
  • Risque de provoquer des perturbations sur le réseau électrique telles que les chutes de tension en ligne, soit en cas de sous-dimensionnement de l’installation électrique interne au bâtiment, soit en cas de sous-évaluation de la réserve de puissance souscrite au distributeur d’électricité.

Le tableau suivant montre que le calibre de la protection moteur d’une motorisation sans réducteur, et commandé par variateur de fréquence, permet de dimensionner l’installation électrique presque comme un circuit classique triphasé de faible puissance.

Type de motorisation
Paramètres Hydraulique Traction classique Gearless
Vitesse de déplacement de la cabine [m/s] 0,63 1 1
Charge de l’ascenseur [kg] 630 630 630
Puissance du moteur électrique [kW] 11 5,5 3,3
Calibre de la protection moteur [A] 50 35 16

5. Rôle du maître d’ouvrage dans tout cela ?

Le rôle du maître d’ouvrage dans le dmensionnement proprement dit est limité. Toutefois, il doit garder en mémoire les ordres de grandeurs de dimensionnement repris ci-dessus. Il doit aussi demander à l’installateur de lui fournir le détail des résultats des simulations avec les explications adéquates simplifiées qui justifient le choix de la motorisation, de l’installation électrique, …


Considérations énergétiques de dimensionnement

Comme on l’a vu précédemment, le nombre d’ascenseurs dans un bâtiment, leur charge utile et leur vitesse sont sélectionnés sur la base de calculs de trafic.

La charge utile et la vitesse sont les principaux facteurs qui déterminent :

  • la puissance nécessaire à la motorisation pour permettre à la cabine d’effectuer ses déplacements verticaux,
  • la consommation d’énergie par course,
  • le courant de démarrage, et par conséquent l’appel de puissance influencant la pointe quart-horaire,

1. Vitesse de la cabine

Dans les bâtiments tertaires, la capacité de transport d’un ascenseur n’est pas du tout proportionnelle à sa vitesse (pertes de temps lors du chargement, fermeture des portes, accélération, freinage, ouverture des portes, déchargement).

Exemple.

Au lieu de la vitesse très largement répandue de 1,0 m/s pour des maisons d’habitation avec 3 à 5 arrêts, on peut opter pour une vitesse de 0,63 m/s. La capacité de transport n’est ainsi que faiblement réduite, les temps d’attente et la durée de la course ne sont majorés que de quelques secondes. La puissance du moteur et le courant de démarrage sont par contre diminués d’environ 35 %.

Dans les immeubles tertiaires, l’occupation plus importante encore réduit l’importance de la vitesse de déplacement par rapport au temps d’immobilisation de la cabine.

Au niveau du dimensionnement, il est intéressant de considérer cette réduction de vitesse en l’introduisant dans le simulateur afin de voir les différences de performances; demandez-le aux constructeurs. Si les différences de performances ne sont pas probantes, pourquoi ne pas prévoir d’emblée un fonctionnement des ascenseurs à vitesse réduite; cela permettrait de dimensionner toute l’installation électrique et la motorisation au plus juste.

2. Motorisation

Photo moteur ascenseur - 01.Photo moteur ascenseur - 02.

La consommation d’énergie et les courants de démarrage sont déterminés par le système d’entraînement. L’importance des chutes de tension au démarrage dépend non seulement du système d’entraînement mais aussi des caractéristiques du réseau amont.

Un plus faible appel de puissance au démarrage et pendant une course à vitesse constante se traduit par :

  • des taxes de raccordement plus avantageuses (réserve de puissance moindre, compteur moins puissant, …),
  • une installation électrique plus économique (câbles de plus faible section, fusibles, etc.),
  • de plus faibles chutes de tension (scintillement),
  • des pertes dans le réseau d’alimentation moins importantes (les pertes augmentent avec le carré de l’ampérage),
  • un besoin plus faible de puissance de groupe électrogène (si présent ou à dimensionner).

L’utilisation de motorisation avec variateur de vitesse permet des courants de démarrage maîtrisés. Les sollicitations mécaniques du moteur sont par ailleurs fortement atténuées, facteur important dans le contexte de la longévité et de la fiabilité des systèmes de motorisation. Une grande longévité se traduit également par des économies d’énergie (grise) et des économies sur les coûts.

3. Nombre de démarrage

Le nombre de démarrages par heure ou par jour permet de déterminer la consommation moyenne ainsi que la chute de tension admissible au démarrage sur le réseau d’alimentation. Sur la base de ces données, on peut ensuite déterminer le dimensionnement correspondant des installations électriques nécessaires. Il est également possible d’en déduire le coût de la consommation d’énergie et le montant de la réserve de puissance à consentir. Il est ainsi possible de comparer la rentabilité des systèmes d’entraînement.

4. Système de commande et de gestion, et auxiliaires

Le système de commande

Le système de commande de l’ascenseur engendre une consommation permanente de courant (ventilation des armoires de commande et de la motorisation, commandes électromécaniques, …) mais permet également de réduire la consommation d’énergie pour l’exploitation de l’ascenseur. Un système de commande et de gestion par ordinateur ou automatique risque de consommer plus; mais cette consommation n’a rien à voir avec le nombre d’appels de cabine réduit pour une même fréquentation de l’immeuble.

Il est intéressant pour le maître d’ouvrage ou le responsable énergie de connaître les consommations des auxiliaires; ne pas hésiter à le demander (dans le cahier des charges par exemple).

L’éclairage

Photo éclairage ascenseur.

Un éclairage automatique de la cabine en lieu et place d’un éclairage permanent et le juste dimensionnement du luminaire en fonction du niveau d’éclairement recommandé par la norme (50 lux), autorise des économies relativement importantes sur la consommation d’énergie.

Concevoir

Pour en savoir plus sur le choix de l’éclairage.
Salle d'opération

Bases normatives pour les salles propres et environnements maîtrisés et apparentés

Bases normatives pour les salles propres et environnements maîtrisés et apparentés


Base normative

1. Maîtrise de la biocontamination

Normes Titre
ISO 14698-1 Maîtrise de la biocontamination
ISO 14698-2 Évaluation et interprétation des données
ISO 14698-3 Méthode de mesurage de l’efficacité des process

2. Maîtrise particulaire

Normes Titre
ISO 14644 Classification de la propreté de l’air
ISO 14644-1 Exigences d’essai
ISO 14644-2 Méthode de mesurage de l’efficacité des process
ISO 14644-3 Métrologie et méthode d’essai (à venir)
ISO 14644-4 Conception, construction et fonctionnement
ISO 14644-5 Exploitation des installations (à venir)
ISO 14644-6 Termes et définitions (à venir)
ISO 14644-7 Isotechnie
ISO 14644-8 Maîtrise de la contamination moléculaire

Classification particulaire

1. Classification ISO 14644

Numéro de classification

ISO

Concentrations maximales admissibles (particules/m³ d’air) en particules de taille > à celles données ci-dessous
0.1µm 0.2µm 0.3µm 0.5µm 1µm 5µm
Classe ISO 1
10
2
Classe ISO 2
100
24
10
4
Classe ISO 3
1 000
237
10
35
8
Classe ISO 4
10 000
2 370
1 020
352
83
Classe ISO 5
100 000
23 700
10 200
3 520
832
29
Classe ISO 6
1 000 000
237 000
102 000
35 200
8 320
293
Classe ISO 7
352 000
83 200
2 930
Classe ISO 8
3 520 000
832 000
29 300
Classe ISO 9
35 200 000
8 320 000
293 000

2. Classification selon la norme FS 209E

Nom de classe

Nombre maximal de particules en suspension admissible par unité de volume d’air ambiant (pied cube)

en fonction de leur taille en μm

SI ANGLAISE
0.1µm/pied³
0.2µm/pied³
0.3µm/pied³
0.5 µm/pied³
0.5 µm/pied³
M 1.5
1
35
7.5
3
1
M 2.3
10
350
75
30
10
M 3.5
100
750
300
100
M 4.5
1 000
1 000
7
M 5.5
10 000
10 000
70
M 6.5
100 000
100 000
700

3. Equivalence entre les différentes normes internationales de classification des salles propres

Nbre de part

≥ 5μm/m³
(environ)

US Fed. Std 209 E
SI
1991

US Fed. Std 209 E
ANGLAIS
1991

EN ISO
14644-1

1996

France
AFNOR
NF X 44 101
1981

BPF / GMP

Europe
Indust. Pharm.
1989

Nbre de part

≥ 0,1μm/m³
(environ)

ISO 1 10
1 35
4 ISO 2 100
10 M 1 350
35 M 1.5 1 ISO 3 1 000
100 M 2 3 500
353 M 2.5 10 ISO 4 10 000
1 000 M 3 35 000
3 530 M 3.5 100 ISO 5 A et B 100 000
10 000 M 4 350 000
35 300 M 4.5 1 000 ISO 6 1 000 000
100 000 M 5
353 000 M 5.5 10 000 ISO 7 C
1 000 000 M 6
3 530 000 M 6.5 100 000 ISO 8 D
10 000 000 M 7
35 530 000 ISO 9

Comparaison générale entre les différentes normes

PAYS  

ALLEMAGNE

SUISSE

ANGLETERRE

Intitulé de la norme DIN 1946/4 (1988) SWKI (1987) DHSS (1986)
 

Salle d’opération classique  

Débit d’air soufflé 2 400 m³/h 2 000 / 3 000 m³/h 2 340 m³/h
Débit d’air neuf 1 200 m³/h 80 m³/h.pers 2 340 m³/h
Type de flux Turbulent
Niveau maximal  d’aérobiocontamination < 200 UFC /m³

Salle d’opération à haut risque  

Débit d’air soufflé 3 600 m³/h 10 000 m³/h 10 725 m³/h
Débit d’air neuf 1 200 m³/h 80 m³/h.pers 1 260 m³/h
Type de flux Laminaire Laminaire
Niveau maximal  d’aérobiocontamination < 10 UFC /m³

PAYS  

ALLEMAGNE

SUISSE

ANGLETERRE

Intitulé de la norme DIN 1946/4 (1988) SWKI (1987) DHSS (1986)
 

Salle d’opération classique  

Débit d’air soufflé 2 400 m³/h 2 000 / 3 000 m³/h 2 340 m³/h
Débit d’air neuf 1 200 m³/h 80 m³/h.pers 2 340 m³/h
Type de flux Turbulent
Niveau maximal  d’aérobiocontamination < 200 UFC /m³
 

Salle d’opération à haut risque  

Débit d’air soufflé 3 600 m³/h 10 000 m³/h 10 725 m³/h
Débit d’air neuf 1 200 m³/h 80 m³/h.pers 1 260 m³/h
Type de flux Laminaire Laminaire
Niveau maximal  d’aérobiocontamination < 10 UFC /m³

Toiture combinée

Toiture combinée


La toiture combinée consiste en un mélange des techniques « toiture chaude » et « toiture inversée« .

L’isolation est mise en place en deux couches.

La première couche d’isolant est recouverte par la membrane d’étanchéité.

La deuxième couche d’isolant est placée sur la membrane d’étanchéité. La technique de la toiture combinée protège ainsi la membrane d’étanchéité contre les chocs thermiques et le rayonnement ultraviolet, et de ce fait, ralentit son vieillissement.

Un écran pare-vapeur est parfois interposé entre le support et l’isolant inférieur.Celui-ci n’est pas nécessaire lorsque la résistance thermique de la couche supérieure est deux fois plus importante que la résistance thermique de la couche inférieure.
Le lestage est nécessaire.

  1. Lestage
  2. Natte de protection
  3. Isolant 1
  4. Membrane d’étanchéité
  5. Isolant 2
  6. Pare vapeur
  7. Support

Toiture froide

Toiture froide


Généralités

La toiture froide désigne la toiture plate dont l’isolant est placé en dessous du support de l’étanchéité avec une lame d’air ventilée interposée.

Jadis régulièrement mis en œuvre, ce système est actuellement complètement dépassé et est à proscrire.

  1. Lestage (éventuel)
  2. Membrane d’étanchéité
  3. Support
  4. Lame d’air ventilée
  5. Isolant
  6. Pare vapeur étanche à l’air
  7. Plafond

En effet, l’isolation d’une toiture plate par ce système provoque presque inévitablement de la condensation interne.

La vapeur d’eau qui migre de l’intérieur vers l’extérieur se condense sur le support d’étanchéité, dans l’isolant ou dans l’espace aéré et retombe sur l’isolant. La ventilation réelle de la lame d’air est souvent plus faible que celle nécessaire.

Le support d’étanchéité est parfois beaucoup plus froid que l’air extérieur de ventilation dont la vapeur se condense sur la face inférieure de l’étanchéité (surrefroidissement).

Lorsque le plafond n’est pas étanche à l’air, l’air intérieur chaud est aspiré dans l’espace ventilé et s’y condense d’autant plus que les courants d’air sont importants.

Cette condensation peut entraîner  l’altération de l’isolant et la suppression de son efficacité, la pourriture des planchers, le gel des matériaux, le décollement ou le ramollissement des matériaux agglomérés, le développement de moisissures, etc. 


Variantes

De même que l’on évitera de réaliser des toitures froides, on s’abstiendra en règle générale de placer l’isolant à la face inférieure du plancher de toiture, dans un faux plafond, ou entre le plancher et le béton de pente.

Isolation par l’intérieur

  1. Lestage (éventuel)
  2. Membrane d’étanchéité
  3. Support
  4. Isolant
  5. Pare vapeur (éventuel)

Isolation dans le faux plafond

  1. Lestage (éventuel)
  2. Membrane d’étanchéité
  3. Support
  4. Vide du plafond
  5. Isolant
  6. Pare-vapeur
  7. Plafond

Isolation sous béton de pente

  1. Lestage (éventuel)
  2. Membrane d’étanchéité
  3. Béton de pente
  4. Isolant
  5. Pare vapeur
  6. Support

Choisir les luminaires – critères généraux

Choisir les luminaires - critères généraux


En fonction de la distribution lumineuse souhaitée

Lorsque l’on choisira un luminaire, il faudra bien faire attention à sa courbe photométrique. Elle indique la distribution des luminosités d’un luminaire dans le sens transversal et dans le sens longitudinal (définition des plans de coupe).

distribution lumineuse

Par exemple dans le cas des allées de supermarchés illuminées par un jeu de luminaires équipés de tube fluorescent (pas d’éclairage d’accentuation), on choisira des luminaires éclairant plus fortement les rayonnages (300 lux à assurer) que le sol (150 lux à assurer). Dans beaucoup de commerces, tels que les magasins d’habillement, on essaiera de fournir un éclairage vertical important.

La hauteur du local peut aussi influencer le choix du luminaire où l’optique permet une distribution extensive, symétrique, asymétrique, intensive en modifiant le niveau d’éclairement, l’uniformité, …

Hauteur Type de luminaire
2,5 – 3 m Luminaires à distribution extensive avec tubes fluorescents disposés individuellement ou en rangées en fonction du niveau d’éclairement à atteindre. Des luminaires asymétriques peuvent être disposés le long des fenêtres éventuelles.

3 – 4 m Les luminaires sont semblables à la situation précédente: disposés en rangées sur le plafond ou suspendus, parallèlement aux fenêtres principales et à l’axe habituel du regard des occupants.

4 – 7 m

Toit plat avec ou sans lucarne ou toit en dent de scie

Ici aussi, le choix le plus économique est l’utilisation de luminaires avec lampes fluorescentes, disposés en rangées parallèles aux ondulations du toit. Si la hauteur sous plafond est inférieure à 5 m, on choisira une distribution extensive. Au-delà de 5 m, la distribution intensive est la plus adéquate.

7 m et plus La meilleure solution sont des luminaires à distribution symétriques équipés de lampes à décharge haute pression de puissance importante (250 .. 1 000 W). Tout en garantissant l’uniformité correcte, on a tout intérêt à avoir la puissance la plus élevée par luminaire, ce qui permet de diminuer le nombre de luminaires et par la même occasion les frais de maintenance et d’installation.

Lorsque des surfaces inclinées doivent disposer d’un éclairement important, il sera nécessaire d’installer des luminaires supplémentaires équipés de lampes fluorescentes. Si la surface des pièces travaillées ou des équipements utilisés est sensible aux réflexions, seuls des luminaires intensifs avec tubes fluorescents et ventelles peuvent convenir (cfr. cas précédent).
et du coût de remplacement des lampes.

En fonction de l’éblouissement

En fonction de la tâche exécutée, la sensibilité des occupants à l’éblouissement et aux réflexions sera plus ou moins grande.

Les normes introduisent le paramètre du taux d’éblouissement unifié (UGR) qui caractérise le niveau d’éblouissement ou la luminance apparente d’un ensemble de luminaires par rapport à la luminance de fond perçue dans le champ visuel d’un ou de plusieurs observateurs. Cette valeur, recommandée par la norme suivant le type de local ou de tâche, est comprise entre 10 (peu d’éblouissement) et 30 (fort éblouissant) et ne doit pas être dépassée. L’UGR sera calculé par l’auteur du projet (dialux dispose aussi d’une fonction calculant l’URG en un point ou un plan donné) et influencera le choix d’un type de luminaire, sa position et son orientation dans le local considéré et pour la tâche considérée. Une valeur d’UGR de 19 est monnaie courante !

De manière générale des luminaires pourvus de grilles de défilement ou de ventelles permettront de diminuer les risques d’éblouissement en cachant la lampe de la vue directe directe (à condition que l’angle de regard soit respecté).

photo sous éblouissement.  photo sans éblouissement.

Avant … et … Après.

En présence d’écrans de visualisation (ordinateurs, écrans de contrôle, écrans de commande de machines-outils…), il est conseillé d’opter pour des optiques présentant une luminance réduite (luminaires dits basse luminance).

Photo optiques avec luminance réduite.

Ce type de luminaire est également le bienvenu pour les travaux de précision. Pour ceux-ci, les postes de travail peuvent être équipés de luminaires ponctuels basse luminance permettant un éclairement important et localisé.

Dans la salle de sports

Dans toutes les gammes de luminaires pour salles de sports, il existe des luminaires avec grilles de défilement.

luminaires avec grilles de défilement

Cependant, l’éblouissement que l’on cherche à éviter dans les salles de sport est l’éblouissement par la vue directe de la lampe lorsqu’on regarde vers le haut. Les grilles de défilement n’empêcheront pas un tel éblouissement. Seul le choix des lampes et l’emplacement des luminaires permettront de l’éviter. La grille de défilement limitera l’éblouissement d’inconfort, mais celui-ci n’est pas très important dans une salle de sport.

De plus, la grille de défilement diminue le rendement des luminaires.


En fonction du rendement lumineux

Rendement d'un luminaire.

Tout en respectant les autres critères de choix, on choisira toujours les luminaires ayant le meilleur rendement lumineux. Celui-ci doit donc systématiquement être demandé au fournisseur ou vérifié dans les catalogues.

Remarque : le rendement des luminaires LED est souvent 100 % car le rendement de la source lumineuse n’est plus mesuré séparément du luminaire. Le rendement est alors exprimé en lumen/watt. L’allure de la courbe photométrique est un paramètre très important !

   

ηbas = 62 %
Ηhaut = 27 %
Ηtot = 89 %
UGR < 19
CIE flux code 70 99 100 70 89

Coûts totaux d’une installation en fonction du rendement des luminaires

Cas réel : local de 9,5 x 5,5 m, éclairement recommandé = 500 lux, luminaires 2 x 36 W, durée de fonctionnement 6h/jour, 250 jours/an

Rendement

Nb de luminaires

P installée

Prix d’un luminaire

Investissement

Facture électrique (0,17 €/kWh)

0,5 9 648 W 87,5 € 787,5 € 169 €/an
0,7 6 432 W 117,5 € 705 € 112 €/an
Gains grâce au haut rendement 82,5 € 57 €/an
Gain total sur 20 ans (durée de vie des luminaires) 1 140 €

Pour un même niveau d’éclairement, il faudra un nombre plus important de luminaires à mauvais rendement. Il est dès lors possible que l’on soit pénalisé par une surconsommation et par un surinvestissement.

Les luminaires bas de gamme peuvent en outre présenter d’autres défauts : mauvais contrôle de l’éblouissement, qualité mécanique des composants, …

D’une manière qualitative, voici les éléments qui favorisent un rendement élevé :

Des optiques réfléchissantes

Les réglettes nues sont souvent attractives par leur prix. Leur choix constitue cependant une erreur. Le flux lumineux n’étant pas du tout contrôlé, elles présentent des pertes importantes et des risques d’éblouissement trop importants pour les tâches demandant une attention soutenue.

Photo luminaire sans optique réfléchissante.

Rendement inférieur : 58 %.

Photo luminaire avec optique réfléchissante.

Rendement : 83 %.

De même, les réflecteurs peints présentent un moins bon rendement et un plus mauvais contrôle de l’éblouissement que les réflecteurs miroités. De plus, ils jaunissent avec le temps.

Photo réflecteurs peints.

Cloche émaillée
Rendement : 69 %.

Photo réflecteur alu.

Cloche alu
Rendement : 80 %.

Des matériaux translucides de qualité

Photo matériaux translucides.

Rendement : 83 %.

Des réflecteurs peu « enveloppants »

Toutes les surfaces de réflexion, définissant les caractéristiques photométriques du luminaire, sont autant de sources d’absorption de la lumière émise par les lampes. Moins ces surfaces sont importantes, plus le rendement du luminaire est élevé. Par exemple, les petits luminaires et les optiques paraboliques enveloppent de façon importante la lampe.

Photo réflecteur "enveloppant"

Rendement inférieur : 81 %.

Photo réflecteur peu "enveloppant"

Rendement inférieur : 79 %.

De l’écartement entre les sources

Dans les luminaires pourvus de plusieurs lampes, il y a un risque d’absorption du flux lumineux par les lampes entre elles (elles ne sont pas réfléchissantes). Il faut donc limiter le nombre de lampes par luminaire et favoriser un écartement important entre celles-ci.

Rendement : 87 %.

Rendement : 79 %.

Rendement < 60%.

De la présence de grilles de défilement ou ventelles

Tout dispositif destiné à cacher la lampe à la vue directe pour diminuer les risques d’éblouissement aura une influence néfaste sur le rendement. Puisqu’il fait obstacle à la lumière.

Photo luminaire sans grilles de défilement.

Rendement : 93 %.

Photo luminaire avec grilles de défilement.

Rendement : 75 %.

Rendements minimum recommandés

Luminaires directs à ventelles planes 70 %
Luminaires directs basse luminance 65 %
Luminaires directs très basse luminance 55 %
Luminaires mixtes 75 %
Luminaires indirects 65 %
Luminaire à optique asymétrique 60 %

Attention cependant qu’avec des luminaires équipés de lampes T5 et de ventelles paraboliques,  on peut obtenir des rendements très élevés et par la même occasion réduire de manière significative le risque d’éblouissement.

Photo luminaire avec ventelles paraboliques.
ηbas = 85 %


En fonction de l’assemblage, du montage et de la maintenance

Photo montage d'un luminaire.

Tous les luminaires doivent être construits de manière à pouvoir supporter des contraintes normales de montage et d’utilisation. Les luminaires montés en saillie ne peuvent pas se tordre lorsqu’ils sont montés sur des plafonds irréguliers. Les luminaires suspendus ne peuvent présenter de flèche entre supports, ni de distorsion de ceux-ci.

Photo montage d'un luminaire.

La construction du luminaire doit rendre la maintenance aisée : facilité de démontage des éléments, sans endommagement possible. Par exemple, l’optique peut être montée sur charnière pour faciliter son ouverture.

De plus, les instructions de maintenance et d’utilisation (choix de la lampe appropriée, par exemple) doivent être précises.

Quand les plenums (espaces au-dessus des faux plafonds) ne sont pas accessibles, il faut prendre certaines précautions afin de pouvoir accéder aux boîtes de branchement électrique des circuits au travers des luminaires.


En fonction de la structure du plafond

On peut rencontrer des luminaires :

Phot luminaire encastrés dans les faux plafonds.

Encastrés dans les faux plafonds.

Photo luminaire posés sur les faux plafonds.

En saillies, posés sur le plafond.

Photo luminaire suspendus.

Suspendus.

Encastrés

Lorsqu’on dispose d’un faux plafond, on peut y encastrer les luminaires. Dans le cas d’un faux plafond démontable, les dimensions des luminaires devront s’adapter au module du faux plafond.

En cas d’incendie, la déformation des faux plafonds risque de provoquer la chute des luminaires. Ainsi, dans les circulations servant de chemin d’évacuation, il est recommandé de fixer les luminaires directement à la dalle, au moyen de tiges, de câbles ou de chaînette.

En saillie

Lorsque le plafond est en béton, ou lorsqu’on dispose d’un faux plafond fixe qu’on ne souhaite pas rénover, on placera des luminaires en saillie.

Suspendus

Les luminaires suspendus s’installent principalement dans les locaux où la hauteur sous plafond est importante (hsp > 3,5 m). Dans ce cas, on peut favoriser des luminaires présentant une composante indirecte ne dépassant pas 50 % du flux total émis par le luminaire. Cela permet d’éviter la présence d’une zone fort sombre au dessus des luminaires.

Photo luminaire suspendus.

Les luminaires suspendus seront également utilisés lorsque l’on désire apporter un éclairage localisé des postes de travail.

Ils sont également suspendus lorsque le plafond est incliné, de manière à avoir tous les luminaires à la même hauteur.


En fonction de la qualité électrique

Picto label de qualité.

Les ballasts ne peuvent produire trop de signaux en haute fréquence sur le réseau électrique. Ceux-ci peuvent perturber les autres appareils électriques.

Pour éviter cet inconvénient, les luminaires complets et/ou les ballasts doivent posséder un label de qualité.

Picto protection électrique de classe I.

Dans la plupart des applications, les luminaires doivent être raccordés à la terre (protection électrique de classe I).

Picto luminaires de classe II.

Dans les sanitaires (projections d’eau) où un contact direct avec le luminaire est possible, il est recommandé d’utiliser des luminaires de classe II.


En fonction des protections nécessaires

Types de local

Résistance aux chocs

Protection contre les poussières et l’humidité

Protection électrique

Précisions

Bureaux

Classes

0,5J IP20

Classe I

Luminaires ouverts, non protégés contre les infiltrations d’eau.

Couloirs et escalier

> 6J

Luminaires ouverts, non protégés contre les infiltrations d’eau et  résistants aux chocs.

Locaux techniques, réserves, archives

IP44

Luminaires fermés, protégés contre les poussières et les projections d’eau.

Sanitaires

6J

Classe II

Luminaires fermés, protégés contre les poussières et les projections d’eau et résistants aux chocs.

Cas particulier des salles de sport

Photo luminaire salle de sport.

Les luminaires utilisés dans les salles où l’on pratique des jeux de balles doivent résister à l’impact des balles.

Ils doivent de préférence porter le label ci-dessous.

Picto luminaire salle de sport.

Les luminaires qui portent ce label ont été soumis au test du ballon selon la norme DIN. Ce test contrôle la sécurité électrique après une série d’impacts de ballons dosés.

Pour les jeux de ballons, le « bac » doit être pourvu d’une glace ou d’une grille de protection dont la maille ne laisse pas pénétrer la plus petite balle utilisée dans la salle.

Cas des hôpitaux

Les salles à ambiance contrôlée

Dans certains locaux à risque, est-il impératif d’avoir un degré IP élevé contre la pénétration des poussières ou des « mouches » dans le luminaire. De plus, le degré IP doit-il se limiter uniquement au luminaire et pas à l’ensemble luminaires faux-plafond ? Dit d’une autre manière, faut-il ou non encastrer les luminaires dans les zones à ambiance contrôlée avec joint étanche ?

Dans les faux plafonds, on trouve souvent des germes tels que les aspergillus, responsables d’infections pulmonaires graves pour des patients « immuno déprimés » (dont la barrière immunitaire a été abaissée). Les luminaires représentent un risque de passage de la poussière du faux plafond vers le local. De plus, la poussière venant « du bas », de l’ambiance du local, se dépose aussi sur les surfaces horizontales des luminaires.

Mais les luminaires apparents offrent une surface supérieure importante où la poussière peut se déposer. De plus, en terme de nettoyage ou de désinfection (ce qui est souvent le cas dans les salles à ambiance contrôlée), le luminaire apparent présente une plus grande surface à traiter que le luminaire encastré.

Pour ces raisons, dans les locaux à risque, on placera des luminaires avec une certaine herméticité : le degré IP sera au moins égal à 5 X.

Les chambres d’hospitalisation

Dans les chambres d’hospitalisation, le luminaire placé au dessus de la tête du patient doit combiner plusieurs éclairages :

  • L’éclairage général. Il est en général orienté vers le haut (indirect) de manière à ne pas éblouir le patient ;
  • L’éclairage de lecture en direct au niveau de la tête du patient;
  • L’éclairage de soins qui peut combiner l’éclairage général et l’éclairage de lecture ;
  • L’éclairage de veille dans certains cas de pathologie (surveillance en soins intensif par exemple) ou comme éclairage de nuit.

Les critères de choix d’un tel type de luminaire sont très précis. De plus, on combine souvent l’éclairage avec d’autres techniques :

  • La distribution de gaz médicaux ;
  • L’appel infirmière ;
  •  …

Cas des ambiances « explosives »

Des Picto luminaire ambiances "explosives".luminaires doivent être utilisés dans ce type d’ambiance.


En fonction de la puissance des sources lumineuses

Un luminaire est conçu pour des sources lumineuses d’une certaine puissance et il est impératif de se limiter à cette puissance. En effet, la dissipation thermique doit être suffisante afin d’assurer une durée de vie normale de la source et les performances du luminaire.

De plus, tout en respectant l‘uniformité d’éclairement, on a intérêt à choisir les luminaires comprenant la puissance installée la plus importante. Ceci réduira le nombre de luminaires et de ballasts et donc l’investissement.

Cependant, lorsqu’on a un faux plafond démontable et modulaire, la puissance unitaire des luminaires pour tubes fluorescents dépend du module des faux plafonds. Exemple : si le faux plafond a un module 60 cm x 120 cm, on ne pourra choisir des luminaires de x fois 58 W (ou d’autres sources de longueur 1,5 m).

Photo luminaire faux plafond.

De même, parmi les lampes T8, les tubes de 18 W (75 lm/w) ont une efficacité lumineuse inférieure aux tubes de 36 W (86 lm/W) ou 58 W (89 lm/W).  Cette même constatation est à formuler dans les sources T5 : la lampe T5 14 W est moins efficace que les T5 28 W ou 35 W.

Exemple : D’un point de vue énergétique, il est plus intéressant d’utiliser des luminaires de 2 x 36 W que de 4 x 18 W. D’autant plus qu’ils ont des prix semblables.

Les luminaires 4 x 18 W seront utilisés dans des faux plafonds de structure carrée.


En fonction de la climatisation

Luminaire avec extraction intégrée vers un plenum.

Luminaire pour tubes T5 avec extraction sur les bords.

Dans les bureaux climatisés, intégrer l’extraction d’air dans les luminaires permet d’évacuer jusqu’à 60 % de la puissance thermique produite (partie convective) par les lampes et les auxiliaires. Il en résulte évidemment une diminution des frais de climatisation.

Ce mode d’extraction permet, en outre, de faire l’économie de bouches séparées souvent plus coûteuses.

Si les luminaires sont équipés de tubes fluorescents de type T5, une extraction d’air au travers des lampes entraînera une chute du flux lumineux car la température de l’air autour de la lampe ne sera plus optimale. Cette extraction devra donc se faire par des canaux à l’extérieur ou sur la face latérale des armatures. Le potentiel d’évacuation de chaleur est alors nettement moindre.

Extraction d’air au travers des luminaires pour lampes T5.


En fonction du prix

Le choix d’un luminaire se fera également en fonction du prix de revient de l’installation. A critère de confort égal, celui-ci dépend :

  • du prix du luminaire et de son placement,
  • du prix des lampes,
  • de la consommation sur sa durée de vie,
  • du coût de remplacement des lampes.

Calculs

Pour comparer plus précisément le prix de revient de plusieurs installations, en connaissant :

  • le prix d’un luminaire (placement compris),
  • le prix des lampes,
  • le rendement du luminaire,

cliquez ici !

Economie réalisée grâce à l’intermittence du chauffage

Economie réalisée grâce à l'intermittence du chauffage


Image de l’économie : la température intérieure

La consommation d’une installation de chauffage est proportionnelle à la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur. Plus cette différence diminue, moins on consommera.

Graphiquement, on peut représenter la consommation de chauffage comme suit :

Schéma consommation de chauffage - 01.

Schéma consommation de chauffage - 02.

Image de la consommation de chauffage sans intermittence et avec intermittence.

On voit donc que plus la température intérieure chute et plus le temps pendant lequel cette température est basse est important, plus l’économie d’énergie réalisée grâce à l’intermittence est importante.


Paramètres influençant l’économie

Si l’installation est coupée la nuit et le week-end, quelles seront les économies engendrées ? La figure ci-dessous résume les différents paramètres qui influencent le bilan thermique.

Schéma paramètres influençant l'économie.

L’économie est fonction du degré d’isolation

Plus le bâtiment est isolé, moins la chaleur emmagasinée s’échappera et plus la température intérieure restera stable lors de la coupure du chauffage. L’économie réalisée sera faible.

Au contraire, lorsque le chauffage est coupé dans un bâtiment peu isolé (des façades très vitrées, par exemple, avec des infiltrations d’air importantes)), la température intérieure chute rapidement. C’est dans ce genre de bâtiment « passoire » que le placement d’un régulateur-programmateur sera le plus rentable.

L’économie est fonction de l’inertie de bâtiment

Imaginons un local très lourd, très inerte (anciennes constructions massives) : la température intérieure chutera peu durant la coupure de nuit, car beaucoup de chaleur s’est accumulée dans les murs. Les économies seront faibles… . Par exemple, il ne sert à rien de placer un optimiseur dans un château fort.

Par contre, si le bâtiment est du type préfabriqué, fait de poutrelles et de cloisons légères : dès que le chauffage s’arrêtera, la température chutera. Dans ce cas, la consommation est pratiquement proportionnelle à l’horaire de chauffe. C’est l’exemple de la voiture qui monte rapidement en température dès l’apparition du soleil et qui se refroidit très vite aussi dès que l’on coupe le chauffage.

L’économie est fonction de la durée de coupure

Une coupure d’un week-end est beaucoup plus efficace qu’une coupure nocturne. La coupure sur le temps de midi est sans intérêt.

Économie d’énergie suite à un abaissement nocturne pour différents types de bâtiments en fonction de la durée de l’arrêt de chauffage. Le pourcentage d’économie se rapporte à un chauffage permanent.

  1. Bâtiments de construction légère
  2. Bâtiments de construction lourde

Par exemple, une interruption du chauffage de 12 heures génère 11 % d’économie dans un bâtiment de construction légère (faible inertie thermique). On gagne encore 5% si on coupe 2 heures de plus.


Source : Staefa Control.

L’économie est fonction du sur-dimensionnement de l’installation de chauffage

Si l’installation est très puissante (chaudière et radiateurs surdimensionnés), la relance du matin pourra se faire en dernière minute. Et donc la température intérieure de nuit pourra être plus faible.

Si l’installation est dimensionnée au plus juste, par les plus grands froids, il sera impossible de couper l’installation la nuit, sous peine de ne pouvoir assurer le confort au matin. Aucune économie ne sera possible.

L’économie est fonction du type d’installation de chauffage

Si le chauffage est assuré par un système à air chaud (chauffage très peu inerte), la mise en régime et l’arrêt du chauffage sont immédiats. Si l’installation est réalisée par un système de chauffage par le sol (chauffage très inerte), les temps de réponse seront forts longs et l’intermittence n’est guère envisageable …

Exemple

Exemple.

(Source : « Guide pour la pratique de l’Intermittence du chauffage dans le tertiaire à occupation discontinue », ADEME, 1989)

Trois bâtiments, respectivement de 500 (1 niveau), 2 000 (2 niveaux) et 4 000 m² (4 niveaux) sont chauffés 10 h par jour et 5 jours par semaine.

Le niveau de surpuissance de l’installation de chauffage est assez élevé puisqu’il atteint 2 fois les déperditions (calculées avec un taux de ventilation réduit).

Trois niveaux d’isolation ont été repris :

  • Peu isolé : simples vitrages, murs non isolés.
  • Très isolé : doubles vitrages, murs avec 8 cm d’isolant.
  • Bien isolé : niveau intermédiaire entre les 2 précédents.

Trois modes de coupure sont proposés :

Économie par rapport au fonctionnement continu

Mode de ralenti

Isolation

500 m²

2 000 m²

4 000 m²

Abaissement de température d’ eau

peu isolé 12,5 % 11,4 % 10,8 %
bien isolé 11,7 % 10,9 % 10,3 %
très isolé 10,2 % 9,5 % 8,3 %

Coupure (horloge)

faible inertie
(150 kg/m²)
peu isolé 37,7 % 31,9 % 29,5 %
bien isolé 33,8 % 29,6 % 26,6 %
très isolé 26,5 % 22,6 % 17,0 %
forte inertie
(400 kg/m²)
peu isolé 37,5 % 28,0 % 25,0 %
bien isolé 30,6 % 25,2 % 22,0 %
très isolé 21,9 % 18,2 % 13,7 %
 

Optimiseur

faible inertie
(150 kg/m²)
peu isolé 38,5 % 33,4 % 31,2 %
bien isolé 35,0 % 31,4 % 28,7 %
très isolé 28,6 % 25,1 % 20,1 %
forte inertie
(400 kg/m²)
peu isolé 38,2 % 31,2 % 28,6 %
bien isolé 33,4 % 28,7 % 25,8 %
très isolé 25,6 % 22,2 % 17,6 %

Température de consigne

Le gain énergétique provient de la diminution des déperditions nocturnes. Et donc, plus la température intérieure descendra, plus l’économie augmentera. Il ne faut pas descendre sous une température de 12°C, parce que :

  • Cette température correspond au point de rosée de l’ambiance et que des problèmes de condensation pourraient se poser.
  • Malgré la relance du lundi matin, la température des murs serait trop froide et engendrerait de l’inconfort pour les occupants.
  • Maintenir 12°C dans le local témoin (où se trouve la sonde de régulation), c’est maintenir l’ensemble du bâtiment hors gel.

Une consigne de 16°C durant la nuit (voire moins) et 14°C durant les week-ends et les périodes scolaires est donc recommandée.

Il faut en outre savoir que cette température de consigne ne sera que rarement atteinte (uniquement en plein hiver), ce du fait de l’inertie thermique du bâtiment qui ralentit la chute de température.

Concevoir le mur-rideau

Concevoir le mur-rideau


Assurer l’étanchéité

Un problème complexe

Le mur-rideau étant conçu par juxtaposition d’éléments, il y a discontinuité à chaque joint entre chacun d’eux. Ces discontinuités sont potentiellement des points faibles du point de vue de l’étanchéité. Il est donc indispensable de les concevoir et de les réaliser soigneusement de façon à garantir la performance de l’enveloppe. Ce n’est pas une tâche simple car le ruissellement de l’eau additionné aux pressions du vent est un phénomène complexe : il n’est, par exemple, pas exclu de voir l’eau remonter de bas en haut sur une façade en raison de courants d’air ascendants.

On rencontre ainsi différents problèmes sur le terrain :

  • assemblage mal étanché dès la réalisation,
  • déformation sous l’effet du vent des différents éléments de châssis entrainant l’ouverture des joints et la pénétration de l’eau,
  • étanchéité difficilement assurée au droit des extrémités des montants médians des châssis coulissants,
  • discontinuité des joints d’étanchéité aux angles et raccords,
  • absence de contact entre le joint d’étanchéité du mur rideau et le gros-œuvre, cela avec ou sans effet du vent,
  • trous d’évacuation d’eau insuffisants ou obturés et orifices de ventilation non protégés,
  • quincaillerie mal conçue ou mal ajustée,
  • désordre dans les acrotères et les allèges,
  • passage d’air au droit des habillages et des étanchéités,
  • passage d’air par les capots de fermetures,
  • passage d’air par les profils d’ossatures,

Une telle liste a seulement pour objectif de comprendre l’importance de la qualité des joints et de la conception et donc du budget qu’il faut pouvoir y consacrer.

Il ne pourrait être proposé ici une analyse précise de chaque système, mais bien un fil conducteur pour vérifier la performance d’un produit proposé par un fournisseur.

Une réponse de l’architecte en plusieurs étapes

Le comportement de l’eau sur une enveloppe est dû à divers effets dynamiques :

a. Le ruissellement gravitaire :
l’eau s’écoule du haut vers le bas. Des recouvrements ou des débords convenablement disposés permettent de rejeter l’eau au-delà du joint.

Schéma ruissellement gravitaire.

b. La tension surfacique :
ces forces de tension permettent à un film d’eau « d’adhérer » à des parois même en sous-face horizontale et de pénétrer à l’intérieur du joint. Pour y remédier, il faut prévoir des ruptures de la sous-face, creux ou reliefs formant une « goutte d’eau ».

Schéma tension surfacique.

c. La capillarité :
des interstices de faible dimension permettent à l’eau de cheminer sur de longs trajets par une action similaire à une aspiration. Des élargissements du joint doivent être prévus pour rompre le cheminement de l’eau.

Schéma capillarité.

d. L’énergie cinétique :
due à la chute des gouttes d’eau et au vent, celle-ci permet à l’eau de heurter l’enveloppe avec une quantité de mouvement suffisante pour, par exemple, pénétrer horizontalement dans un joint. Cette eau doit pouvoir être recueillie et rejetée à l’extérieur de l’enveloppe, c’est le rôle du drainage.

Schéma énergie cinétique.

e. La pression différentielle :
la différence de pression entre l’extérieur et l’intérieur du bâtiment peut créer un phénomène d’aspiration de l’eau présente dans le joint. Pour l’empêcher, il faut prévoir des chambres de décompression ventilées qui mettent les cavités internes de la façade à la pression extérieure.

Schéma pression différentielle.

Globalement, pour garantir l’étanchéité d’une enveloppe soumise au ruissellement des eaux, aux effets du vent et aux pressions s’exerçant sur l’enveloppe, deux conceptions de principe sont possibles :

  • L’enveloppe totalement étanche, dont les joints excluent la totalité de l’eau c’est le cas des châssis ou des façades rideaux à ossature métalliques.
  • L’enveloppe pare-pluie, qui laisse une partie de l’eau pénétrer à l’intérieur de la façade pour ensuite l’évacuer par un vide ventilé et drainé. C’est le cas général des bardages métalliques.

Ce choix sera influencé par la manière de gérer le transfert de vapeur dans la paroi (voir ci-dessous).

L’importance de la qualité des joints

Selon le type de technologie du mur-rideau, il existe des joints :

  • entre les différents éléments de la grille,
  • entre la grille et les éléments de remplissage (panneaux ou châssis) que l’on y fixe ensuite,
  • entre les différents éléments constituant les châssis de remplissage,
  • enfin, entre le mur-rideau et le gros-œuvre (pièces d’appui et périphérie).

Ils doivent être conçus de manière à pouvoir :

  • rattraper les tolérances dimensionnelles de l’assemblage,
  • compenser ou absorber les dilatations, déformations et vibrations,
  • garder de bonnes caractéristiques au fil du temps.

Pour une enveloppe de qualité, on vérifiera que ce sont bien les fixations qui reprendront les diverses tensions, en protégeant les joints d’étanchéité.

Schéma sur fixations et tensions.

La meilleure manière de concevoir un joint est d’abord de le rendre aussi imperméable aux intempéries que possible, et ensuite de se dire que néanmoins il fuira. Il faut donc de prendre les précautions nécessaires pour empêcher l’humidité de traverser l’enveloppe ou de rester dans le mur, soit par un système interne, soit par une aération.

Choix du type de joint

On distingue :

Les éléments d’étanchéité plastiques (= mastics)

Constitués d’huile et de charges diverses, la composition des mastics et silicones est propre à chaque fabricant. En fonction de leur aptitude à la déformation, de leur cohésion et de leur dureté superficielle, ils sont classés en 6 classes.

Le choix de la classe fait intervenir de nombreux critères comme :

  • la force du vent,
  • l’environnement,
  • les vibrations,
  • l’exposition du joint,
  • le type et la matière du châssis,
  • les dimensions et la nature des vitrages.

Pour soustraire le mastic le plus possible aux tensions, on dispose par exemple de place en place des cales dont l’emploi est courant en miroiterie. La pression et la dépression résultant de l’action du vent sur les panneaux ne sont transmises aux raidisseurs que par cet intermédiaire l’élément d’étanchéité n’est alors soumis qu’à une pression limitée.

Schéma mastic soumis aux tensions.

  1. Joint avec la structure.
  2. Vitrage.
  3. Joint d’étanchéité.
  4. Structure de collage.
  5. Espaceur.
  6. Fond de joint.
  7. Plans d’adhérence.

Pour l’entretien futur, c’est à celui qui met les joints en œuvre qu’il appartient de signaler au client le type de mastic utilisé et de lui communiquer le mode d’entretien prescrit par le fabricant de mastic.

Les éléments d’étanchéité élastiques (= boudins)

Caoutchoucs naturels ou artificiels, produits de synthèse, feutres ou ressorts métalliques, ils peuvent être insérés, sous forme de bandes, entre les panneaux de remplissage et la feuillure ou la parclose. Toutefois, les bandes simplement insérées n’adhèrent pas dans leur logement et elles risquent d’en sortir sous l’effet des mouvements de la façade. Il faut soit les coller à la feuillure et à la parclose, soit les introduire dans une rainure en queue d’aronde. Une autre solution consiste à les fixer sur la bordure des panneaux de remplissage. Dans le même esprit, on peut aussi disposer autour des vitrages des bandes élastiques en forme de U par exemple.

Les éléments élastiques d’étanchéité ne sont qu’exceptionnellement employés seuls pour assurer le calfeutrement des joints. En principe, on combine bandes élastiques (comme fond de joint) et mastic de finition.

Les étanchéités réalisées seulement à l’aide de profilés en néoprène

Cas particulier d’obturation élastique sans mastic. Ils se présentent sous forme de bandes ou de profilés extrudés. Leur profil permet leur fixation au châssis par emboîtement dans une ou plusieurs rainures. Ils sont coupés d’onglets aux angles et soudés, puis montés sur les profilés métalliques.
L’étanchéité est assurée par la pression de contact existant entre le profil et la ou les surfaces du vitrage d’une part et les faces verticales de la feuillure, d’autre part.
Les profilés d’obturation existent sous plusieurs formes, selon la forme des profilés de châssis et l’épaisseur des panneaux ou vitrages. La méthode est empruntée à l’industrie automobile, où les glaces pare-brise sont posées de façon analogue dans la carrosserie.
L’utilisation de ce type de profilé d’étanchéité est généralement associée à la mise en œuvre de feuillures drainées.

On a prévu l’évacuation vers l’extérieur de l’eau
qui pénètre par accident dans la feuillure.


Gérer le transfert de vapeur d’eau

Un transfert de vapeur d’eau dans la paroi

Limiter l’entrée d’eau de pluie externe se complique par le fait de devoir gérer la sortie de la vapeur d’eau interne.

En effet, en hiver, une importante quantité de vapeur d’eau se trouve dans un bâtiment, surtout s’il est peu ventilé. La vapeur générée par les occupants reste captive à l’intérieur du bâtiment. Dehors au contraire, la température est basse et l’air plutôt sec (en humidité absolue).

L’eau sous forme gazeuse (vapeur d’eau) va tendre à passer d’une région de pression de vapeur d’eau élevée (intérieur du bâtiment) à une région de pression moins élevée (extérieur du bâtiment). Ce phénomène est comparable à l’écoulement de la chaleur. Elle traverse tous les matériaux à une vitesse qui est fonction tant de la résistance du matériau au passage de la vapeur d’eau (coefficient « μ« ) que de la différence de pression de la vapeur d’eau de part et d’autre du matériau.

La migration de la vapeur d’eau à travers la paroi n’est pas en soi un problème tant qu’il n’y a pas condensation. Mais si elle condense dans l’isolant, celui-ci, humidifié perdra en grande partie sa résistance thermique. De plus, l’humidité permanente peut être source de moisissures.

En traversant la paroi de l’intérieur vers l’extérieur, si la pression de vapeur d’eau chute avant la température, le risque de condensation est faible. Si au contraire la température chute avant la pression de vapeur d’eau, le risque de condensation est élevé.

Pour supprimer les risques de condensation,

  • soit on bloque la migration de vapeur à l’aide d’un écran pare-vapeur qui sera installé du côté intérieur de l’isolant (ou une paroi intérieure en verre ou en aluminium par exemple),
  • soit on favorise la ventilation au-delà du panneau isolant pour éliminer la vapeur d’eau (disposition d’évents vers l’extérieur sur la face extérieure du panneau de façade).

En matière de gestion du passage de la vapeur d’eau au travers de l’élément constitutif du mur-rideau, on rencontre, dès lors, 3 modes de résolution :

  • L’élément étanche, qui comporte des parois extérieures et intérieures étanches, un cadre intégré, imperméable à la vapeur d’eau et solidarisé de façon continue par une âme isolante.
  • L’élément perméant, qui comporte une paroi extérieure perméable à la vapeur d’eau et une paroi intérieure moins perméable ou étanche à la vapeur.
  • L’élément ventilé ou respirant, qui comporte derrière sa paroi extérieure une lame d’air, en communication avec l’ambiance extérieure. La paroi intérieure peut-être perméable ou étanche. Les deux parois sont solidarisées à l’isolant par l’intermédiaire d’un cadre intégré à l’élément .

En allant de l’intérieur vers l’extérieur, on peut donc trouver :

  • un éventuel doublage intérieur en acier ou en tout autre matériau,
  • un film pare-vapeur, dont le rôle est d’empêcher la migration de la vapeur d’eau au travers de la paroi,
  • un isolant thermique,
  • un vide d’air éventuel, selon les systèmes,
  • la paroi extérieure.
Un exemple

  1. Garnitures d’étanchéité à l’air.
  2. Déflecteur d’eau de pluie.
  3. Ouverture pour l’équilibre des pressions.
  4. Air.
  5. Étanchéité à la vapeur.
  6. Coupure thermique.

Gestion des infiltrations d’eau de pluie

Un pare-pluie métallique étanche a été choisi du côté extérieur. Un élément de liaison entre cet élément et le vitrage a été placé pour rigidifier la paroi (tenue contre les pressions du vent).

Les joints qui assurent la liaison doivent repousser la pluie. Mais il est possible que cette liaison ne soit pas parfaite ou s’abîme dans le temps. Une ouverture est alors prévue sous l’élément. L’espace d’air aura le même niveau de pression que celui exercé sur la surface du revêtement, ce qui neutralise la force qui fait passer l’eau à travers les ouvertures éventuelles de la façade : c’est la chambre de décompression.

Un deuxième joint est par ailleurs placé du côté intérieur afin de réaliser l’étanchéité à l’air.

Gestion du passage de vapeur d’eau

La présence d’une paroi étanche du côté extérieur (froide, donc) risque d’entraîner la condensation de la vapeur d’eau venant de l’ambiance intérieure. Premier réflexe : bloquer le flux de vapeur par la mise en place d’une nouvelle paroi intérieure métallique.

Mais des fuites peuvent se produire. Une lame d’air est conservée entre l’isolant et la paroi extérieure, lame d’air mise en contact avec la chambre de décompression. L’humidité éventuelle pourra s’échapper.


Isoler en hiver et protéger en été

Pour étudier le comportement thermique du mur rideau, on peut le décomposer en 3 parties : la partie vitrée, la partie opaque et les fixations.

Choix des vitrages

Pour le choix de la partie vitrée du mur-rideau, tant de l’importance de sa surface (pourcentage de vitrage de la façade) que des caractéristiques du vitrage à choisir, on rencontre les mêmes critères de choix  que pour une façade traditionnelle.

On sera autant attentif à limiter les pertes thermiques en hiver par des vitrages isolants, qu’à limiter les apports solaires excessifs en été par une protection solaire efficace.

Photo pare-soleil.

Une orientation Nord et Sud des façades en mur-rideau sont à privilégier, notamment parce que la présence de protections solaires architecturales permet de bien maîtriser les apports solaires de la façade Sud.

Photo persiennes.

Les persiennes sont également possibles, mais leur présence du côté interne du vitrage limite leur efficacité (la majorité de la chaleur solaire entrée dans le bâtiment ne sera pas réfléchie vers l’extérieur).

Par contre, sauf comme serre, un tel espace ne paraît pas thermiquement correct. Trop froid en hiver et étouffant en été, il peut juste être exploité comme espace tampon, fort coûteux.

Nous avons tous déjà laissé notre voiture en plein soleil pour nous en rendre compte…

Concevoir

Pour plus d’informations sur le choix des vitrages, cliquez ici !

Isolation des parties opaques

La structure classique de la partie isolée thermiquement comporte les trois constituants ci-après :

  • un parement extérieur, qui constitue une protection contre les agents atmosphériques,
  • une âme, qui est l’isolant thermique,
  • un parement intérieur, résistant aux efforts mécaniques.

Les matériaux isolants (panneaux ou matelas) doivent supporter leur propre charge en position verticale sans compression ni tassement. Le matériau idéal pour l’âme isolante d’un panneau de façade doit avoir les qualités suivantes :

  1. faible conducteur de chaleur,
  2. incombustible,
  3. résistant à la corrosion,
  4. non-absorbeur de l’humidité,
  5. léger,
  6. résistant au fléchissement et au tassement.

Les matériaux suivants sont généralement utilisés :

  • les matériaux alvéolaires (plastiques alvéolaires, mousse de verre insensible à humidité),
  • les fibres minérales (laine de roche),
  • les isolants naturels (minéraux expansés et agglomérés),
  • les granulats légers (matériaux composites).

Les matériaux isolants les plus rigides seront fixés à l’enveloppe métallique soit par des adhésifs, soit par des agrafes métalliques. Les moins rigides seront comprimés en forme de panneau solide (bourrage).

Quand un espace d’air est souhaité dans l’élément, le matériau isolant doit être choisi pour sa rigidité, tout fléchissement pouvant boucher cet espace.

L’ isolation thermique indépendante du mur-rideau :

Le mur-rideau comporte dans ce cas un parement extérieur qui résiste aux agents atmosphériques. L’isolation thermique est assurée indépendamment par un contre-mur directement attaché à la structure du bâtiment. Ceci résulte des règles imposées pour la protection contre le feu, qui prescrivent en général des murs d’allège incombustibles, mais ce n’est pas l’idéal en matière de mur-rideau.
Tous les matériaux incombustibles ou ignifuges conviennent à la confection des contre-murs (parpaing de plâtre, terre cuite, béton léger ou lourd).

Le risque de pont thermique au droit des fixations

Une qualité de l’isolation d’une enveloppe réside dans sa continuité. Or, aux points de rencontre des poutrelles, traverses métalliques et boulons, ou aux bordures des éléments du mur-rideau, il existe un risque majeur de ponts thermiques, c’est-à-dire de communication directe entre l’extérieur et l’intérieur du bâtiment.

Les murs-rideaux montés sur grille seront tout particulièrement sensibles aux ponts thermiques.

Ceci se traduira par :

  • de la condensation (et même du givre),
  • un pouvoir d’isolation du mur diminué,
  • des températures maxima de résistance au feu plus basses (en cas d’incendie, aux points de contact continus le métal subira un échauffement supérieur à la température limite de résistance),
  • des traces noires sur les surfaces intérieures qui marquent les ponts thermiques entre le bâti du panneau et les pièces de fixation (les parties froides, plus humides, de la surface accumulent plus de poussière, que les autres).

Tous les ponts thermiques entre parements métalliques extérieurs et intérieurs devront disparaître par suppression totale de contact entre eux, aussi bien sur la bordure de l’élément du mur-rideau qu’à la jonction des divers profilés intérieurs. Cette rupture de contact se fait par dédoublement des pièces métalliques et interposition entre elles d’un matériau isolant comme le liège, le néoprène, des matériaux de garniture en polyvinyle, des matériaux plastiques isolant en PVC et, plus récemment, en polyuréthane injecté sur place.

En voici le principe :

schéma isolation profilé métallique 01.schéma isolation profilé métallique 02.
schéma isolation profilé métallique 03. schéma isolation profilé métallique 04.

Et les exemples de réalisation dans les profilés :

Photo isolation profilé métallique 01.Photo isolation profilé métallique 02.Photo isolation profilé métallique 03.

Si le système de chauffage élimine généralement la condensation au droit et au-dessus de l’allège, le problème est plus difficile lorsqu’il s’agit d’éviter la condensation de la partie inaccessible du mur, devant les dalles de plancher. Il peut y avoir dépôt d’humidité en ces endroits lorsque l’air ambiant y accède et il est très difficile de l’en empêcher. L’humidité peut se condenser sur l’attache, et, si elle n’est pas évacuée, elle risque de s’écouler par gravité sur la face intérieure du mur en laissant des traces. Il semble que l’on parvient à réduire ces désordres en recouvrant la face interne des raidisseurs d’un isolant : mousse de polystyrène, par exemple.


Protéger contre la propagation du feu

Cinq règles de base pour le mur-rideau

Les cinq règles suivantes, correspondant à la notion de paroi « pare-flamme », sont à prendre en compte au niveau de la façade :

  1. Les attaches en acier, ou de résistance équivalente, liaisonnant la façade au gros-œuvre doivent être en quantité suffisante.
  2. Le parement intérieur des allèges doit être en acier ou en matériau de résistance au feu équivalente. La continuité de cette protection doit être assurée sur les parties arrières des meneaux de section importante. Dans certains cas, la grille de base en aluminium doit être renforcée par une ossature de stabilité, également en acier.
  3. La jonction orthogonale façade-nez de plancher doit être réalisée par des matériaux interdisant toute propagation verticale d’un niveau à l’autre sur les faces arrière des façades et présenter une rigidité suffisante aux dilatations et aux déformations sous de fortes températures afin d’éviter le passage des flammes, fumées et gaz.
  4. Tout effet de cheminée doit être rendu impossible au niveau des meneaux verticaux, par cloisonnement horizontal répétitif.
  5. Le choix des matériaux de synthèse utilisés doit être en conformité avec les règlements en vigueur, notamment sur la toxicité de leur dégagement de chlore et d’azote.

Résistance au feu

Les façades situées dans le volume de protection, doivent être « pare-flammes » de degré deux heures au moins.
Les matériaux constitutifs des parements extérieurs des façades, y compris les volets, etc., doivent être de catégorie A0, à l’exception des stores qui peuvent être de la catégorie A1 et des menuiseries qui peuvent être des catégories A1 ou A2 ou, quand il s’agit de menuiserie en bois, catégorie A3.

A0 : ininflammable,
A1 : faible propagation du feu,
A2 : propagation moyenne du feu,
A3 : forte propagation du feu,
A4 : ne satisfait pas aux exigences.

Une attention toute particulière doit être apportée aux abouts de dalle et à l’isolation contre le feu en nez de plancher. Par cet endroit de liaison entre la façade et l’ossature, on doit éviter que le feu ne se propage d’un étage à l’autre.

On rencontre 3 principes d’organisation de la résistance au feu :

Mur-rideau résistant au feu.

 Panneaux réfractaires sur les abouts de dalle.

 Allèges et linteaux résistants au feu.

Un vitrage résistant au feu

La résistance au feu du verre : si le matériau « verre » est en lui-même incombustible, il risque facilement d’éclater sous la chaleur et n’assure alors plus aucune protection.

Pour rendre un vitrage anti-feu, un gel intumescent est placé entre les deux feuilles de verre, gel qui se solidifie en cas d’incendie et permet de tenir ensemble les éléments de verre.

Quel que soit le sens du feu, le composant verrier à intercalaire intumescent doit toujours être positionné côté intérieur du bâtiment

Présence de contre-murs intérieurs

Dans la plupart des cas, les contre-murs en maçonnerie doivent leur existence à la réglementation contre les risques d’incendie, et particulièrement à la définition de « réfractaire ». Même lorsque les panneaux sont rendus réfractaires au prix de certaines dépenses, il reste encore le problème des éléments métalliques apparents à l’intérieur du local, lorsque la température dépasse 130°C. Les éléments concernés sont surtout les raidisseurs. Lorsqu’ils sont en acier, ils peuvent résister aux températures des essais prescrits, mais ils fondent quand ils sont en aluminium. Un panneau d’allège « réfractaire » est alors sans effet puisque son support ne tient plus.

Autres techniques de protection

Il existe d’autres systèmes de protection contre le feu :

  • la protection rapportée autour de l’acier par un matériau projeté ou en plaque (produits projetés (flocages), produits en plaques, peintures intumescentes),
  • la protection par écran horizontal (plafonds suspendus) ou écran vertical (panneau de cloison),
  • le refroidissement par eau des profils creux.

   


Limiter la transmission du bruit

L’objectif consiste généralement à ne pas dépasser un niveau de pression acoustique intérieur de 35 dB.

Cette exigence requiert un isolement acoustique du mur rideau par rapport aux bruits extérieurs, mais aussi un isolement acoustique des bruits intérieurs (passage du bruit d’un étage à l’autre le long de la façade).

Isolement aux bruits extérieurs

Pour assurer l’isolement phonique d’une façade, il faut principalement :

  • garantir l’isolement phonique des parties vitrées ;
  • veiller aux joints de raccordement des divers éléments, pour éviter la présence de « ponts » et de « fissures » acoustiques.

On pense tout particulièrement à la qualité acoustique des coffres à rideaux et à volets, ainsi qu’au raccordement soigné entre les menuiseries, les châssis et les panneaux préfabriqués. Les éléments industriels apportent probablement une meilleure garantie que ceux montés sur chantier.

Les bâtiments de grande hauteur ne possèdent pas de fenêtres ouvrantes car la pression du vent en hauteur est trop importante. Tout au plus y prévoit-on quelques ouvertures de déménagement. La performance de leur façade est donc meilleure car avec des fenêtres fixes, on a la garantie que le bruit ne passe pas par les interstices des joints des ouvrants (source de bruit n°1).

Si les parois pleines ou opaques sont en principe assez isolantes, les matériaux nouveaux mis en œuvre dans les façades légères ne répondent pas d’une façon favorable à la loi des masses (frein acoustique proportionnel au poids de la paroi pour certaines fréquences).
Les panneaux non ventilés recueillent la préférence des acousticiens, à l’encontre des panneaux ventilés, du fait de la présence de larges fentes destinées à ventiler l’isolant fibreux. Il existe toutefois maintenant des fentes comportant des pièges à son pour parer ce problème.

Pour les parois vitrées, on utilise un vitrage acoustique. Il s’agit généralement d’un double vitrage (voire un triple vitrage) avec des épaisseurs de couches différentes, d’un vitrage avec du gel entre les deux verres (mais perte de transparence), ou alors de vitrage feuilleté.

 Concevoir

Pour plus d’informations sur le choix des vitrages acoustiques, cliquez ici !

Pour les balcons et auvents, il y a intérêt à garnir d’un matelas de fibre minérale ou d’un autre matériau isolant (piège à son) les parties inférieures des balcons surplombant les baies vitrées. Ce traitement vise à absorber les ondes sonores du sol qui pénètrent au travers des fenêtres après réflexion sur ces surfaces.

Isolement aux bruits intérieurs :

Schéma isolement aux bruits intérieurs.

Les bruits intérieurs se transmettent directement par le verre de la façade (transmission par mise en vibration du mur-rideau).
Il faut donc une bonne jonction en about de dalle :

  1. raccords aux planchers,
  2. raccords aux murs de refend,
  3. raccords aux poteaux.

Quelques exemples :

Raccord aux dalles effectué au moyen de profilés élastiques en Néoprène.

Mur-rideau raccordé au nez de plancher par le plâtre du plafond..

Raccord aux dalles effectué au moyen de laine minérale.


Gérer les mouvements du bâtiment

Le joint de dilatation est un dispositif constructif qui permet d’assurer la libre déformation d’une section de bâtiment par rapport à une autre.

Quand les déformations apparaissent principalement sous les effets des variations de température, le joint n’est réalisé qu’au niveau de la superstructure. Mais des déformations peuvent également être dues à des tassements différentiels et à des mouvements de sol. On parle alors de joints de tassement ou joints de rupture; le joint en superstructure est prolongé par un joint dans les fondations correspondantes.

La présence d’un joint de dilatation impose de doubler les éléments porteurs au droit de la pile concernée ou de réaliser un appui glissant dispositif qui respecte la trame en évitant le doublement de points porteurs. Une extrémité de travée est fixe, l’autre appuyée sur une console par l’intermédiaire d’un appui glissant en Néoprène ou en Téflon. La console introduit un excentrement et peut créer un moment de torsion, toujours difficile à reprendre. Il faut donc s’assurer que l’appui peut résister à cette torsion.

La largeur des joints de dilatation varie généralement de 10 à 20 mm. L’espacement entre deux joints varie et est de l’ordre d’une quarantaine de mètres.
Les joints de dilatations doivent être prolongés en façade; ils ont donc une influence sur l’aspect fini du bâtiment. Ils doivent donc être pensés très tôt dans l’élaboration du projet.

Les calfeutrements des joints de dilatation des façades doivent assurer la continuité des fonctions remplies par la façade.

Le principe des assemblages souples et élastiques réside dans l’élasticité des matériaux, dont la forme se modifie sous l’effet des forces thermiques. Les tôles ou les profilés élastiques et minces se prêtent le mieux à la réalisation de ces assemblages à ressort, ils ont l’avantage de permettre le vissage des éléments en conservant un joint fermé sans calfeutrage supplémentaire. La grande majorité des constructions sont à joints coulissants qui s’écartent et se referment selon les variations thermiques.

Les joints entre l’ossature porteuse en acier et les éléments de remplissage sont assurés par des rubans de Néoprène ou des joints en silicone extrudé qui assurent l’étanchéité par compression. Un capot presseur formant parclose est fixé aux montants par des vis maintient les éléments de remplissage en place. La forme des feuillures est prévue pour faire obstacle à la pénétration de l’eau.

Joints et tolérances (adaptation aux mouvements du bâtiment)

Les mouvements des éléments de charpentes doivent être évalués avant l’étape de la conception des murs extérieurs. On distingue trois catégories de mouvements :

  • les fléchissements sous charges variables dus aux occupants et aux forces maximales du vent contre la façade, et les fléchissements sous charges permanentes de l’ossature du bâtiment même;
  • la dilatation et le retrait des matériaux sous l’effet de la température, du rayonnement et parfois de phénomènes hygroscopiques;
  • les mouvements lents mais inexorables causés par des déformations graduelles comme le fluage du béton, le tassement des fondations, …

Les principaux éléments qui doivent s’adapter aux mouvements du bâtiment sont les panneaux vitrés. Autour d’eux, les éléments typiques, c-à-d les supports tubulaires, les couvre-joints et les couvre-supports, doivent pouvoir s’adapter à un mouvement différentiel de 4 à 5 mm d’un étage à l’autre et entre chaque élément vertical. Sinon il faut prévoir un autre système de supports.


Assurer la sécurité

Le mur-rideau pouvant couvrir aussi bien la façade du rez-de-chaussée que le 33ème étage, de nombreux aspects sécuritaires sont à assurer.

Sécurité au vent

On consultera la norme belge concernant la résistance au vent des vitrages isolants NBN S23-002, norme qui s’est vu adjoindre un addendum concernant les surfaces maximales de vitrages admises en fonction du vent.

Sécurité au bris de glace

Problème de sécurité :

  • Verre armé : si le verre casse, les morceaux sont retenus par les treillis. Au point de vue aspect, il faut accepter la présence visible du treillis.
  • Verre trempé (sécurit) sous tension : l’opération de trempe a pour effet de mettre les couches externes du verre en compression et les couches internes en tension. S’il casse, c’est en tout petits morceaux pratiquement non coupants et qui, de ce fait, présentent peu de danger. Il a une résistance accrue à la flexion, à la pression, à la torsion et aux chocs thermiques et/ou mécaniques.
  • Verre feuilleté : une couche de plastique, intercalaire en butyral de polyvinyle (PVB) est placée entre les verres. S’il casse, les morceaux de verres restent ensemble, et l’étanchéité est maintenue. Propriétés du verre feuilleté :
    • Ne se désintègre pas en cas de chocs, les morceaux restent en place collant à l’intercalaire.
    • Ne se brise qu’au point d’impact.
    • Doit être découpé sur les deux faces du vitrage.
    • Peut facilement être intégré dans un double vitrage.
    • Est facilement disponible en toutes dimensions et se pose rapidement.
    • Existe en différentes épaisseurs.

    Avantages du verre feuilleté :

    • Minimise les risques de blessures et empêche le passage à travers le vitrage.
    • Limite les conséquences du vandalisme.
    • Elimine ou retarde toute tentative d’effraction.
    • Procure simultanément sécurité et isolation thermique.
    • Ne requiert pas de main-d’œuvre spécialisée.
    • Permet une large sélection en fonction du niveau de sécurité souhaitée.
  • Verre durci : verre qui a subi un traitement semblable à celui du verre trempé, ce qui lui confère des propriétés similaires, sauf en cas de bris de verre. L’aspect d’un verre durci cassé est proche de celui d’un verre recuit, il se casse en grands morceaux. Mais il est plus résistant que le verre recuit. Le risque de chute de verre en cas de bris est donc réduit par rapport au verre trempé : les grands morceaux restent généralement en place dans le châssis. Mais il ne peut pas être considéré comme un verre de sécurité au sens des normes.

Concevoir

Pour plus d’informations sur le choix des vitrages de sécurité, cliquez ici !

Sécurité au vandalisme et à l’effraction

Pour améliorer la résistance du mur-rideau à l’effraction, on augmente l’épaisseur (13 à 36 mm) du vitrage, et on utilise du verre feuilleté. On utilise également des panneaux pleins de type « sandwich » capables de résister aux agressions mécaniques. Dans la norme EN 356, les impacts de haches et de marteau sont les chocs utilisés pour caractériser la résistance de ces éléments.

Sécurité au tir de fusil et aux armes de poing

La variabilité des surfaces maximales de contact développées au cours des chocs, ainsi que les divers niveaux d’énergie, conduisent la norme EN 1063 à établir 7 classes de vitrages pour couvrir les exigences de protection correspondantes.

La norme EN 1063 définit une exigence complémentaire permettant de distinguer par la mention « NS » les vitrages qui, sous l’action des impacts provoqués par des armes à feu, ne génèrent pas de projection d’éclat de verre.

Découvrez quelques exemples de murs/façades-rideaux : le Berlaymont à Bruxelles et l’Aeropolis II à Schaerbeek.

Exemple de calcul d’une pompe de recyclage

Exemple de calcul d'une pompe de recyclage

Circuit primaire avec boucle ouverte et circulateur ou pompe de recyclage pour assurer un débit et une température minimales au retour de la chaudière.


Données de départ

La pompe de recyclage permet d’obtenir un débit minimal dans la chaudière quel que soit le degré d’ouverture des vannes 3 voies.

La chaudière est en permanence maintenue en température (80 .. 90°C) et la température de retour ne peut jamais descendre en dessous de 55°C (qui est environ la température de rosée des fumées).

A la relance matinale, l’ouverture des vannes mélangeuses est en outre limitée pour garantir cette température de retour minimale.

La perte de charge nominale de la chaudière est de 8 kPa et le débit minimal admissible dans celle-ci est de 50 %.


Caractéristiques pression/débit de la pompe de recyclage

Lorsque les vannes 3 voies sont fermées

Le débit de la pompe = 0,5 x débit nominal de la chaudière, donc la perte de charge à vaincre est de :

8 [kPa] x (0,5)² = 2 [kPa] (règles de similitude)

lorsque les vannes 3 voies sont ouvertes en grand

La hauteur manométrique de la pompe doit être supérieure à la perte de charge nominale de la chaudière pour éviter que le débit s’inverse dans le by-pass. On prend une sécurité de 10 % sur le débit minimal qui peut traverser la pompe. On doit vaincre une perte de charge égale à :

8 [kPa] x (1,1)² = 9,7 [kPa]

La pompe choisie doit donc fournir un débit de 0,5 x débit nominal de la chaudière pour une hauteur manométrique de 2 kPa et un débit de 0,1 x débit nominal de la chaudière pour une hauteur manométrique de 9,7 kPa.


Si les pompes des circuits secondaires sont surdimensionnées

Ce calcul devient caduque si les pompes des circuits secondaires sont surdimensionnées. Par exemple, si le débit maximal puisé par les circuits secondaires est supérieur de 50 % au besoin réel (ce qui est fréquent), la perte de charge créée dans la chaudière lors de l’ouverture de toutes les vannes 3 voies est de :

8 [kPa] x (1,5)² = 18 [kPa]

Dans ce cas, si la pompe de recyclage a été choisie suivant les caractéristiques calculées ci-dessus, le débit s’inversera quand même dans le by-pass. Cela créera un point de mélange entre de l’eau froide et de l’eau chaude à la sortie de la chaudière et la consigne de température ne sera jamais atteinte.

Cela montre toute l’importance du calcul de l’ensemble des débits primaires et secondaires d’une installation de chauffage et de la possibilité de disposer d’organes de réglage de ces derniers.

Détecteurs de mouvement et de présence/absence [Eclairage]

Détecteurs de mouvement et de présence/absence [Eclairage]


 

Utilisation

Les détecteurs de présence, associés ou pas à des boutons poussoirs, permettent d’aider les gestionnaires de bâtiments dans leur « quête » à l’économie d’énergie. Ces dernières années, leur domaine d’applications s’est considérablement étendu. En effet, outre la commande de l’éclairage intérieur et extérieur, ils sont actuellement utilisés pour la commande d’automatismes tels que :

  • la gestion de la ventilation, dans les locaux à occupation intermittente comme les salles de conférence par exemple ;
  • la régulation des installations de chauffage et de climatisation ;
  • le déclenchement de l’alarme, puisque ce même principe est utilisé pour la détection d’intrusion ;
  • jusqu’au déclenchement de la chasse des toilettes, … pour utiliser l’eau de ville à bon escient, bien sûr,… et non pour enregistrer la fréquence et la durée des utilisateurs !

En éclairage, le détecteur de présence allume les luminaires lors de l’entrée de l’occupant et les éteint quelques temps après sa sortie. Une temporisation à l’extinction est nécessaire pour ne pas réduire la durée de vie des lampes par des cycles d’allumage/extinction trop fréquents. Par exemple, une absence de 1 ou 2 minutes ne peut entraîner l’extinction des lampes.

Calculs

Les économies engendrées par le placement de détecteurs de présence se situent, selon certaines sources, entre 35 et 45 %. Pour analyser au cas par cas l’intérêt de placer des détecteurs de présence.

À noter, toutefois, qu’un détecteur a sa consommation propre. S’il est de bonne qualité, cette consommation est réduite (< 1W).


Principe de fonctionnement

Dans le jargon des professionnels, un détecteur de mouvements se différencie d’un détecteur de présence par sa grande sensibilité.

Différentes technologies existent sur le marché. La technologie à infrarouge (IR) est la plus répandue dans le domaine de l’éclairage. Cependant, quelques applications de gestion d’éclairage, comme dans les sanitaires par exemple, font appel aux technologies ultrasoniques (US), combinées IR et US ou encore sonore.

En général, l’électronique des détecteurs permet de développer des logiques de gestion de l’éclairage en détection de présence ou d’absence. En d’autres termes :

  • Pour une gestion de présence, le détecteur peut travailler seul. Dès qu’une personne entre dans la zone de détection, l’éclairage est allumé. Ce principe est applicable dans les locaux où les détections sont fréquentes, mais de courte durée.
  • Pour une gestion d’absence, le détecteur doit être combiné avec un système de commande volontaire (type bouton-poussoir). Une personne entrant dans un local avec accès à la lumière naturelle peut choisir d’allumer ou pas l’éclairage en fonction du niveau d’éclairement régnant dans le local. Si elle choisit d’allumer, le détecteur ne coupera l’éclairage qu’après un délai réglable d’absence de la personne. Ce principe permet, en général, de responsabiliser les occupant.
  • Ces détecteurs permettent en réalité  d’imaginer toute sorte de fonctionnement. Par exemple, pour des couloirs : en cas d’absence la lumière est dimmée (intensité réduite) et dès détection de présence, l’éclairage est remis à 100 %. L’extinction arrive seulement en cas d’absence plus longue.


Technologies des détecteurs

Détecteur  à infrarouge (IR)

Schéma détecteur  à infrarouge.

Ils détectent le mouvement du corps humain par la mesure du rayonnement infrarouge (= chaleur) émis par le corps humain.

Ils sont dits « passifs » car ils n’émettent aucune radiation, contrairement aux détecteurs à infrarouge actif de type « barrière ». Ils mesurent le rayonnement infrarouge émis par les surfaces chaudes.

Ils fournissent une indication de changement d’occupation d’un lieu : absence ou présence. Ils ne permettent pas de connaître le taux d’occupation d’un local ou le nombre d’occupants.

Photo détecteur  à infrarouge.

Plus précisément, les détecteurs de mouvement à infrarouge comportent un certain nombre de facettes sensibles. Leur rayon d’action est ainsi découpé en une série de segments. C’est le passage d’un corps (et donc de chaleur) du rayon de vision d’une facette vers celui d’une autre facette qui permet de détecter le mouvement.

La sensibilité d’un détecteur dépend donc du nombre de segments sensibles. Par exemple, un détecteur dont le rayon de détection est découpé en peu de segments risque de ne pas détecter une personne se dirigeant vers lui.

Pour certains modèles perfectionnés, cette sensibilité est réglable. Le réglage sera différent selon le type de local : dans un bureau où les mouvements sont parfois minimes (travail sur ordinateur, par exemple) on le réglera sur une forte sensibilité, tandis que dans un local sujet à des courants d’air, on le réglera sur une sensibilité plus faible.

La limite d’utilisation des détecteurs IR réside dans son incapacité à effectuer une détection au travers d’une paroi par exemple. C’est le cas dans les sanitaires ou les bureaux paysagers aménagés avec des cloisons antibruit ou des armoires hautes.

Détecteurs ultrasoniques (US)

Schéma détecteurs ultrasoniques.

Les détecteurs US sont de type émetteur/récepteur et fonctionne sur le principe de l’effet Doppler. Toute onde ultrasonique (32 kHz à 45 kHz) émise par le détecteur qui rencontre un objet sur son parcours, « rebondit » en direction inverse avec une fréquence différente. Le détecteur est capable de mesurer l’écart de fréquence et de générer ainsi un signal de présence. Les détecteurs US ont une portée limitée mais peuvent détecter des mouvements mineurs et ce même autour de certains obstacles.

Détecteurs à double technologie

Schéma détecteurs à double technologie.

Les détecteurs de présence à infrarouges risquent de ne pas détecter les mouvements légers. Par contre des détecteurs à ultrasons peuvent être trop sensibles et risquent de déclencher l’allumage de l’éclairage lors du passage « d’une mouche ». Pour éviter cet inconvénient tout en gardant une sensibilité importante, certains détecteurs, appelés « détecteurs à double technologie » combinent ultrasons et infrarouge.
Cette combinaison permet d’augmenter la fiabilité des détecteurs et élimine les détections indésirables.

Détecteurs sonores

Comme son nom l’indique les détecteurs sonores réagissent au bruit. Cette technologie pourra être utilisée dans les sanitaires par exemple. Pratiquement, on n’utilisera qu’un seul détecteur de ce type dans les communs des sanitaires sans être obligé d’en placer un dans chaque WC. Le moindre bruit émis au travers des parois des WC permettrait de pouvoir prolonger la lecture de son journal en toute quiétude (« pour les amateurs de sieste au WC, dorénavant s’abstenir ! »).

Détecteurs « intelligents »

Ce type de détecteur à double technologie enregistre pendant plusieurs mois le mode d’occupation du local et adapte automatiquement sa sensibilité.


Types de détecteurs

On distingue deux familles d’équipement :

Les détecteurs à pouvoir de coupure (peut couper l’alimentation de la lampe)

Les détecteurs montés à  la place des interrupteurs

Ceux-ci se placent dans les circulations, sanitaires, petits bureaux etc. On profite du câblage existant laissé par l’interrupteur classique pour commander les luminaires. Il est un fait certain qu’en conception, pour autant que les utilisateurs acceptent de ne plus pouvoir intervenir dans la commande des luminaires, on placera directement le détecteur à proximité des luminaires pour réduire le câblage et permettre aussi une amélioration de la modularité de la commande (changement facile de l’emplacement du détecteur).
L’ensemble de l’interrupteur automatique est composé de 3 parties : un mécanisme, un capteur et une plaque de recouvrement.

Mécanisme … Capteur … et … Plaque de recouvrement.

Certains modèles possèdent, en plus de la détection automatique, un bouton de commande manuelle. La commande peut alors se faire automatiquement ou manuellement. La commande manuelle peut être verrouillée.
On trouve deux types de capteurs

  • Un capteur qui permet une détection horizontale seulement.
    C’est ce capteur qui est généralement placé dans les locaux intérieurs.
  • Un capteur qui permet une détection horizontale et verticale (surveillance en zone basse).
    Celui-ci s’utilise pour détecter une présence dans des escaliers par exemple.

Les détecteurs placés au plafond

Photo détecteurs placés au plafond.

Dans les entrepôts de grand volume ou les bureaux aménagés de cloisons montant à mi-hauteur, le champ de vision d’un détecteur à infrarouge de 90° risque d’être masqué. Il est dès lors recommandé d’utiliser des détecteurs panoramiques dont l’angle d’ouverture est de 360°.

Ils seront également utilisés dans les grands locaux tels que salles de sports de manière à pouvoir couvrir l’ensemble de l’espace.

Les détecteurs intégrés dans le luminaire

Photo détecteurs placés dans le luminaire.

Ce type de détecteur commande directement et individuellement le luminaire sur lequel il est monté. Dans la nouvelle norme EN 12464-1 l’éclairage individuel prend toute son importance par le fait que la zone de travail est précise et peut être mobile. De ce fait, le détecteur « embarqué » permet d’améliorer la gestion de présence individuellement.

Les détecteurs gradables (agit sur la commande 1-10V du ballast dimmable)

Les détecteurs gradables

Photo détecteurs gradables.

On rencontre deux types de détecteurs gradables :

  • analogique : connecté au ballast électronique dimmable, ce type de détecteur agit comme le potentionmètre (ou dimmer) sur le ballast en faisant varier la tension de commande de 1 à 10 Volt,
  • digital : connecté à un ballast type DALI ou sur un réseau type DALI, ce genre de détecteur peut agir sur un ou des groupes de luminaires.

Les multidétecteurs

Photo multidétecteurs.

À l’heure actuelle, de part la percée effectuée par les réseaux d’éclairage (ON, DALI, …), les détecteurs combinent plusieurs fonctions afin de commander, de réguler, de gérer un ou des groupes de luminaires :

  • la détection de présence,
  • la régulation en fonction du niveau d’éclairage naturel,
  • la réception IR d’un signal de commande à distance (télécommande).

Caractéristiques générales des détecteurs infrarouges (IR)

Un détecteur placé sur une paroi verticale est caractérisé par :

  • un angle de détection horizontal,
  • une portée latérale,
  • une portée frontale.

Un détecteur placé au plafond est caractérisé par :

  • un rayon d’action de 360°,
  • un diamètre de détection maximal (ou couverture maximale (en m²)) pour une hauteur maximale.

Lorsqu’on diminue la hauteur d’installation, la zone de couverture diminue, mais la sensibilité augmente.
Par contre, au-delà de la hauteur maximale, la sensibilité n’est plus suffisante.

Attention : le détecteur ne traverse aucune cloison, pas même en verre !

Si plusieurs détecteurs sont placés dans un même lieu, il est intéressant de prendre un modèle de détecteur avec un mécanisme « maître » (ou « master ») et un ou plusieurs avec mécanisme « esclave » (ou « slave »). Un détecteur avec mécanisme « maître » est plus cher, mais les mécanismes « esclave » sont beaucoup moins chers, ce qui rend l’ensemble intéressant économiquement.

Y a-t-il des différences entre détecteurs pour la gestion de l’éclairage et détecteurs pour la gestion de la ventilation ?

Les sondes utilisées dans un but de gestion de l’éclairage ne possèdent pas de temporisation à l’enclenchement/déclenchement. Le détecteur possède une temporisation après le dernier mouvement. Pour certains modèles, cette temporisation est réglable  (de 5 secondes à 5 minutes par exemple). La temporisation peut aller jusqu’à 30′ pour les modèles perfectionnés.

De plus, elles intègrent souvent un détecteur de luminosité : en général, le détecteur comporte un interrupteur crépusculaire dont le seuil de luminosité peut être réglé (de 5 à 1 000 lux par exemple).

En éclairage, il existe deux types de mécanismes :

  • Un mécanisme avec triac qui ne permet de commander que des lampes à incandescence ou halogène 230 V.
  • Un mécanisme avec relais qui permet de commander également des lampes fluorescentes.

Si les sondes destinées à la régulation de la ventilation sont d’un principe identique, elles intègrent par contre des temporisations à l’enclenchement et au déclenchement nécessaires pour éviter des sollicitations trop fréquentes du système de ventilation.

Ces temporisations sont généralement réglables de quelques minutes à une dizaine de minutes.

À noter qu’il existe des bouches de soufflage qui intègrent une sonde de présence directement :

Photo bouches de soufflage avec détecteur.


Emplacement

L’espace couvert par un détecteur détermine l’emplacement des détecteurs.
Les détecteurs doivent être placés de manière à couvrir tout l’espace à détecter.

Exemple.
On souhaite placer des détecteurs de présence pour commander l’éclairage du hall ci-dessous.

Caractéristiques du détecteur :

Interrupteurs automatiques 

  • Angle de détection : 180°
  • Portée latérale : 2 x 6 m
  • Portée frontale : 12 m

Schéma emplacement des détecteurs.

Trois détecteurs seront placés. Ils couvriront l’ensemble du hall.

Le choix de l’emplacement du détecteur a une grande importance sur son bon fonctionnement. Il ne faut pas que le détecteur soit influencé par une source de lumière permanente (dans ce cas, croyant l’éclairage suffisant, il ne commandera pas l’allumage) ou encore par un mouvement en-dehors de la zone commandée (ouverture de porte, …).

On peut souhaiter réaliser un zonage dans un même local. Dans certains cas, ce zonage peut être réalisé uniquement en choisissant bien l’emplacement des détecteurs; dans d’autres cas il faudra placer des « jalousies » sur le détecteur, de manière à ce qu’il ne voit que d’un seul côté.


Schémas de raccordement (en gestion de l’éclairage)

Situation 1 : il n’y a qu’un seul détecteur

Selon le type de mécanisme, le raccordement du détecteur se fait avec 2 ou 3 conducteurs

  • Un mécanisme avec triac (pour lampes à incandescence ou halogènes 230 V) doit être raccordé à la phase, un conducteur sort vers les lampes (= raccordement 2 fils).
  • Un mécanisme avec relais (pour lampes incandescentes, halogènes et fluorescentes) doit être raccordé à la phase et au neutre (ou 2° phase), un conducteur sort vers les lampes (= raccordement 3 fils).

Montage à 2 fils.

Montage à 3 fils.

Application en rénovation lorsqu’on utilise des interrupteurs automatiques :

Lorsqu’on utilise un mécanisme à relais (montage à 3 conducteurs obligatoire pour tubes fluorescents par exemple), et lorsqu’on utilise des interrupteurs automatiques) il faudra vérifier qu’une phase et un neutre (ou 2 phases) arrivent bien à l’interrupteur existant.
En effet, dans certains types de câblage (« câblage par le haut »), un seul fil arrive à l’interrupteur.

Dans ce cas, il faudra tirer un nouveau conducteur entre les lampes et le(s) détecteur(s), ce qui augmente les coûts, surtout lorsque les câbles sont encastrés.

Situation 2 : il y a plusieurs détecteurs

S’il y a plusieurs points de détection dans un même lieu, on monte les détecteurs en parallèle, ou encore on monte un détecteur avec mécanisme « maître » et un (ou plusieurs) détecteur(s) avec mécanisme « esclave » :

Détecteurs en parallèle

Montage à 2 fils.

Montage à 3 fils.

En plus de la phase (et éventuellement du neutre ou d’une deuxième phase) qui arrive au détecteur, on doit disposer d’un conducteur entre les détecteurs.

Application en rénovation lorsqu’on utilise des interrupteurs :

Si l’installation existante comporte des interrupteurs à deux directions, utilisés lorsque deux interrupteurs commandent les mêmes lampes, on dispose déjà de ce câble dans l’installation existante (câble à 3 conducteurs). Si l’installation comporte des interrupteurs-inverseurs, utilisés en plus des interrupteurs à deux directions lorsque plus de deux interrupteurs commandent les mêmes lampes, on dispose également de ce câble.
Par contre, si dans l’ancienne installation, les luminaires sont commandés par un seul interrupteur il faudra tirer ce conducteur entre les détecteurs ; ce qui engendre un surcoût.

Prescriptions relatives à l’éclairage en milieu hospitalier

Prescriptions relatives à l'éclairage en milieu hospitalier


Principe

Il est utile de pouvoir connaître les niveaux d’éclairement recommandé suivant l’ergonomie de travail (le confort de la tâche de travail).

Dans la norme NBN EN 12464-1, on établit une nomenclature dans laquelle on retrouve pour différents locaux des bâtiments du tertiaire, entre autres, les paramètres suivants:

La norme n’englobe pas tous les locaux repris dans l’hôpital. Pour cette raison, on effectuera une corrélation entre la norme EN 12646-1 et les recommandations de l’AFE (Association Française de l’Éclairage) dans les institutions de soins de santé.

Salle à usage général

Type d’intérieur, tâche ou activité Em (lux) UGR Uo Ra Plans de référence
Salle d’attente 200 22 0,40 80 Au niveau du sol.
Couloir : pendant le jour 100 22 0,40 80 Au niveau du sol.
Couloir : pendant la nuit 50 22 0,40 80 Au niveau du sol.
Salle de jour 200 22 0,60 80 Au niveau du sol.

Salle réservée au personnel

Type d’intérieur, tâche ou activité Em (lux) UGR Uo Ra Plan de référence

 

Bureau du personnel 500 19 0,60 80 0.7 m du sol.
Salle de détente 300 19 0,60 80 0.85 m du sol par défaut.

Chambres de malade, de maternité

Type d’intérieur, tâche ou activité Em (lux) UGR Uo Ra Plan de référence
Éclairage général 100 19 0,40 80 Au niveau du sol.
Éclairage de lecture 300 19 0,70 80 Au niveau du livre.
Examens simples 300 19 0,60 80 Au niveau du lit.
Examens et traitements 1 000 19 0,70 80 Au niveau du lit.
Éclairage de nuit 5 80 Au niveau du sol ou de la tête du patient suivant l’importance de la surveillance.
Salles de bains, toilettes pour les patients 200 22 0,40 80 Au niveau du lavabo et WC.

Salle d’examens (général)

Type d’intérieur, tâche ou activité

 

Em (lux) UGR Uo Ra Remarques Plan de référence
Éclairage général 500 19 0,60 90 4000 K ≤ TCP ≤ 5000 K 0.85 m du sol par défaut.
Examen et traitement 1 000 19 0,70 90 0.85 m du sol par défaut.

Salle d’examen des yeux

Type d’intérieur, tâche ou activité Em (lux) UGR Uo Ra Remarques Plan de référence
Éclairage général 500 19 0,60 90 4000 K ≤ TCP ≤ 5000 K 0.85 m du sol par défaut.
Examen de l’extérieur des yeux 1 000 90 A hauteur des yeux.
Test de lecture et de vision des couleurs sur panneaux 500 16 0,70 90 Au niveau d’un plan vertical de lecture.

Salle d’examen des oreilles

Type d’intérieur, tâche ou activité Em (lux) UGR Uo Ra

Plan de référence

Éclairage général

500 19 0,60 90 0.85 m du sol par défaut.
Examen des oreilles 1 000 90 Au niveau de la tête du patient.

Salle d’examen au scanner, IRM

Type d’intérieur, tâche ou activité

Em (lux) UGR Uo Ra

Plan de référence

Éclairage général 300 19 0,60 80 0.85 m du sol par défaut.
Scanners avec agrandissement de l’image et systèmes de télévision 50 19 80 Au niveau du patient.

Salle d’accouchement

Type d’intérieur, tâche ou activité

Em (lux) UGR Uo Ra
Plan de référence

Éclairage général

300 19 0,60 80

0.85 m du sol par défaut.

Examen et traitement

1 000 19 0,70 80
Au niveau du bassin de la patiente.

Salle de traitement (général)

Type d’intérieur, tâche ou activité
Em (lux) UGR Uo Ra

Plan de référence

Dialyse

500 19 0,60 80

Au niveau de la zone à traiter.

Dermatologie
500 19 0,60 90

Salle d’endoscopie

300 19 0,60 80
Salle de pose des plâtres 500 19 0,60 80
Bain médicaux
300 19 0,60 80
Massage et radiothérapie 300 19 0,60 80

Salle d’opération

Type d’intérieur, tâche ou activité Em (lux) UGR Uo Ra Plan de référence
Salle de préparation et de réveil 500 19 0,60 90 0.85 m par défaut.
Salle d’opération 1 000 19 0,60 90 0.85 m par défaut.
Champ opératoire 10 000 à 100 000 Champ opératoire.

Unités de soins intensifs

Type d’intérieur, tâche ou activité Em (lux) UGR Uo Ra

Plan de référence

Éclairage général 100 19 0,60 90 Au niveau du sol.
Examens simple 300 19 0,60 90 Au niveau du lit.
Examens et traitement 1 000 19 0,70 90 Au niveau du lit.
Surveillance de nuit 20 19 90 Au niveau de la tête du patient.

Cabinets dentaires

Type d’intérieur, tâche ou activité Em (lux) UGR Uo Ra

Remarques

Plan de référence

Éclairage général 500 19 0,60 90 Éclairage non éblouissant pour le patient. 0.85 m au niveau du sol.
Sur le patient 1 000 0,70 90
Cavité opératoire Exigences spécifiques décrites dans la norme EN ISO 9680
Appariement à la couleur des dents Exigences spécifiques décrites dans la norme EN ISO 9680

Laboratoires et pharmacies

Type d’intérieur, tâche ou activité Em (lux) UGR Uo Ra  

Remarques

 

Plan de référence
Éclairage général 500 19 0,60 80
Contrôle des couleurs 1 000 19 0,70 90 6000 K ≤ Tcp ≤ 6500 K. 0.85 m par défaut.

Stérilisation

Type d’intérieur, tâche ou activité Em (lux) UGR Uo Ra Plan de référence
Salle de stérilisation 300 22 0,60 80 0.85 m par défaut.
Salle de décontamination 300 22 0,60 80

Salles d’autopsie et morgues

Type d’intérieur, tâche ou activité

Em (lux) UGR Uo Ra Remarques Plan de référence
Éclairage général 500 19 0,60 90 0.85 m par défaut.
Table d’autopsie et de dissection 5 000 90 Des valeurs > 5 000 lux peuvent être nécessaires. Au niveau de la table.

Ventilation naturelle

© Architecture et climat 2023.

  1. Amenée d’air naturel
  2. Grille de transfert
  3. Evacuation naturelle

Principe

Dans la ventilation naturelle, ou système A, suivant la norme NBN D50-001, aucun ventilateur n’intervient. L’air se déplace grâce aux différences de pression dues au vent qui existent entre les façades du bâtiment et grâce à la différence de masse volumique en fonction de sa température, c’est le tirage thermique ou l’effet cheminée. La circulation de l’air est donc totalement naturelle !

L’air peut pénétrer dans un bâtiment au travers des inétanchéités. On ne peut considérer à proprement parler ce phénomène comme de la ventilation. En effet, les débits d’air résultants sont tout à fait incontrôlables en fonction du vent, des ouvertures parasites… On parle dans ce cas d’infiltrations.

Des amenées d’air (grilles réglables, vasistas) doivent être disposées en façade pour les locaux dits « propres » (bureaux, séjours, …). Des ouvertures de transfert (détalonnage des portes ou grilles) permettent le passage de l’air vers les locaux dits « humides » ou « viciés » (sanitaires, cuisine, …). Dans ces derniers, l’air est évacué grâce à des conduits verticaux débouchant en toiture.

© Architecture et climat 2023.

  1. Air neuf
  2. Air vicié

Avantages

La ventilation entièrement naturelle ne demande aucune consommation électrique, le moteur du déplacement d’air étant la pression du vent et les différences de température. Elle est en ce sens économique et réduit l’impact du bâtiment sur l’environnement.

En outre, les éléments de ventilation naturelle demandent généralement très peu d’entretien et ne comprennent pas de ventilateurs bruyants.


Inconvénients

Cette apparente économie d’énergie doit être mise en balance avec la garantie de performance que l’on peut obtenir avec un tel mode de ventilation. En effet, la ventilation naturelle étant liée aux phénomènes naturels de mouvement de l’air, la qualité de l’air risque de ne pas être garantie dans tous les locaux. Le renouvellement d’air peut être fortement perturbé par le vent, par l’ouverture de fenêtres… Les débits d’air recommandés par les normes sont ainsi difficilement atteignables sur la durée et la ventilation naturelle n’est jamais privilégiée lors d’une nouvelle construction.

Pour garantir un bon fonctionnement d’une évacuation naturelle, celle-ci doit consister en un conduit vertical débouchant correctement en toiture. Si cette condition, parfois difficile à mettre en œuvre, ne peut être remplie, l’évacuation naturelle doit être abandonnée.

Comme pour la ventilation simple flux (extraction mécanique) :

  • L’air neuf n’est pas filtré et les grilles d’amenée d’air peuvent laisser filtrer les bruits extérieurs, ce qui peut être délicat en site urbain ou fortement pollué.
  • Les grilles d’ouvertures peuvent engendrer un inconfort, par exemple en plein hiver, sauf si la grille d’ouverture est placée à une hauteur supérieure à 1,80 m par rapport au sol.

  • Les ouvertures entre locaux, favorisent le passage de bruits pouvant être très gênants. Un traitement acoustique des grilles doit alors être prévu. Mais en pratique, la présence d’absorbeur acoustique dans une ouverture augmente son épaisseur et sous-entend généralement que la grille doit être placée dans l’épaisseur du mur (et non dans le vitrage ou dans la porte).
  • Enfin, les ouvertures dans les façades ne sont pas toujours du goût des architectes !

Régulation

Il est plus qu’utile d’adapter le fonctionnement de la ventilation en fonction des besoins (en période d’occupation, la nuit, week-end). Il existe plusieurs possibilités de réguler la ventilation naturelle : bouches réglables, grilles hygroréglables, grilles commandées électriquement, bras mécaniques pour l’ouverture des fenêtres… par exemple en fonction d’un horaire ou d’une sonde CO2.

Une ventilation naturelle par ouverture manuelle des fenêtres est également fortement conditionnée par le comportement des occupants et leur conscience du niveau de pollution du local. Il peut donc être utile d’utiliser un appareil avertisseur basé sur la concentration en CO2 par exemple pour conscientiser l’usager sur la qualité de son air.

Guide à la gestion énergétique des bâtiments

Guide à la gestion énergétique des bâtiments

Attention, cet article a été publié en 2007 et mis à jour en 2010. Il se peut que certaines données soient obsolètes.

Les améliorations énergétiques de l’Exploitation sont reprises dans les différents chapitres Améliorer de la partie « les Techniques » d’Énergie+.

Toutefois, à l’initiative de l’IBGE (Institut Bruxellois de la Gestion de l’Environnement  ouverture d'une nouvelle fenêtre ! https://environnement.brussels/), voici 1 outil complémentaire sous forme de fiches pratiques à imprimer et utiliser par le technicien sur le terrain :

Plus récemment (2010), un cahier des charges d’exploitation énergétique des installations HVAC a été édité :
Exploitation énergétique des installations (PDF)

Isolation par panneaux rigides au-dessus des chevrons ou des fermettes (Toiture « Sarking »)

Isolation par panneaux rigides au-dessus des chevrons ou des fermettes (Toiture "Sarking")

Isolation au-dessus des chevrons ou des fermettes.

  1. couverture
  2. contre-lattes
  3. lattes
  4. sous-toiture
  5. isolant
  6. pare-vapeur
  7. chevrons ou fermettes
  8. pannes

La toiture « SARKING »

Le système sarking est un procédé d’isolation thermique des toitures inclinées caractérisé par la pose de panneaux isolants rigides au-dessus des chevrons ou des fermettes.

La toiture sarking vu de l’intérieur.

Les panneaux sont généralement en mousse synthétique ou en verre cellulaire, plus rarement en laine de roche rigide incompressible.

Les joints entre panneaux isolants étant rendus étanches à l’air, les panneaux isolants assument, à eux seuls, 3 fonctions de la toiture :

Lorsque les joints entre les panneaux isolants ne sont pas rendus étanches, une sous-toiture souple capillaire permettant la diffusion de vapeur est posée sur l’isolant.

Un écran rigide, sorte de plancher incliné dans le plan de la couverture, peut être éventuellement placé directement sur les chevrons ou fermettes, sous les panneaux isolants. Il peut alors servir de finition intérieure, de sécurité incendie. En outre il facilite grandement la pose d’un éventuel pare-vapeur pour lequel il sert de support.

Il est constitué, par exemple, de :

  • panneaux multiplex ou de bois aggloméré,
  • voliges rainurées bouvetées ou non,
  • plaques de fibre-ciment.

La mise en œuvre de verre cellulaire ou de laine de roche rigide incompressible, impose ce support rigide.

Isolant supporté par une plaque rigide.

  1. Couverture.
  2. Lattes.
  3. Contre-lattes.
  4. Isolant.
  5. Plaque de support.
  6. Chevrons ou fermettes.
  7. Pannes.

En l’absence de plancher, la finition intérieure est réalisée sous les chevrons, en plaques de plâtre, par exemple.

La finition intérieure, qu’elle soit constituée du support ou d’une autre finition, doit être en matériau isolant au feu de manière à retarder la transmission de flammes vers les isolants en mousses synthétiques (PUR, PIR, XPS, EPS) qui sont combustibles.

Les contre-lattes sont clouées dans les chevrons ou les fermettes au travers de l’isolant.


Conseils de mise en œuvre

Les panneaux isolants rigides de mousse synthétique (XPS, EPS) de la toiture « Sarking » sont placés parallèlement à l’horizontale.

Les joints verticaux des panneaux se retrouvent de préférence au-dessus et à l’axe du support (chevron ou fermette).

Bâtiments de classe de climat intérieur I, II ou III

Dans les bâtiments de classe de climat intérieurI, II ou III, la fonction d’étanchéité à l’air et à la vapeur est assurée par le panneau isolant lui-même à condition d’avoir des joints et des raccords étanches.
L’étanchéité à l’air et à la vapeur des joints et des raccords peut être obtenue :

  • par la mise en place de bandes de mousse souple d’épaisseur suffisante à l’intérieur des joints, ou
  • par des cordons de mastic élastique compatible à la jonction des panneaux, ou encore
  • par des bandes auto-collantes disposées sur les joints.

La fonction « sous-toiture » peut être assurée par le panneau isolant à condition de rendre étanche à l’eau la face supérieure de tous les joints entre panneaux et des raccords. Dans ce cas, une bavette collée sur la dernière rangée de panneaux ou engagée dans l’épaisseur de cette dernière, doit assurer l’évacuation des infiltrations d’eau éventuelles.

  1. Panne sablière.
  2. Chevron ou fermette.
  3. Planche de rive.
  4. Cale de bois.
  5. Panneaux isolants.
  6. Isolant entre chevrons ou fermette.
  7. Sous-toiture éventuelle.
  8. Contre-latte.
  9. Lattes.
  10. Latte plâtrière.
  11. Couverture.
  12. Gouttière.
  13. Bavette indépendante.
  14. Peigne.
  15. Finition intérieure.

Une autre solution consiste à poser sur les panneaux isolants ou à intégrer à ceux-ci, lors de leur fabrication, une sous-toiture sous forme de membrane ou de plaques rigides imperméables à l’eau mais très perméables à la vapeur. La sous-toiture souple est posée sur l’isolant avec recouvrement des joints longitudinaux et transversaux. La sous-toiture rigide est posée sur l’isolant avec recouvrement des joints longitudinaux. La jonction verticale se fait bord à bord, dans l’axe des chevrons ou fermettes. Le joint vertical est comprimé par la contre-latte fixée au chevron ou à la fermette à travers l’isolant. Les joints verticaux de l’isolant et de la sous-toiture rigide ne peuvent pas se superposer. La sous-toiture doit être prolongée dans le bas du versant jusqu’à la gouttière ou au-delà de la façade pour assurer l’évacuation des infiltrations d’eau éventuelles.

Exemple, système proposé par un fabricant.

Joint horizontal entre deux panneaux

  1. chevron ou fermette
  2. crochet de mise en place cloué au chevron
  3. panneau isolant
  4. bande de mousse souple adhésive
  5. latte de mise en place
  6. deuxième rangée de panneaux isolants à glisser contre la première rangée
  7. couche de revêtement avec rebord (200 mm) (= sous-toiture)

Joint vertical entre deux panneaux

  1. chevron ou fermette
  2. bande adhésive
  3. panneau isolant avec sous-toiture souple intégrée
  4. contre-latte

Les joints verticaux sont alignés au-dessus et à l’axe du chevron. De cette façon, l’étanchéité à l’air est assurée par la contre-latte. Une étanchéité à l’air supplémentaire peut être obtenue en plaçant une bande adhésive souple sur le support avant la mise en place des panneaux et en appliquant une même bande sur la face supérieure des joints avant la pose des contre-lattes.

Autre exemple, système proposé par un autre fabricant : 

Panneau rainuré et languetté sur le pourtour + profil le rendant étanche à l’air et à la vapeur d’eau. En outre, la face supérieure est pourvue d’une membrane de sous-toiture étanche à l’eau qui chevauche le panneau de part et d’autre.

On trouve sur le marché des panneaux de polystyrène expansé à rainures et languettes dont le fabricant propose simplement, pour réaliser l’étanchéité entre panneaux, la pose par-dessus le panneau isolant, d’une membrane étanche à l’eau de pluie et perméable à la vapeur, sans étanchéité à l’air et à la vapeur supplémentaire à la face inférieure des panneaux.

Les tenons des plaques doivent toujours être orientés vers le haut.

Ce système est moins exigeant au niveau hygrothermique que l’ensemble des précautions énoncées ci-dessus et extraites de l’article « Dossier : la toiture SARKING », paru dans le magasine « Roof Belgium » de septembre 1998, écrit sur base d’un document technique du CSTC exposant les aspects principaux de la toiture Sarking. Néanmoins, ce système, pour autant qu’il soit pourvu d’un plancher ou d’une finition intérieure étanche à l’air sous les chevrons, est conforme aux recommandations du CSTC concernant le choix du pare-vapeur, puisque ces recommandations n’exigent pas de pare-vapeur dans le cas d’une sous-toiture capillaire et perméable à la vapeur d’eau.

Bâtiments de classe de climat intérieur IV

Dans les bâtiments de classe de climat intérieur IV, les recommandations ci-dessus concernant la fonction « sous-toiture » restent valables, tandis que la fonction d’étanchéité à la vapeur d’eau nécessite la pose d’un pare-vapeur continu. La mise en place de celui-ci sera facilitée par la présence, sous les panneaux isolants, d’un « plancher » sur lequel il sera posé.

Remarque générale.

Pour une construction sûre en matière d’incendie, on doit prévoir une finition intérieure en carton-plâtre ou en tout autre matériau résistant au feu. Celle-ci permet de retarder la transmission de flammes vers les mousses synthétiques (PUR, PIR, XPS, EPS) qui sont combustibles.

Placer des amenées d’air de ventilation

Placer des amenées d'air de ventilation


Si les châssis doivent être remplacés, on profitera de l’occasion pour placer des grilles de ventilation.

Celles-ci peuvent se trouver :

  • soit, dans la menuiserie même,
  • soit, entre le vitrage et le profilé de menuiserie,
  • soit entre les profilés de menuiserie,
  • soit, entre la menuiserie et la maçonnerie.

Photo grilles châssis - 01.   Photo grilles châssis - 02.   Photo grilles châssis - 03.

Grille verticale intégrée dans la menuiserie, entre le vitrage et la menuiserie et au-dessus du châssis, contre la battée.

Si l’on ne prévoit pas de remplacer les châssis, des grilles de ventilation doivent être placées dans la maçonnerie.

Grilles réglables à insérer dans la maçonnerie.

La maçonnerie est percée, la grille placée en donnant une légère pente vers l’extérieur et enfin on réalise un bon joint d’étanchéité entre maçonnerie et grille.

Il faudra penser à respecter l’Annexe C3 de la PEB. Les bouches d’alimentation d’air de ventilation pour les systèmes de ventilation naturelle ou les systèmes de ventilation mécaniques simple flux par extraction doivent être dotées d’un réglage manuel ou automatique. Elles doivent pouvoir être réglées en suffisamment de positions intermédiaires entre les positions « fermées » et « complètement ouverte ». Ce réglage peut se faire soit en continu, soit via au moins 3 positions intermédiaires.

Les bouches d’évacuation pour systèmes de ventilation naturelle ou système de ventilation mécanique simple flux par insufflation doivent répondre aux mêmes exigences.

Amélioration de la production d’eau chaude sanitaire au centre de Hemptinne

Amélioration de la production d'eau chaude sanitaire au centre de Hemptinne

© Yves Goethals.


Impossible d’assurer les bains en hiver !

Créé en 1974 sous l’impulsion de l’Association Nationale d’Aide aux Handicapés Mentaux, le centre de Hemptinne héberge 54 personnes adultes atteintes de déficience mentale.

Son objectif est de construire avec ces personnes un monde adapté à leurs capacités, leurs besoins et leurs envies. Il doit allier sécurité et réalisation de soi par le biais d’activités rurales, physiques et créatives.

Le centre, situé à Jauche au milieu des bois et des champs, est installé dans les bâtiments d’un ancien sanatorium datant des années 30. Celui-ci est en cours de rénovation et d’adaptation aux spécificités de sa population. En particulier, les pensionnaires y vieillissent.

Pour répondre à cette problématique, plusieurs projets sont en chantier : aménagement des salles de bain, adaptation des activités, construction d’ateliers d’occupation et de loisir, rue intérieure, …

Actuellement, le centre comprend 6 salles de bains avec 2 baignoires. Chaque matin et chaque soir, ce sont ainsi 54 bains qui sont donnés. Malheureusement, depuis de nombreuses années, les problèmes apparaissent avec l’hiver : par grand froid, seuls 12 bains peuvent être remplis avec une température d’eau convenable. À partir du 13ème remplissage, la température de l’eau chute rapidement.

L’ancien sanatorium dans les années 30.

Le centre de Hemptinne aujourd’hui.

Avant de devenir le responsable technique du centre, Mr Jallet y était éducateur. Il connaît donc parfaitement les difficultés qu’engendre cette situation. L’inconfort est évidemment intolérable pour les résidents et leur encadrement en est d’autant plus difficile.

C’est pourquoi, sous l’impulsion de son directeur, Mr Asselbourg, il se met un point d’honneur à corriger le plus rapidement possible la situation.


Trois offres différentes

L’eau chaude est produite par deux échangeurs instantanés, combinés à l’installation de chauffage. Au moment des bains, les chaudières ne peuvent pas être dédiées uniquement à la production d’eau chaude. En effet, cette période de plus d’une heure est trop longue et une coupure de chauffage serait trop inconfortable. Chauffage et eau chaude doivent donc pouvoir coexister.

Deux chaudières de 406 kW chacune.

Deux échangeurs sanitaires de 328 kW chacun.

Installation de production combinée de chauffage et d’eau chaude sanitaire

Dans un premier temps, Mr Jallet demande à trois installateurs de lui remettre une offre pour la rénovation de la production d’eau chaude sanitaire. Les réponses reçues l’interpellent.

En effet, les trois demandes débouchent sur trois solutions différentes. Le premier installateur estime que la puissance des chaudières est insuffisante pour chauffer simultanément les bâtiments et l’eau chaude. Il propose donc d’installer une nouvelle chaudière de 575 kW et de la coupler aux deux anciennes. Le deuxième installateur suit un raisonnement semblable mais préfère découpler le chauffage de la production d’eau chaude en installant des nouvelles chaudières indépendantes dédiées uniquement aux échangeurs sanitaires. Enfin, la troisième société décide, elle, de compléter les échangeurs par quatre ballons tampon de 500 litres chacun. Ceux-ci auraient une capacité suffisante pour subvenir aux besoins de pointe et se réchaufferaient lentement entre les périodes de bains.

Face à ces propositions, Mr Jallet s’interroge. Tout d’abord, pourquoi trois solutions différentes ?

Ceci signifie-t-il que le problème est plus complexe qu’il n’en a l’air ? Les installateurs ont-ils pris le temps de l’examiner avec précision ? De plus, les investissements préconisés sont importants. Dans ces conditions, comment faire son choix ? Quelle garantie de résultat a-t-on ?


Comprendre avant d’agir

La réflexion de Mr Jallet se précise : en 1979, l’installation de chauffage avait été conçue par un bureau d’études. Celui-ci disposait de tout les éléments de dimensionnement et a sûrement pris des coefficients de sécurité importants. C’était la coutume à l’époque. Alors, tout compte fait, l’installation comprend peut-être tous les éléments nécessaires à un fonctionnement correct. Un simple réglage ou le remplacement d’un équipement défectueux suffisent peut-être simplement pour obtenir le confort recherché. Ceci serait sûrement nettement moins coûteux.

Avec l’aide de l’Institut de Conseils et d’Études en Développement Durable, les responsables du centre décident alors de prendre le temps d’analyser plus en profondeur et surtout de façon « neutre » le comportement de leur installation. Ils pourront décider en connaissance de cause.

Schéma technique.

En tout premier lieu, il faut observer les circonstances exactes d’apparition des problèmes : où et quand apparaît l’inconfort ? Voici 3 questions qui peuvent orienter les débats :

Les problèmes sont-ils récents ou ont-ils toujours existés ?

S’ils ont toujours existé, c’est la conception de l’installation qui est en cause (dimensionnement des équipements, mauvais dessin de l’installation, …). S’ils sont récents, il faut repérer les circonstances d’apparition des plaintes. Par exemple, le repiquage d’un nouveau circuit sur l’installation existante peut perturber le fonctionnement hydraulique de celle-ci, des travaux sur l’installation peuvent provoquer un transfert de sédiments et bloquer des éléments, un échangeur peut s’entartrer progressivement, un circulateur tomber en panne,…

Les problèmes sont-ils saisonniers ?

S’ils n’apparaissent qu’en hiver, c’est que la collaboration avec le chauffage se passe mal.

S’ils apparaissent aussi en été, ce sera plutôt l’appareil de production d’eau chaude seul qui sera mis en cause. Par exemple, la puissance de l’échangeur est peut-être insuffisante.

Y-a-t-il des problèmes pour tous les utilisateurs ?

Si seuls les utilisateurs les plus éloignés de la production sont concernés, c’est du côté de la distribution d’eau chaude qu’il faut chercher. Si par contre, tous les points de puisage sont touchés, c’est la production qui devrait être suspectée.

Dans le cas présent, le manque d’eau chaude survient pour tous les utilisateurs lorsque les demandes d’eau sanitaire et de chauffage sont maximales, c’est-à-dire, en plein hiver, au moment des bains.

Dans ce cas, en quoi le chauffage peut-il influencer la production d’eau chaude ?

Premièrement, une puissance insuffisante des chaudières ne permettra pas aux échangeurs d’être alimentés à la bonne température. C’est la cause directement retenue par les installateurs consultés.

Un deuxième phénomène peut cependant intervenir. En plein hiver, les vannes (mélangeuses, thermostatiques, …) sont pour la plupart ouvertes en grand. La demande en débit des circuits de chauffage est donc maximum. Si leurs circulateurs ont été surdimensionnés, les débits appelés risquent d’être trop importants. Les échangeurs sanitaires sont alors privés d’un débit suffisant.


Vérification des puissances installées

Pour vérifier la puissance des chaudières, il faut connaître les besoins en chauffage et en eau chaude sanitaire. On peut estimer les besoins en eau chaude sanitaire par un relevé des puisages effectués durant les heures de pointe.

Les estimations ont été confirmées par le placement d’un compteur d’eau sur l’alimentation de chaque échangeur. Les relevés des compteurs ont indiqué un puisage de pointe en 10 minutes de 727 l d’eau à 60°C.

Estimation des puisages maximum simultanés

Utilisation Besoins en eau à 60°C
12 baignoires 12 x 60 l/10 min.
5 lave-linge 5 x 10 l/10 min.
12 éviers SDB 12 x 4 l/10 min.
6 bacs cuisine 6 x 12 l/10 min.

Total

890 l à 60°C puisée en 10 min.

Les compteurs d’eau sont indispensables pour connaître précisément les besoins en eau chaude et donc pour dimensionner correctement les installations de production. Par la suite, ils permettent de suivre les consommations d’eau chaude et donc de détecter des fuites éventuelles, des dérives ou encore l’impact de points de puisage économiques.

Les besoins maximaux en chauffage ont été estimés grâce à un calcul des déperditions thermiques des bâtiments.

Puissances estimées
Besoins en eau chaude 2 x 155 kW
Besoins en chauffage 500 kW

Total

810 kW

Puissances réelles

Puissance nominale chaudières 812 kW
Puissance nominale échangeurs 2 x 328 kW

On constate deux choses. Premièrement, les échangeurs installés sont surpuissants. Ensuite la puissance des chaudières est théoriquement suffisante pour répondre à la demande. « Théoriquement » parce que, comme on le découvrira un peu par hasard ensuite, elles ne fonctionnent pas dans leurs conditions nominales.

De plus, on peut observer que par les plus grands froids, les chaudières ont du mal à maintenir leur température de consigne en période de bains. En première approche, on peut cependant supposer que le léger manque de puissance des chaudières n’est pas la cause principale de l’inconfort.


Interférence entre les circuits

Si la production de chaleur n’est pas en cause, il faut se tourner vers la distribution. En hiver, les échangeurs sont-ils alimentés à leur débit nominal ?

Il est possible de mesurer le débit d’un circulateur avec un simple manomètre. On peut dès lors comparer les mesures aux besoins estimés tant en chauffage que pour les échangeurs.

Mesure du débit des circulateurs grâce à un manomètre.

Les résultats obtenus sont significatifs. Lorsque l’on force les vannes mélangeuses des circuits de chauffage à s’ouvrir en grand (simulation du plein hiver), le débit dans les échangeurs d’eau chaud sanitaire chute en dessous du débit minimum nécessaire. Ceci signifie que les circulateurs « chauffage » sont surdimensionnés et qu’à l’ouverture des vannes, ils « court-circuitent » une partie du débit dédié aux échangeurs sanitaires. On retrouve d’ailleurs un indice de ce surdimensionnement à l’intérieur des locaux où la vitesse excessive de l’eau se fait entendre dans les radiateurs.

Le surdimensionnement des circulateurs est chose courante. Tout d’abord parce que lors de la conception, les bureaux d’études appliquent un certain nombre de coefficients de sécurité. Par la suite, au cours de la vie de l’installation, un circulateur défectueux est remplacé au mieux par un circulateur identique, au pire par le circulateur que l’on possède en réserve et qui a des caractéristiques suffisantes par rapport à l’ancien modèle. De fils en aiguilles, les caractéristiques des circulateurs originaux sont oubliées et l’installation ne correspond plus aux calculs de dimensionnement.

La plupart des circulateurs actuels possèdent un réglage de vitesse (de 1 à 3 ou 4 vitesses). La tendance naturelle veut, comme c’était le cas au Centre de Hemptinne, que tous les circulateurs soient réglés sur leur vitesse maximum. Ceci nous laisse cependant une possibilité d’amélioration. Par mesure de débit, on constate en effet qu’il est possible d’assurer le chauffage avec les circulateurs réglés en vitesse 2, ce qui a pour conséquence d’augmenter les débits dans les échangeurs sanitaires.

Mesure des débits pour le circuit 1
Vitesse du circulateur chauffage
[Tours/min]
Débit circuit chauffage
[m³/h]

Débit échangeur ECS
[m³/h]

1 410 15 7
1 140 14 11
680 8,5 11

Besoins calculés

12 9

Un échangeur encrassé !

Cependant, malgré un débit primaire maintenant suffisant, les échangeurs ne donnent pas entière satisfaction. La température de consigne de l’eau chaude (55°C) ne peut être atteinte. Tout au plus délivre-t-on une eau à 45°C. En fait l’échange de chaleur au sein de l’échangeur sanitaire se fait très mal. L’eau en provenance de la chaudière retourne pratiquement aussi chaude qu’elle n’est arrivée.

L’échange de chaleur peut être freiné soit par un entartrage du côté secondaire, soit par un embouage du côté primaire. On penche pour la première solution. En effet, les échangeurs ne sont détartrés que manuellement une fois par an par le service technique du Centre. Celui-ci est conscient que le travail ne peut être correctement réalisé (pas de mise sous pression, pas de dosage correct des réactifs, …). Cependant puisqu’en été, la quantité d’eau chaude délivrée est suffisante, ce problème avait été considéré comme secondaire.


Perte de puissance des chaudières

Entre-temps,le brûleur d’une des deux chaudières a rendu l’âme. Lors du démontage et de l’entretien, on remarqua que certains tubes de fumées des chaudières étaient pratiquement bouchés par des agglomérats de suies et d’acier corrodé. Il apparut clairement alors que les chaudières dont on avait jugé la puissance théoriquement suffisante, ne pouvaient plus délivrer leur puissance nominale.

Un des deux brûleurs modulants rend l’âme.


Trois améliorations

On voit que la solution au problème posé n’est pas unique. C’est à une combinaison de trois éléments que l’on a affaire :

  • manque de débit dans les échangeurs sanitaires,
  • entartrage de ces échangeurs,
  • manque de puissance des chaudières par corrosion.

Il n’est dès lors même pas certain que les trois premières propositions d’amélioration remises par les installateurs auraient, toutes, donné satisfaction. Rajouter une chaudière dans la cascade sans jouer sur l’hydraulique n’aurait en tout cas servi à rien. Les investissements à consentir pour mettre en ordre l’installation sont, en outre, nettement moindres que ce qui avait d’abord été prévu.

Pour rétablir le confort, il faut donc agir sur trois fronts.

> Tout d’abord, diminuer la vitesse des circulateurs « chauffage ». Ceci n’est possible que sur un des deux circulateurs, le deuxième ne possédant pas de sélecteur de vitesse. Des mesures effectuées sur le premier circulateur ont montré que le passage de la vitesse maximum à la vitesse intermédiaire serait suffisant pour garantir le débit nominal dans l’échangeur. L’autre circulateur doit être remplacé. Il fut, malgré tout, décidé de remplacer les deux circulateurs par des circulateurs à vitesse variable. Ceux-ci ont deux avantages : un réglage précis du débit maximum et une variation automatique de la vitesse en fonction de la demande de chaleur.

Il en résulte une économie d’énergie électrique et une diminution du sifflement des vannes thermostatiques lorsque beaucoup d’entre elles se ferment.

Nouveau circulateur à vitesse variable.

> Un des deux échangeurs fut détartré en usine par le fabricant. Cette opération fut réalisée en moins d’une journée. L’échangeur fut enlevé après les bains du matin et replacé avant la toilette du soir. Le fabricant n’a pas garanti la résistance mécanique du deuxième échangeur. Celui-ci fut donc immédiatement remplacé par un nouvel échangeur à plaques.

Nouvel échangeur à plaque.

> Enfin, le brûleur défectueux fut remplacé par un nouveau brûleur à deux allures. Celui-ci fut choisi pour pouvoir être adapté, dans le futur, à une chaudière légèrement plus puissante. Dans les deux chaudières, les tubes de fumée bouchés furent nettoyés et les pièces abîmées (spirales) furent remplacées.

Comparaison des solutions proposées
 Premières propositions Coût (€)
Une chaudière en plus dans la cascade 30,625 €
Chaudières dissociées pour l’eau chaude 14,390 €
Quatre ballons complémentaires 19,307 €
 Solutions retenues
Deux circulateurs à vitesse variable 1,218 €
Un détartrage* 691 €
Un nouvel échangeur* 4,417 €
Deux compteurs d’eau* 896 €
Nettoyage et réparation des chaudières* 1,774 €
Nouveau brûleur* (3 629 €)
Un manomètre 63 €
 Total sans brûleur 9,059 €

*Les investissements réalisés peuvent aussi être considérés comme de l’entretien ou faisant partie de la gestion courante de l’installation. Par exemple, le brûleur devait être remplacé, les échangeurs devaient de toute façon être détartrés, les compteurs d’eau serviront au suivi des consommations,…


Conclusion : développer une vision globale de l’installation

« Il fait trop froid, il faut augmenter la puissance, des chaudières, des circulateurs, des radiateurs, … ! »

Ce raisonnement réducteur est très courant. Il conduit à des sur-investissements qui, la plupart du temps ne donnent pas satisfaction ou pire, aggravent la situation.

Il est extrêmement rare de rencontrer des installations sous-dimensionnées. Par exemple, une enquête suisse a montré que le débit des circulateurs est en moyenne 2,5 fois trop élevé ! Et que dire des chaudières ! Un raisonnement semblable peut donc être tenu pour les autres éléments de l’installation.

Pour établir des priorités d’intervention, il faut prendre le temps d’examiner de façon globale l’ensemble de l’installation, de la production à l’émission en passant par la distribution et la régulation. Il faut aussi aiguiller les recherches en repérant les circonstances d’apparition des plaintes : où et quand se plaint-on ?

On en arrive alors souvent à détecter un dysfonctionnement hydraulique : déséquilibre de l’installation, interférence entre les circuits. Une partie du réseau présentant moins de résistance court-circuite une partie importante du débit au détriment d’autres.

Un autre aspect que l’on néglige aussi est d’agir par la diminution des besoins. Plutôt que d’essayer d’augmenter la puissance des installations, pourquoi n’essayerait-on pas de diminuer les besoins ? C’est ce qui sera réalisé prochainement au Centre de Hemptinne. Dans le cadre de la rénovation des salles de bain, les baignoires seront en partie remplacées par des douches. Celles-ci consomment au minimum deux fois moins d’eau chaude.

Pour conclure, prenons un autre exemple, celui du Foyer International des Étudiants à Liège.

Dans ce centre d’hébergement, les locataires se plaignaient aussi d’un manque d’eau chaude sanitaire. Les responsables de l’institution ont dès lors envisagé de placer des ballons supplémentaires.

Un élément leur a cependant sauté aux yeux : la consommation d’eau importante de l’institution. En effet, cette dernière s’élevaità 217 litres par jour et par personne, alors que ce ratio n’est que de 80 litres dans un ménage moyen ! Dès lors plutôt que d’augmenter la capacité de production d’eau chaude, il fallait en diminuer la consommation. Des simples mesures avec un seau et un chronomètre ont montrés que certaines douches débitaient pas moins de 30 litres par minutes (une douche de 5 minutes consommait 150 litres d’eau chaude !).

Actuellement, les pommeaux de douche économiques permettent de ramener ces débits à moins de 8 litres par minute pour une sensation de confort identique. Cette solution a permis de diminuer les consommations d’eau et d’énergie et d’éviter un investissement nettement plus important.

Pompe à chaleur sur lave-vaisselle

Pompe à chaleur sur lave-vaisselle


Pompe à chaleur avec récupération sur les buées

De la chaleur est prise sur les buées au niveau de la tubulure d’échappement pour la donner à l’eau.L’avantage d’une pompe à chaleur sur un simple récupérateur de chaleur est que, grâce à l’utilisation d’un fluide intermédiaire et d’un compresseur,  la température de la source de chaleur (ici, l’air chargé de buées)  peut être plus basse que celle du fluide auquel on donne la chaleur (ici, l’eau de lavage).

Par exemple, imaginons des buées à 40°C et de l’eau de lavage à 60°C. Dans un premier échangeur (l’évaporateur), le fluide frigorigène de la pompe à chaleur passera à 30°C, il captera la chaleur des buées, puis se fera comprimer par le compresseur pour atteindre 70°C. À cette température, il pourra donner sa chaleur vers l’eau de lavage, dans un deuxième échangeur (le condenseur).

Quel est le bilan énergétique du processus ? D’une part, la chaleur captée sur les buées sera transférée vers l’eau de lavage. Mais d’autre part, il a fallu alimenter électriquement le compresseur. On pourrait montrer que cette énergie électrique est également convertie en chaleur et transférée (dans le deuxième échangeur) vers l’eau de lavage. Si bien que l’on peut écrire :

Puissance captée dans les buées + Puissance du compresseur = Puissance donnée à l’eau de lavage.

Exemple de puissances injectées, perdues et récupérées sur un lave-vaisselle muni dune pompe à chaleur.

Source : société Stierlen.

Dans l’exemple ci-dessus, avec les 20 kW du compresseur on a « créé » 75 kW (20 + 55) ! On parle d’un coefficient de performance ou COP de 75/20 = 3,75.

Une pompe à chaleur va permettre de diminuer la puissance totale installée ainsi que la consommation d’environ 45 %.

D’après nos sources, le COP d’une pompe à chaleur sur un lave-vaisselle est d’environ 4.


Pompe à chaleur avec récupération sur les buées et sur l’air ambiant

Certaines machines avec pompe à chaleur intégrée sont encore plus performantes que les pompes à chaleur qui récupèrent de la chaleur sur les buées, puisqu’elles récupèrent aussi de la chaleur sur l’air ambiant.

Cette deuxième récupération permet d’accroître la chaleur cédée au niveau de l’évaporateur et par conséquent celle cédée à l’eau de lavage et de rinçage. L’économie d’énergie et de puissance installée est donc plus importante : elle peut aller jusqu’à 55 %.

Le COP, coefficient de performance de la pompe à chaleur, a tendance à diminuer puisque l’on cherche à capter la chaleur d’une ambiance qui est à basse température. D’une façon générale, le COP est d’autant meilleur que l’écart de température entre évaporateur et condenseur est faible. Ici, l’écart entre la température de l’ambiance et la température de l’eau de lavage est plus élevé, le compresseur a donc plus de travail à réaliser. Pour limiter cet impact, on placera les deux sources de chaleur en série, d’abord l’air ambiant, ensuite les buées chaudes.

Pompe à chaleur avec récupération sur les buées uniquement Pompe à chaleur avec récupération sur les buées et sur l’air ambiant
Schéma PAC avec récupération sur les buées uniquement. Schéma PAC avec récupération sur les buées et sur l'air ambiant.

Ce système présente un deuxième avantage non négligeable : l’air ambiant de la cuisine est refroidi, ce qui va améliorer le confort des occupants.

Attention : si l’humidité absolue de l’air du local diminue par condensation dans l’évaporateur de la pompe à chaleur, l’humidité relative du local va augmenter, ce qui ne contribuera pas à l’amélioration du confort à ce niveau.

Ce phénomène peut se comprendre sur le diagramme d’enthalpie de l’air.

Exemple : l’air sort de l’évaporateur à 18°C et 100 % d’humidité relative (point A). Il est mélangé à de l’air ambiant à 26°C et 80 % d’humidité relative (point B). Le mélange se trouvera quelque part (en fonction des proportions du mélange) sur la droite qui rejoint le point A au point B. On voit donc que  l’humidité relative sera de toute façon supérieure à celle de l’air  ambiant.

On en conclut que de l’air sec devra de toute façon être apporté au local pour diminuer son taux d’humidité, mais en quantité nettement plus faible. Autrement dit, la présence d’une pompe à chaleur sur le lave-vaisselle qui extrait l’humidité de l’ambiance permettra un débit d’extraction d’air dans la laverie nettement plus faible.

Limiter les apports solaires [Fenêtres]

Limiter les apports solaires


Les vitrages

Dans les bâtiments tertiaires avec apports internes élevés, il faut limiter les surfaces vitrées au Sud et surtout à l’Ouest, et prendre la lumière naturelle au Nord (dans la limite des possibilités urbanistiques).

Un vitrage est un élément de l’enveloppe dont le bilan thermique est particulier. Ainsi, durant la saison de chauffe :

  • Il perd constamment de la chaleur par transmission vers l’extérieur plus froid.
  • Il gagne de la chaleur, pendant les heures d’ensoleillement, par le rayonnement solaire qui le traverse.

Dans un bâtiment domestique, le bilan d’un double vitrage Sud (établi sur la saison de chauffe) est positif : il reçoit plus de chaleur solaire qu’il ne perd de chaleur par transmission. C’est ce bilan qui est à la base de la conception « solaire passive » des habitations : développer des surfaces de captation au Sud va permettre de diminuer la consommation de chauffage.

Mais il y a une limite à ce gain : si la surface vitrée est trop importante, toute l’énergie incidente ne sera plus « utile ». En mi-saison, et parfois même en hiver, le bâtiment sera « saturé » de chaleur et l’apport supplémentaire ne sera pas valorisé. Une serre annexée à l’habitat, dont on voudrait maintenir la température intérieure, est un exemple poussé à l’extrême de cet excès de surface solaire : les pertes de chaleur sont très élevées par temps froid et la température devient rapidement excédentaire en période d’ensoleillement.

Dans les immeubles de bureaux actuels, le bilan sur la saison de chauffe est toujours négatif : plus la surface vitrée est importante, et plus la consommation de chauffage est élevée en hiver. Et ceci quelle que soit l’orientation. En fait, la demande de chaleur du bureau est faible, car il est rapidement « saturé » de chaleur par les charges internes. Et lorsque le rayonnement solaire se produit, il ne contribue pas à diminuer la puissance de chauffage qui est nulle à ce moment, mais apporte un état de surchauffe.

De plus, si l’on regarde le bilan annuel, l’augmentation de la surface vitrée ne peut que générer un supplément de consommation en été. Toute augmentation de la surface vitrée entraîne donc une augmentation de la consommation globale du bâtiment.

On en conclut que si l’immeuble de bureaux prévu est fortement équipé en bureautique, il est raisonnable de se fermer au Sud et à l’Ouest pour s’ouvrir au Nord. On ne garde alors de la composante solaire que la fonction d’éclairage naturel des espaces. A fortiori, si la structure est de faible inertie thermique.

Ordre de grandeur

Pour fixer un ordre de grandeur, voici un extrait de la future réglementation thermique française relative à la protection contre l’ensoleillement des bâtiments climatisés autres que les habitations.

Le principe de cette réglementation est de compenser des surfaces de vitrage trop importantes par une protection solaire plus sévère et vice-versa.

Ainsi,

(Σ Sbaies vert x FSbaies vert x Fma) / (Σ Sfaçades)
+ 2 x (Σ Sbaies hor x FSbaies hor) / Σ Stoit

doit être inférieur à 0,35 (pour le nord de la France).

où,

  • Sbaies vert et Sbaies hor = surface des baies verticales dans toutes les orientations à l’exception du nord et surface des baies horizontales.
  • FSbaies vert et FSbaies hor= facteur solaire des baies verticales et horizontales.
  • Fma = coefficient de masque architectural (= 1 si pas de masque (valeur par défaut), = 0,75 si débord de toit ou auvent orienté du SE au SO de plus de 0,25 x hauteur baie, = 0,7 si auvent orienté du SE au SO de plus de 0,5 x hauteur de baie).
  • Sfaçades et Stoit = surface des façades dans toutes les orientations à l’exception du nord et surface de toiture.

Isolation

Choix des vitrages.

Les protections solaires

On a vu dans la réglementation française, ci-dessus, que les apports solaires dépendent évidemment de la surface du vitrage mais aussi du facteur solaire de la baie, c’est-à-dire du pourcentage d’énergie solaire qui traverse le vitrage par rapport à l’énergie incidente.

Il existe divers moyens de protéger la baie, par des stores enroulables (principalement extérieurs), par des brise-soleil, par des vitrages réfléchissants, …

    

Brise-soleil, stores enroulables, vitrages réfléchissants.

Les protections solaires les plus performantes permettent de diminuer de près de 90 % les apports de chaleur au travers des vitrages.

Toute la difficulté du choix consistera à concilier la protection contre les surchauffes et un apport en éclairage naturel suffisant, quelle que soit la saison.

Gestion des gains solaires 

Placer des protections solaires.

Rendement d’un système de ventilation

Rendement d'un système de ventilation


Rendement global

Le rendement global h d’une installation de ventilation peut être calculé comme suit :

h = q x p / P

Avec :

  • q = débit volumique en m³/s
  • p = perte de charge totale du système en Pa
  • P = puissance électrique absorbée en W

Le rendement d’un système complet de ventilation dépend du

Données

Exemples courants de rendement global de système de ventilation.

Rendement du moteur électrique

Les données de la plaque signalétique, correspondant à un fonctionnement en régime nominal, permettent de calculer le rendement d’un moteur asynchrone à la puissance nominale :

η = P / (1,73 x U x I x cos φ)

η = Rendement [-], P = Puissance [W], U = Tension [V],
I = Courant [A], cos φ= Facteur de puissance

Exemple.

À partir de la plaque signalétique ci-dessus :

η = 4 000 / (1,73 x 400 x 8,1 x 0,9) = 0,79

Les pertes au niveau des moteurs asynchrones sont constituées

  • des pertes par effet joule dans les bobinages parcourus par le courant au niveau du stator (pertes cuivre et pertes fer),
  • des pertes dans d’induit au niveau du rotor,
  • des pertes par frottement et ventilation au niveau du rotor.

Les rendements donnés par les fabricants tiennent compte de toutes ces pertes.

Le rendement d’un moteur électrique est fortement influencé par sa puissance nominale. Cela signifie que le rendement atteignable augmente avec la puissance nominale du moteur. Dans la pratique le rendement d’un moteur asynchrone se situe entre 58 % et 96 % en fonction de la taille du moteur.


Pour tous les moteurs, le rendement chute assez fort lorsqu’ils travaillent à charge partielle. Il faut donc se méfier des rendements maximums indiqués sans les rendements à charge partielle pour plusieurs points de fonctionnement différents.


Rendement de la transmission

La transmission de l’énergie du moteur au ventilateur se fait avec une certaine perte, principalement dans le cas d’une transmission par courroies, du fait du glissement de cette dernière sur les poulies.

Mode d’entraînement

Pertes

Moteur à entraînement direct (roue de ventilateur directement calée sur l’arbre du moteur) 2 à 5 %
Entraînement par accouplement 3 à 8 %
Transmission par courroies
Pmot < 7,5 kW : 10 %
7,5 kW < Pmot < 11 kW : 8 %
11 kW < Pmot < 22 kW : 6 %
22 kW < Pmot < 30 kW : 5 %
30 kW < Pmot < 55 kW : 4 %
55 kW < Pmot < 75 kW : 3 %
75 kW < Pmot < 100 kW : 2,5 %

Rendement du ventilateur

Le rendement d’un ventilateur provient des pertes par frottement au niveau des paliers, des pertes internes dues aux tourbillons créés dans le ventilateur et des pertes dues à l’espace compris entre la roue en mouvement et l’enveloppe.

Type de ventilateur Rendement
Centrifuge à aubes vers l’arrière 80 – 87 %
Centrifuge à aubes vers l’avant 57 – 73 %
Hélicoïde sans diffuseur et avec redresseur 50 – 88 %
Hélicoïde avec diffuseur et redresseur 60 – 89 %
Hélicoïde de paroi 35 – 50 %

À chaque point de fonctionnement correspond un rendement du ventilateur. Les points de fonctionnement d’égal rendement sont repris sur des courbes associées aux courbes caractéristiques des ventilateurs. Elles se retrouvent dans les catalogues des fournisseurs.

Il existe un lien entre le rendement et la puissance spécifique (PSFP) :

PSFP = P/qV [W.m-3.s] = Hm

où :

  • P = puissance absorbée au moteur du ventilateur [W]
  • qV = débit nominal à travers le ventilateur en [m³.s-1]
  • Hm est la hauteur manométrique [Pa]
  • η est le rendement nominal [-]

Dimensionner le lave-vaisselle

Dimensionner le lave-vaisselle

Une machine à laver est déterminée à partir de 3 paramètres : le temps imparti au lavage, l’inventaire des pièces à laver et le temps de contact dans la zone de lavage.


Machine à paniers fixes ou mobiles -Dimensionnement précis

Les machines à paniers sont déterminées par deux paramètres :

  • son débit (en panier/heure)
  • le temps de contact dans la zone de lavage

Le débit horaire de la machine – Méthode du nombre d’assiettes étalons

Le débit horaire de la machine est calculé à partir du nombre total de paniers par service divisé par le temps alloué à cette opération, tout en tenant compte des pointes de service et du fait que tous les paniers ne sont pas complets, particulièrement en début et fin de service (rendement d’utilisation η).

Débit (paniers/heure) = Nombre total de paniers à laver par service x 60 min


Temps alloué (en min) x h*

> Le nombre total de paniers par service

Toute la vaisselle est convertie en assiettes étalons au moyen d’une table de conversion.

Exemple de table de conversion des pièces de vaisselle en assiettes étalons (machines à paniers)
Assiette Ø : 23 cm 1
Assiette Ø < 15 cm 0,7
Ravier 2
Ramequin 0,7
Verre 0,7
Plateau Self 2,3
Couvert complet 0,2
Tasse 1
Sous-tasse 0,6

Les dimensions moyennes d’un panier sont de 500 mm x 500 mm x 115 mm. Un panier contient en moyenne 18 (16 ?) assiettes étalons.

Pour déterminer le nombre total de paniers à laver par service, il faut calculer dans l’ordre suivant :

  • la composition d’un couvert type,
  • le total des pièces à laver par service,
  • convertir ce total en nombre d’assiettes étalons,
  • le nombre total de paniers à laver par service.

Une autre façon de calculer est de partir, pour chaque type d’objet à laver, de la quantité exacte par panier. Les fabricants disposent de tables reprenant ces chiffres.

> Le temps alloué au lavage est tributaire de certains facteurs propres au client. Dans certains cas le facteur « temps » est moins important que le facteur « investissement », dans d’autres, c’est l’inverse. Le local peut également représenter une contrainte en limitant l’espace disponible au placement d’un lave-vaisselle plus important. Sachant toutefois que les frais d’exploitation (main d’ouvre surtout, mais également eau, énergie et produits) représentent à terme plusieurs fois le montant de l’investissement, la priorité est souvent donnée au temps de traitement le plus court possible.

Si l’on ne dispose pas d’autres indications, on peut estimer le temps alloué au lavage de la vaisselle à deux heures.

> Le rendement d’utilisation η

Nombre de repas Rendement d’utilisation η
jusque 150 0,65
de 150 à 1 000 0,75
plus de 1 000 0,8

Dans le cas d’un lavage différé, les pièces à laver sont d’abord stockées dans des paniers. Le lavage est différé en dehors des heures de service à table et donc toute la vaisselle est prête à entrer dans le lave-vaisselle une fois celle-ci commencée. Les temps morts sont beaucoup moins importants que lorsque le lavage est instantané. On peut, par exemple, prendre un rendement d’utilisation de 0,8.

Le choix de la machine se fait alors en comparant le résultat des calculs aux performances annoncées par les constructeurs. On vérifiera néanmoins que les performances annoncées respectent les temps de contact minimums.
Le nombre de paniers par heure et le temps de contact minimum déterminent, en fait, la longueur de la machine (parties où il y a contact avec l’eau).

Le temps de contact dans la zone de lavage

Chaque type de restauration demande un temps de contact minimum dans la zone de lavage. Il s’agit du temps pendant lequel la vaisselle est soumise aux jets des gicleurs de lavage.

Type de cuisine Temps de contact (en sec)
Restauration publique ou d’entreprise
(vaisselle sale, fraîche).
42 à 45
Hôpitaux
(vaisselle faisant partie d’un système de distribution centralisée).
48 à 80
Restauration avec système de distribution avec réchauffage. 90

Il existe une deuxième règle, à laquelle il est régulièrement fait référence dans notre pays. Il s’agit de la norme allemande DIN 10510, qui exige un temps d’exposition de la vaisselle aux jets d’eau de 2 minutes (120 secondes) minimum. Ces deux minutes incluent le prélavage, le lavage et le rinçage final.


Machine à convoyeur – Dimensionnement précis

La machine à convoyeur est déterminée par deux paramètres :

  • la vitesse d’avancement du convoyeur,
  • le temps de contact dans la zone de lavage

La vitesse d’avancement du convoyeur

La vitesse d’avancement du convoyeur est fixée en évaluant la longueur de bande nécessaire au lavage divisée par le temps alloué à cette opération, tout en pondérant par un coefficient de salissure (δ) et par un taux réel d’occupation (τ = 0,8). Ce dernier coefficient tient compte du fait que tous les convoyeurs ne sont pas complets, particulièrement en début et fin de service, et permet aussi de tenir compte des pointes de service.

Vitesse d’avancement du convoyeur
(en m/min) =
Longueur d’occupation sur le convoyeur (en m) x coefficient de salissure (δ)


Coefficient d’occupation réelle (τ) x temps alloué au lavage de la vaisselle (en min)

> La longueur de bande nécessaire est déterminée par le nombre total d’objets à laver et le nombre d’objets qu’il est possible de placer par mètre. Le nombre d’objets par mètre de bande dépend de la largeur de la bande (certains fabricants offrent la possibilité de placer trois ou quatre assiettes de front) et de l’écartement des « doigts ». Plus l’écartement est petit, plus le nombre de pièces par mètre est grand.

Pour un type de lave-vaisselle donné, on utilise, par exemple, la table de conversion ci-dessous.

Table de conversion des pièces de vaisselle à laver en longueur d’occupation sur le convoyeur (mm) (machine à convoyeur)
Nom de la pièce Longueur : L (mm)
Assiette Ø : 23 cm 30
Assiette Ø : 19 cm 20
Plateau Self 60
Ravier 12 x 19 cm 20
Verre Ø : 86 mm 20
Couvert (la pièce) 2
Tasse 10,8 cm 30
Bol ou compotier 25

Pour connaître la longueur de bande de lavage, on va donc :

  • D’abord, déterminer la composition d’un « couvert » type,
  • ensuite, relever le nombre de « couverts » par service,
  • enfin, calculer la longueur de bande de lavage à l’aide d’un tableau tel que celui ci-dessus adapté au lave-vaisselle considéré.

> Le temps alloué au lavage est tributaire de certains facteurs propres au client. Dans certains cas le facteur « temps » est moins important que le facteur « investissement », dans d’autres, c’est l’inverse. Le local peut également représenter une contrainte en limitant l’espace disponible au placement d’un lave-vaisselle plus important. Sachant toutefois que les frais d’exploitation (main d’ouvre surtout, mais également eau, énergie et produits) représentent à terme plusieurs fois le montant de l’investissement, la priorité est souvent donnée au temps de traitement le plus court possible.

Si l’on ne dispose pas d’autres indications, on peut estimer le temps alloué au lavage de la vaisselle à deux heures.

> Le coefficient de salissure :

Coefficient de salissure
Salissure légère 1,25
Salissure moyenne 1
Forte salissure 0,75

Après avoir calculé la vitesse d’avancement du convoyeur, il faut comparer cette valeur aux vitesses des machines des fabricants.

On vérifiera néanmoins que ces vitesses sont calculées pour respecter les temps de contact minimums.

Les machines à convoyeurs proposent en général une vitesse maximum et une vitesse minimum. Ces deux vitesses correspondent respectivement à un temps de contact plus faible et plus élevé.
Certaines machines disposent d’une plage continue de vitesses variant entre une vitesse minimale et maximale.

Ces vitesses d’avancement se situent entre 0,6 et 2,50 m/min.

Pour un temps de contact donné, chaque vitesse correspond, en fait, à une longueur de la machine (parties où il y a contact avec l’eau).

Le temps de contact dans la zone de lavage

Chaque type de restauration demande un temps de contact minimum dans la zone de lavage. Il s’agit du temps pendant lequel la vaisselle est soumise aux jets des gicleurs de lavage.

Type de cuisine Temps de contact (en sec)
Restauration publique ou d’entreprise
(vaisselle sale, fraîche)
42 à 45
Hôpitaux
(vaisselle faisant partie d’un système de distribution centralisée)
48 à 80
Restauration avec système de distribution avec réchauffage 90

Il existe une deuxième règle, à laquelle il est régulièrement fait référence dans notre pays. Il s’agit de la norme allemande IN 10510, qui exige un temps d’exposition de la vaisselle aux jets d’eau de 2 minutes (120 secondes) minimum. Ces deux minutes incluent le prélavage, le lavage et le rinçage final.


Méthode simplifiée de dimensionnement

On compte 7 articles en moyenne par repas.  On détermine ainsi la machine en assiette par heure. La capacité des machines à paniers statiques, à paniers mobiles et à convoyeur s’exprime selon cette unité, au moins.

On choisira le type de machine dont la gamme correspond au chiffre obtenu.

Moteur asynchrone

Moteur asynchrone

Généralité

Le moteur asynchrone couplé à un variateur de fréquence est de loin le type de moteur le plus utilisé pour les applications où il est nécessaire de contrôler la vitesse et le déplacement d’une charge.

Le système moteur-variateur convient bien pour des applications tels que les ascenseurs car on recherche une excellente précision à fois au niveau de la vitesse (confort des utilisateurs) et de la précision de la position de la cabine par rapport aux paliers.

Quant au moteur asynchrone seul, sa popularité résulte du peu d’entretien nécessaire, de sa simplicité de construction, de sa standardisation et de sa robuste.

photo moteur asynchrone


Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement d’un moteur asynchrone repose :

  • D’une part sur la création d’un courant électrique induit dans un conducteur placé dans un champ magnétique tournant. Le conducteur en question est un des barreaux de la cage d’écureuil ci-dessous constituant le rotor du moteur. L’induction du courant ne peut se faire que si le conducteur est en court-circuit (c’est le cas puisque les deux bagues latérales relient tous les barreaux).
  • D’autre part, sur la création d’une force motrice sur le conducteur considéré (parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique tournant ou variable) dont le sens est donné par la règle des trois doigts de la main droite.

Schéma principe de fonctionnement.

Comme montré sur le schéma ci-dessus, le champ tournant , à un instant donné, est orienté vers le haut. En considérant deux conducteurs diamétralement opposés, on constate que les courants induits dans ces deux conducteurs sont en sens inverse et, associés au champ magnétique, créent des forces motrices en sens inverse. Le rotor étant libre de tourner sur l’axe X-Y, les deux forces s’associent pour imprimer aux deux conducteurs un couple permettant la rotation de la cage d’écureuil : le moteur électrique est inventé.

Pour entretenir la rotation du moteur, il est nécessaire de faire varier soit le courant dans les conducteurs de la cage, soit le champ magnétique. Dans un moteur asynchrone, c’est le champ magnétique qui varie sous forme de champ tournant créé dans le stator.

Au démarrage le champ tournant balaye les conducteurs de son flux à la vitesse angulaire de synchronisme. Le rotor mis en rotation tend à rattraper le champ tournant. Pour qu’il y ait un couple entretenu au niveau des conducteurs, la variation de flux doit être présente en permanence; ce qui signifie que si les conducteurs tournent à la vitesse de synchronisme comme le champ tournant, la variation de flux sur les conducteurs devient nulle et le couple moteur disparaît.

Un rotor de moteur asynchrone ne tourne donc jamais à la vitesse de synchronisme (50 Hz). Pour un moteur à une paire de pôles (à 50 Hz, la vitesse de rotation du champ tournant est de 3 000 [tr/min]) la vitesse de rotation du rotor peut être de 2 950 [tr/min] par exemple; intervient ici la notion de glissement.


Le stator

Le stator d’un moteur triphasé (le plus courant en moyenne et grosse puissance), comme son nom l’indique, est la partie statique du moteur asynchrone. Il se compose principalement :

  • de la carcasse,
  • des paliers,
  • des flasques de palier,
  • du ventilateur refroidissant le moteur,
  • le capot protégeant le ventilateur.

   

Stators.

L’intérieur du stator comprend essentiellement :

  • un noyau en fer feuilleté de manière à canaliser le flux magnétique,
  • les enroulements (ou bobinage en cuivre) des trois phases logés dans les encoches du noyau.

Dans un moteur triphasé les enroulements sont au nombre minimum de trois décalés l’un de l’autre de 120° comme le montre le schéma ci-dessous.

Schéma principe moteur triphasé.

Influence du nombre de paires de pôles sur la vitesse de rotation et de la forme du champ statorique résultant.

Lorsque les enroulements du stator sont parcourus par un courant triphasé, ceux-ci produisent un champ magnétique tournant à la vitesse de synchronisme. La vitesse de synchronisme est fonction de la fréquence du réseau d’alimentation (50 Hz en Europe) et du nombre de paires de pôles. Vu que la fréquence est fixe, la vitesse de rotation du champ tournant du moteur ne peut varier qu’en fonction du nombre de paires de pôles.

Paires de pôles 1 2 3 4 6
Nombre de pôles 2 4 6 8 12
n0 [tr/min] 3 000 1 500 1 000 750 500


Le rotor

Le rotor est la partie mobile du moteur asynchrone. Couplé mécaniquement à un treuil d’ascenseur par exemple, il va créer un couple moteur capable de fournir un travail de montée et de descente de la cabine d’ascenseur. Il se compose essentiellement :

  • D’un empilage de disques minces isolés entre eux et clavetés sur l’arbre du rotor afin de canaliser et de faciliter le passage du flux magnétique.
  • D’une cage d’écureuil en aluminium coulé dont les barreaux sont de forme trapézoîdale pour les moteurs asynchrones standards et fermés latéralement par deux « flasques » conductrices.

Photo rotor.   Photo rotor.


Glissement

Comme on l’a vu au niveau du principe de fonctionnement d’un moteur asynchrone, la vitesse de rotation de l’arbre du moteur est différente de la vitesse de synchronisme (vitesse du champ tournant).

Le glissement représente la différence de vitesse de rotation entre l’arbre du moteur et le champ tournant du stator; il s’exprime par la relation suivante :

s = n0 – nn

Avec,

  • n0 = vitesse du champ tournant.
  • nn = vitesse de rotation de l’arbre.

Le glissement est généralement exprimé en pourcentage de la vitesse de synchronisme n0.

s = (n0 – nn) / n0 [%]

La vitesse de synchronisme, quant à elle, est fonction de la fréquence du réseau et du nombre de paires de pôles. Elle s’exprime par la relation suivante :

n0 = (f x 60) /p

Avec,

  • n0 = vitesse du champ tournant.
  • f = la fréquence du réseau (en général 50 Hz).
  • p = le nombre de paires de pôles.

Couple

Le couple C d’un moteur asynchrone est fonction de la puissance P et de la vitesse de rotation n du moteur. Il s’exprime par la relation suivante :

C = (P x 9 550) / n

Avec,

  • P = Puissance du moteur [W].
  • n = la vitesse de rotation du moteur [tr/min].

Une des courbes la plus caractéristique des moteurs asynchrones est celle du couple en fonction du glissement :

Couple en fonction du rapport :
vitesse de rotation/vitesse de synchronisme.

Sur le graphe ci-dessus on voit tout de suite qu’il faut choisir le type de moteur en fonction de l’application : pour les motorisations des ascenseurs, on préférera les moteurs à double cage présentant un profil de courbe plus plat en fonction du glissement afin de bénéficier d’un couple relativement constant quelle que soit la charge.

Une des caractéristiques importante du moteur asynchrone, est qu’il peut, dans certaines conditions, se transformer en générateur asynchrone. Lorsqu’une cabine d’ascenseur redescend en charge maximum, le moteur renvoie de l’énergie au réseau.

Les courbes suivantes montrent ce phénomène :

Fonction en moteur ou en générateur suivant le couple résistant .

Pour être complet, on peut noter qu’un moteur asynchrone classique a les caractéristiques suivantes :

  • Le courant de démarrage est de l’ordre de 6 à 7 fois le courant nominal. Il est impératif de prévoir des systèmes de limitation de courant au démarrage (étoile/triangle, variateur de fréquence, …).
  • Le couple de démarrage est important (de l’ordre de 2,5 fois le couple nominal).
  • Le couple est maximum pour un glissement de l’ordre de 30 %.

Caractéristiques d’un moteur asynchrone classique.


Pilotage de la vitesse de rotation

Le pilotage de la vitesse de rotation du moteur asynchrone est essentielle pour beaucoup d’applications.

La relation suivante permet de cerner quels sont les paramètres qui peuvent influencer la vitesse de rotation.

On a :

s = (n0 – n) / n0

Avec,

  • s = glissement [%].
  • n0 = vitesse du champ tournant [tr/min].
  • n = la vitesse de rotation de l’arbre du moteur [tr/min].

Ou :

n = ( (1 – s) x (f x 60)) / p

Avec,

  • f x 60 = fréquence du réseau [Hz] multipliée par le nombre de secondes par minute.
  • p = le nombre de paire de pôle.

On peut donc piloter la vitesse de rotation en intervenant sur :

  • le nombre de paire de pôle (moteur à deux vitesses par exemple),
  • le glissement du moteur (moteur à bague),
  • la fréquence du réseau.

Pilotage en modifiant le nombre de pôles

Des anciennes installations d’ascenseur fonctionnent encore avec des moteurs à deux vitesses. La plupart du temps se sont des moteurs dont le rotor est composé de deux nombres différents de paires de pôles. Les enroulements sont disposés dans les encoches du stator d’une manière particulière qui en fait tout sa complexité. Les différents couplages par paire de pôles permet d’obtenir différentes vitesses.

Un moteur bipolaire a une vitesse de rotation de 3 000 [tr/min], tandis qu’un quadripolaire tourne à 1 500 [tr/min] ou à 3 000 [tr/min].

Donc pour autant que l’on puisse réaliser des couplages différents sur des moteurs à deux nombres différents de paires de pôles, on obtient des vitesses différentes.


Régulation de fréquence

À l’heure actuelle, le pilotage de la vitesse des moteurs asynchrones se fait électroniquement grâce à des variateurs de vitesse. Pour cette raison, on ne parlera ici que du contrôle de la fréquence qui de loin la plus courante.

Sans perte de puissance, on peut piloter la vitesse de rotation du moteur en faisant varier la fréquence car la vitesse de rotation du champ tournant au niveau du stator change. Pour conserver le couple moteur (intéressant pour les ascenseurs), il faut que la tension du moteur se modifie avec la fréquence dans un rapport constant. En effet, le couple est lié à la fréquence, la tension et le courant par la formule suivante.

On a :

C ~ (U/f) x I

Avec,

  • C = couple moteur [Nm].
  • U = tension du réseau[V].
  • I = courant absorbé par le moteur.

Si le rapport entre la tension et la fréquence reste constant, le couple le reste aussi.

Pilotage en fréquence et en tension.

Le pilotage du moteur par un variateur de fréquence et de tension montre des intérêts certains; à savoir principalement :

  • la limitation du courant de démarrage (de l’ordre de 1,5 fois le courant nominal);
  • un coupe relativement constant quelle que soit la vitesse du moteur.

Charpente

Charpente

La charpente en bois reste la plus courante pour réaliser la structure portante de la toiture inclinée.

Cependant, pour des raisons thermiques, acoustiques ou de stabilité, la structure portante peut consister en dalles inclinées de béton coulées sur place ou en hourdis de béton lourd ou cellulaire posés en pente.


Charpente traditionnelle (à pannes et chevrons)

Le principe de la structure traditionnelle est de superposer, en les croisant perpendiculairement, des éléments linéaires. La portée diminuant au fur et à mesure des différentes couches, leur section et entre axe diminue également jusqu’à la pose aisée des éléments de couverture.

La charpente traditionnelle proprement dite, est constituée de pannes et de chevrons*.
Les pannes sont portées par les murs pignons et les murs porteurs de refend; des fermes peuvent remplacer les murs de refend si l’on veut garder de grands espaces sous la toiture.

* Remarque : dans le cas d’une isolation par panneaux autoportants, la charpente ne nécessite pas de chevrons; les panneaux sont directement fixés sur les pannes.

Schéma charpente traditionnelle.

  1. Ferme.
  2. Panne.
  3. Panne faîtière.
  4. Panne sablière.
  5. Chevrons.
  6. Sous-toiture éventuelle.
  7. Contre-lattes.
  8. Panneaux de toiture autoportants.
  9. Liteaux ou voliges.

Charpente traditionnelle à pannes et chevrons.

Le bois de charpente doit, de préférence, avoir été traité (pour résister aux insectes, aux champignons, …).

Les pannes (structure primaire)

Les pannes sont parallèles au faîte.
Outre les pannes, la structure primaire peut comprendre des sablières, des échelles de corniche, des noues, des arêtiers et des fermes.

Dans le cas d’une corniche en bois, une échelle en bois, mise à plat au-dessus du mur porteur et du parement, remplace ou supporte la panne sablière. L’échelle permet, d’une part de réaliser le porte à faux au-delà du mur porteur, d’autre part d’assurer une jonction continue entre l’isolation du mur et de la toiture.

Schéma pannes.

  1. Gîte de versant + isolant.
  2. Echelle de corniche.
  3. Maçonnerie renforcée.
  4. Cale de pente.
  5. Planche de face.
  6. Fermeture.

Echelle de corniche (N°2).

Les chevrons (structure secondaire)

Auparavant, les chevrons destinés à des toitures-greniers non isolées étaient de section carrée. Actuellement, les chevrons sont parfois remplacés par des « gîtes de versant », pièces de bois plus hautes, de largeur minimale de 38 mm et de hauteur minimale de 100 mm. Ces pièces permettent de poser une couche d’isolant plus épaisse en une seule fois. En outre, elles diminuent le nombre de pannes nécessaires, ce qui libère en partie l’espace sous-toiture.

Remarque : Dans ce cas, les pannes doivent être calculées pour reprendre des charges plus importantes. Elles portent en effet de plus grandes surfaces de toiture.

Au-dessus du mur pignon, une échelle de bois sert parfois de structure secondaire. Elle couvre toute l’épaisseur du mur (mur porteur – vide isolé – mur de parement). Elle permet, de réaliser le porte à faux au-delà du mur porteur. Elle permet également d’assurer une jonction continue entre l’isolation du mur et de la toiture.

Schéma chevrons.

Échelle de pignon.

Le support de couverture (contre-lattes, liteaux ou lattes, voligeage)

En général, lorsque la couverture est constituée de tuiles ou d’ardoises fixées au moyen de crochets, leur support est constitué de liteaux ou lattes. Lorqu’elle est constituée d’ardoises posées au moyen de clous, de « feuilles » ou de petits éléments relativement souples (ex : bardeau bitumineux), leur support est constitué d’un voligeage.
La pose d’ardoises sur liteaux est de plus en plus pratiquée, mais dans le cas de petites ardoises, la pose au clou sur voliges reste plus indiquée.

Actuellement, des panneaux de bois peuvent remplacer les voliges; dans ce cas, on veillera particulièrement, à suivre les prescriptions des fabricants et des agréments techniques.

Des voliges sont également utilisées comme support des ouvrages de rives et de raccords (rives libres, rives en butée, faîtes, noues, arêtiers, bacs de cheminée, corniches …).

Schéma support de couverture.

  1. Couverture.
  2. Lattes.
  3. Volige.
  4. Chéneau en zinc.
  5. Contre-lattes.
  6. Sous-toiture.
  7. Isolant.
  8. Pare-vapeur.
  9. Espace technique.
  10. Finition intérieur.

Noue.


Charpente à fermettes

Les fermettes remplacent les chevrons ou gîtes de versant, ainsi que les pannes.
Elles sont réalisées en atelier.

Remarque.
Une fermette se distingue d’une ferme de charpente par la section plus réduite des pièces qui la constitue et par la distance qui la sépare de la pièce voisine.

Schéma charpente à fermettes.

  1. Fermette.
  2. Entrait (de la fermette).
  3. Sablière.
  4. Sous-toiture (éventuelle).
  5. Contre-latte.
  6. Liteau ou voligeage.

Charpente préfabriquée avec fermettes.

Vu que la charpente est constituée uniquement d’éléments verticaux, un contre-ventement doit être prévu entre les fermettes.

Les fenêtres de toitures, lucarnes et raccords entre versants sont un peu plus compliqués à réaliser que pour une charpente traditionnelle.

Il existe des fermettes pour combles utilisables ou non utilisables.
Fermette pour combles non utilisables

Exemple schématique.
Combles non utilisables.

Fermette pour combles utilisables

Exemple schématique.
Combles utilisables.

Généralement, les fermettes sont posées au niveau du plafond de l’étage inférieur. Elles constituent la structure portante du plafond et éventuellement du plancher des combles à condition d’être calculée en conséquence.

Pour le reste, les principes sont identiques à ceux d’une charpente traditionnelle.

Démarche de gestion énergétique de son patrimoine bâti

Démarche de gestion énergétique de son patrimoine bâti


Intro

La Ville de Chimay s’est inscrite en 2002 dans le projet PALME (Programme d’Actions Locales pour la Maîtrise de l’Énergie).

La situation de départ de la Ville était celle de la majorité des communes wallonnes : aucun suivi réel des consommations des bâtiments n’était assuré. La démarche de travail adoptée est présentée dans les lignes qui suivent.


Sur les traces de la facturation

Il a donc fallu commencer par mettre en place un suivi de la facturation pour les quelques 30 bâtiments présentant ensemble une consommation de 280 000 litres de fuel et 335 000 kWh d’électricité par an.

Une base de données Access a été réalisée dans laquelle les factures relatives aux consommations de gaz, fuel, électricité et eau sont encodées. De quoi établir un état annuel des dépenses relatif à chaque bâtiment. Et pointer le cas échéant quelques anomalies comptables : facture rentrée deux fois ou affectée à un mauvais bâtiment, compteur supprimé dont on continue à payer la redevance, compteur en double emploi ou inutile….

À Chimay, les factures énergie des trois dernières années ont ainsi été encodées pour évaluer l’évolution dans le temps des coûts financiers.

Pas question d’imposer une comptabilité énergétique en bonne et due forme pour chaque bâtiment. Cela nécessiterait un fastidieux relevé mensuel de chaque compteur. La consommation réduite d’une grande partie des bâtiments peut se satisfaire d’un simple suivi annuel. Seuls les gros consommateurs méritent une vigilance mensuelle.  Encore faut-il pouvoir assurer ce relevé mensuel de chaque compteur ce qui peut s’avérer problématique quand la citerne à mazout ne dispose pas de jauge.


À l’affût des anomalies flagrantes

Dans un second temps, il a fallu réaliser un état des lieux des bâtiments, afin de disposer d’une première base de travail. Une fiche signalétique est établie pour chacun des bâtiments reprenant toute une série de renseignements et caractéristiques : localisation, type d’affectation, nombre d’occupants, horaire d’occupation, vecteurs énergétiques, caractéristiques des installations de chauffage (type et année de construction de la chaudière et du brûleur, type de régulation et de distribution, nombre de radiateurs et vannes thermostatiques, état général), caractéristiques des installations de production d’eau chaude, heures de programmation des périodes de chauffe, mode d’isolation, dimensions du bâtiment….

Une étape importante qui justifie une visite de terrain minutieuse. De quoi repérer des anomalies immédiatement corrigibles : un thermostat resté à l’heure d’hiver ou bien décalé par rapport aux jours de la semaine, une programmation qui ne correspond plus à la nouvelle affectation des lieux, une température d’eau trop élevée, une sonde cachée derrière un porte-manteau, un matelas d’isolant non replacé après une intervention dans les combles….

Chaque fiche signalétique permettra également de garder une trace des interventions menées, des changements d’affectation ou d’occupation….


Un cadastre énergétique des bâtiments

Un cadastre énergétique des bâtiments est ensuite établi. Il classifie les bâtiments selon un indice E correspondant à leur efficacité énergétique calculée sur base des consommations d’énergie et des caractéristiques dimensionnelles du bâtiment.

En pondérant cet indice par la consommation de chauffage, on identifie clairement les bâtiments prioritaires en termes d’interventions, ceux dont le potentiel d’économie est le plus important.

Pour des bâtiments complexes et gros consommateurs, l’audit énergétique est toujours un exercice rentable qui permet d’évaluer les points faibles aussi bien au niveau de l’enveloppe que des équipements.

Les améliorations possibles sont présentées dans un rapport précisant les coûts d’investissement et temps de retour respectifs de chacune des actions proposées.

À Chimay, un audit a notamment été réalisé pour la piscine communale et sert aujourd’hui de fil conducteur pour la Direction dans sa démarche de rénovation et d’amélioration du bâtiment et des équipements.


Plan d’actions et d’investissements

À partir des outils désormais à disposition – état des lieux, suivi comptable, cadastre énergétique -, il reste à se donner une ligne de conduite des actions que l’on souhaite réaliser en fonction des priorités dégagées.

Ce plan d’action comprend aussi bien des démarches techniques que de sensibilisation et/ou d’information sur l’énergie ou sur le fonctionnement de tel ou tel équipement. Un plan d’action qu’il s’agira de faire cadrer avec un budget communal où il lui faudra cohabiter avec une multitude d’autres postes.

C’est souvent là que l’intervention du coordinateur PALME ou du Responsable Énergie prend toute son importance. À lui de présenter un bon dossier qui démontrera l’intérêt et la pertinence de l’action auprès des décideurs. Bien évaluer les dépenses pour chacune des actions, estimer le temps de retour des investissements sur base des économies générées et l’éventuel impact positif sur le confort des occupants. Sans oublier la quantité de CO2 économisée histoire de contribuer aussi à la réduction de l’effet de serre.

Bref, réaliser des économies d’énergie à travers la mise en place d’une bonne gestion énergétique de ses bâtiments n’est pas tant une question de moyens financiers que de capacité à bien structurer sa démarche et à s’équiper des outils de base pour évaluer et planifier les actions URE.

Sur base d’une analyse des résultats engrangés par ces analyses, une liste des bâtiments communaux les plus énergivores a été établie. En 2008-2009, des audits énergétiques ont été réalisés pour ceux-ci. Finalement, entre 2010 et 2013, une campagne d’investissements d’amélioration de la performance énergétique de ces bâtiments a été réalisée avec l’aide de subsides européens (fonds FEDER).

Cette étude de cas provient des Sucess Stories réalisées par l’ICEDD en 2004, et a été mise à jour suite à un contact avec le service Patrimoine & Logement de la ville de Chimay en 2016.

Bonne approche des problèmes de surchauffe

Bonne approche des problèmes de surchauffe


Introduction

Cette Maison de Repos et de Soins dépendante du CPAS de Tournai, communément appelée « Home du Moulin à Cailloux », fut construite en 1976 dans le faubourg nord de la Ville et accueillait quelques 153 résidents dans un bâtiment s’élevant sur trois étages. Suite aux dernières canicules estivales, un problème de surchauffe a fait surface et mobilisé le personnel pour qu’on y trouve remède.


Problèmes de surchauffe

Lors de la période caniculaire de 2003, un grand nombre de plaintes d’inconfort liées à une surchauffe des locaux fut émis principalement par le personnel soignant qui exécute des prestations lourdes pendant la journée, les familles qui rendent visite à leurs parents ainsi que le personnel administratif. À nouveau à la mi-juin 2004, le même problème se représentait : il fait trop chaud ! Ces personnes sont incommodées par une température élevée l’après-midi et un éblouissement gênant en fin de journée principalement dans les locaux supérieurs des façades ouest et sud. Ces dernières sont fortement vitrées : à 90 % pour les bureaux du rez-de-chaussée et à 57% pour les chambres des étages.


Une climatisation !

Très rapidement la solution vers laquelle la Direction se tourne légitimement, c’est d’installer un système de climatisation pour les chambres les plus exposées à ce problème de surchauffe. Pour vaincre la chaleur, rien de tel que du froid ! Oui mais n’y a-t-il pas d’autres alternatives à une climatisation onéreuse aussi bien à l’investissement qu’à l’exploitation ? C’est ici qu’intervient le rôle du Responsable Énergie du CPAS de Tournai. Mandat lui fut donné d’analyser le problème et d’y trouver le remède adéquat sans se précipiter les yeux fermés vers la solution de la climatisation.


Analyse des plaintes et campagne de mesures

La première étape fut de collationner auprès des occupants du bâtiment les plaintes formulées afin de se faire une idée de l’ampleur du problème de surchauffe. Qui est incommodé ? Ce problème semble-t-il se manifester dans tout le bâtiment ? Dans quelles conditions observe-t-on cet inconfort ?

Dans un 2ème temps, une campagne de mesures fut réalisée lors de l’été 2004 à l’aide d’une station météo placée dans une chambre-type du 3ème étage où l’on observe la surchauffe la plus forte. Une température de 30°C fut enregistrée dans le courant de l’après-midi d’une journée du mois de juillet.

Objectif : mettre des chiffres derrière ce problème afin d’évaluer au mieux la situation.


Gestion de la surchauffe

On estime que le refroidissement des chambres via une climatisation devient nécessaire en été lorsque la somme des apports internes et externes atteint 55 W/ m² soit 740 W dans le cas de notre chambre-type du 3ème étage.

Les apports internes étant approximativement de 440 W (éclairage, occupant, téléviseur,…), il s’agit de limiter les apports solaires à 300 W afin d’éviter le recours à la climatisation. Or dans la situation actuelle, châssis avec simple vitrage clair, la puissance solaire transmise en été au local est de 1 670 W ! Comment réduire cet apport ? Il est possible de diminuer ces apports solaires via des brises ou des pare-soleils sans nuire au niveau d’éclairement requis du local.

Sur base de tableaux établis pour la Région wallonne par la Cellule Architecture et Climat de l’UCL, on peut comparer plusieurs cas de figure : en plaçant un double vitrage basse émissivité, la puissance solaire transmise descend à 1 260 W et si on l’associe à une protection solaire extérieure tel qu’un store déroulant, on tombe à 140 W. Une protection solaire intérieure quant à elle donnerait une valeur de 570 W.

Il est donc tout à fait possible d’éviter la climatisation et ses coûts d’exploitation pour limiter l’élévation de température des locaux au-delà de 24°C.


La meilleure solution ?

Celle qui rencontrera la satisfaction de tous les utilisateurs et des gestionnaires du bâtiment, l’utilisation rationnelle de l’énergie et bien entendu l’approbation des décideurs quant à l’aspect financier.

Suite à la présentation de l’analyse chiffrée du Responsable Énergie, la Direction fut bien surprise de constater qu’il était possible de se passer de climatisation. Dès lors, en plus du remplacement des anciens châssis en aluminium simple vitrage par des châssis en PVC double vitrage à basse émissivité, des 66 chambres concernées, les 36 situées sur la façade sud seront équipées d’un brise-soleil et les 30 sur la façade ouest de stores pare-soleil. Une mise en œuvre prévue courant 2006.


En détail

Économique

Remplacement des châssis : 115 300 € TVAC.
Brise-soleil extérieur façade sud : 22 500 € TVAC.
Store enroulable extérieur façade ouest : 27 500 € TVAC.

Des subsides peuvent être sollicités auprès de la DGO5 et de la DGO4 (UREBA) pour ce type d’investissement.

La climatisation quant à elle coûterait de l’ordre de 252 500 € TVAC avec un coût d’exploitation annuel de l’ordre de 5 000 € !

Informations complémentaires

Luc BODDIN
Responsable des Biens et Travaux
CPAS de Tournai
Tél : 069 888 934
Email : architecte@cpas-tournai.be

Cette étude de cas provient des Sucess Stories réalisées par l’ICEDD, Institut de conseils et d’études en développement durable en 2004. Depuis cette époque, dans le cadre d’une restructuration des infrastructures du CPAS, le home du Moulin à Cailloux a été reconstruit complétement. Dans le nouveau home, des protections solaires automatiques ont été placées à l’extérieur des fenêtres. Les risques de surchauffe ont ainsi été réduits dès la conception du bâtiment.

Choisir les ouvertures de transfert

Choisir les ouvertures de transfert


Le débit d’air neuf

La somme des débits nominaux des ouvertures de transfert d’un même local doit être au moins équivalente au débit requis (soit environ 22 m³/h par bureau individuel). Le débit fourni par une grille de transfert doit être précisé par le fournisseur pour une différence de pression de 2 Pa.

En pratique la section requise par local est de l’ordre de 70 cm² minimum.


Possibilité de réglage

Les dispositifs de transfert d’air montés en intérieur doivent être fixes (non réglables).


L’intégration dans la structure existante

Les ouvertures de transfert peuvent être des grilles disposées dans le bas de portes ou encore dans les murs.

Une fente suffisamment grande sous une porte peut également convenir (une ouverture de 70 cm² équivaut à un jeu d’environ 1 cm sous une porte).

Illustration ouverture de transfert sur porte.             Illustration ouverture de transfert sur porte.

Transfert d’air au travers d’une porte ou par détalonnage.

Ces fentes peuvent être considérées comme des dispositifs de transfert d’air pour autant que la plus petite dimension de la fente soit au moins de 5 mm (la hauteur de la fente est mesurée à partir du niveau du plancher fini; si la finition de plancher n’est pas connue, on suppose qu’elle a une épaisseur de 10 mm). Dans ce cas, il faut tenir compte d’un débit de :

  • 0,36 m³.h-1 par cm² de fente pour une différence de pression de 2 Pa ;
  • 0,80 m³.h-1 par cm² de fente pour une différence de pression de 10 Pa.

Les ouvertures dans les murs sont plus discrètes, car elles peuvent être cachées sous un meuble, … Cependant, elles doivent être idéalement prévues dès la conception du gros œuvre.

La section d’une fente sous une porte doit correspondre aux exigences après parachèvement de sol. Par exemple, si le sol est ultérieurement recouvert de moquette, il faut rajouter une hauteur de 1 cm à la hauteur de la fente.


L’intimité

Dans la plupart des situations, on souhaite qu’une grille de transfert soit discrète. Pour cela, les grilles sont souvent constituées de lamelles obliques empêchant la vue vers le local voisin.

lamelles obliques d'ouvertures de transfert.

Différentes possibilité de vision au travers d’une grille.

De même, sur le plan acoustique, les grilles intérieures diminuent l’isolation d’une porte. Il existe cependant des modèles possédant un dispositif d’atténuation. Si la grille est disposée dans un mur intérieur, son traitement acoustique est plus aisé étant donné l’épaisseur de la grille.

Grille acoustique d'ouvertures de transfert.Grille acoustique d'ouvertures de transfert.

Ouvertures de transfert acoustiques.

Coupe dans une grille de transfert acoustique garnie d’un matériau absorbant.


Protection incendie

L’A.R. du 19 décembre 97 impose que toute paroi séparant un lieu de travail d’un chemin d’évacuation (en gros les couloirs) soit classée « Rf 1/2 h ».

Cela signifie que les ouvertures de transfert prévues entre les bureaux où l’air neuf est amené et les couloirs par lesquels l’air transite vers les sanitaires doivent avoir la même résistance au feu.

Cela est possible grâce à des grilles de transfert coupe-feu. Pour ce qui est du détalonnage des portes, cela peut prêter à discussion.

Grille coupe-feu : ouverte à température ambiante, elle se referme par foisonnement des lames (en matériau intumescent) à une température de 120°C et est dans ce cas Rf 1h.

Estimer le surdimensionnement d’une chaudière

Estimer le surdimensionnement d'une chaudière


Indice : le temps de fonctionnement annuel

Un indice de surdimensionnement d’une installation est le temps de fonctionnement annuel des chaudières.

On considère souvent qu’une installation correctement dimensionnée doit fonctionner durant 1/3 de la saison de chauffe. Cela signifie que sur les 5 800 … 6 500 heures que dure la saison de chauffe, le brûleur fonctionne à pleine puissance durant 1 500 … 2 000 heures. En dessous de ce chiffre, on considère que l’installation est surdimensionnée d’un facteur :

Facteur de surdimensionnement de la production =
(1 500 … 2 000 [h/an]) / Durée de fonctionnement réelle [h/an]

La valeur « 1 500 … 2 000 h » n’est qu’un ordre de grandeur. En effet, le temps de fonctionnement du brûleur dépend non seulement du surdimensionnement du brûleur, mais aussi du mode d’occupation du bâtiment et de gestion du chauffage (importance des périodes de mise au ralenti), ou encore de la présence d’une production d’eau chaude sanitaire combinée.

On peut connaître le temps de fonctionnement équivalent de l’installation à pleine puissance à partir de la consommation annuelle en combustible.

Sachant que 1 m³ de gaz et 1 litre de fuel équivalent à environ 10 kWh :

Temps de fonctionnement du brûleur [h] =
Consommation [m³/an ou l/an] x 10 [kWh/m³ ou l] / Puissance installation [kW]

La puissance de l’installation dont il est question ici est la puissance maximale de l’installation, c’est-à-dire la puissance maximale du brûleur. Plusieurs cas peuvent se présenter :

Cas 1 : une chaudière au fuel

La puissance du brûleur fuel dépend du calibre du gicleur [gal/h ou kg/h] et de la pression de la pompe [bars] qui définissent le débit de combustible. Ces valeurs sont reprises sur la fiche d’entretien annuel des chaudières. En fonction du type de gicleur (calibré suivant la norme européenne ou suivant la norme américaine), on détermine le débit de fuel suivant une des formules :

où :

  • qfuel = débit de fuel
  • qgicleur = calibre du gicleur (repris dans la fiche d’entretien)
  • p = pression de la pompe fuel (reprise dans la fiche d’entretien)

Pbrûleur [kW] = qfuel [litres/h] x 10 [kWh/litre]

Cas 2 : une chaudière au gaz

Dans le cas d’une chaudière gaz à brûleur atmosphérique, le débit de gaz ne peut être réglé. Les renseignements sont donc directement repris sur la plaque signalétique de la chaudière :

  • soit directement sous forme d’une puissance (« charge calorifique » ou « puissance brute ») en [kW],
  • soit sous forme d’un débit de gaz en [m³/h] qu’il faut multiplier par 10 [kWh/m³] pour obtenir la puissance en [kW].

Dans le cas d’une chaudière gaz à brûleur pulsé, il faut relever le compteur gaz pendant la durée de fonctionnement du brûleur et diviser le volume de gaz mesuré par la durée de fonctionnement du brûleur en heure :

Puissance brûleur gaz [kW] =
Consommation gaz [m³] / Temps marche brûleur [h] x 10 [kWh/m³]

Si le temps de fonctionnement du brûleur est trop court pour permettre la mesure, une mesure cumulée sur plusieurs périodes de fonctionnement conviendra.

Cas 3 : Plusieurs chaudières ou brûleurs à 2 allures

  • Dans le cas d’un brûleur 2 allures, le calcul sera fait sur base de la deuxième allure, c’est-à-dire avec la puissance maximale.
  • Dans le cas d’une chaufferie composée de plusieurs chaudières, on somme la puissance de chaque chaudière.

Attention, dans le cas d’une puissance totale répartie en plusieurs allures de brûleur et/ou plusieurs chaudières, les conclusions que l’on peut tirer du calcul du nombre d’heures de fonctionnement peuvent varier en fonction du type de régulation appliquée.

Exemple.

Un bâtiment de bureaux consomme 25 000 litres de fuel par an. La régulation est estimée comme performante (ralenti nocturne, guère de surchauffes, …). La chaufferie comprend une chaudière de 400 kW dont un extrait de la fiche d’entretien est repris ici :

Selon cette dernière, la puissance du brûleur est de :

10 [kWh/litre] x 5 [gal/h] x 3,78 [litres/gal] x (19 [bars] / 7 [bars]) 1/2 = 311 [kW]

Le temps de fonctionnement du brûleur à cette puissance est de :

25 000 [litres/an] x 10 [kWh/litre] / 311 [kW] = 804 [heures/an]

On peut donc soupçonner en première analyse que la chaudière a une puissance 2  fois trop élevée.


La puissance spécifique en fonction du degré d’isolation du bâtiment

On peut vérifier le dimensionnement d’une installation de production de chaleur en utilisant le tableau suivant :

Puissance de l’installation de chauffage en [W/m³ chauffé]

V/S Niveau d’isolation globale du bâtiment K
K55 K65 K70 K150
0,5 38,3 44,8 48 70,1
1 22,7 26 27,6 49,1
1,5 19,9 22,3 23,4 42,1
2 18,6 20,7 21,8 38,6
3 17,4 19,8 20,9 35,1
4 16,2 17 17,4 33,3

Ici, il ne s’agit pas de calculer précisément le niveau K du bâtiment (cela reviendrait à calculer les déperditions du bâtiment) mais plutôt de choisir un ordre de grandeur sur base des exemples suivants :

K55 = le niveau d’isolation obligatoire en Région wallonne pour tout bâtiment assimilé à du logement construit depuis 1996.
K65 = le niveau d’isolation obligatoire en Région wallonne pour tout immeuble de bureaux ou école construits depuis 1996.
K70 = le niveau d’isolation obligatoire en Région wallonne pour tout bâtiment assimilé à du logement construit entre 1984 et 1996.
K150 = le niveau d’isolation d’un ancien bâtiment non isolé et complètement « passoire ».

V/S = le rapport entre le volume chauffé [m³] et la surface déperditive du bâtiment [m²] (surface des parois entourant le volume chauffé : murs extérieurs, murs en contact avec des locaux non chauffés, plancher inférieur, plafond ou toiture).

Ce tableau a été établi pour un taux de renouvellement d’air du bâtiment de 0,7 vol/h, une température extérieure de base de – 8°C et une température intérieure de consigne de 20 °C.

Calculs

Pour adapter ce tableau à votre propre situation. Le dimensionnement d’une chaudière doit se faire selon la norme décrite ci-dessous.
Exemple.

Bâtiment d’école de 15 x 40 m au sol. Les façades sont composées de simples vitrages et de panneaux légers contenant 4 cm d’isolant. Les murs pignons ne sont pas isolés. Le plancher du rez-de-chaussée repose sur le sol et le plafond du premier étage est en contact avec des combles non occupés en non isolés.

Le volume chauffé « V » est de :

40 [m] x 15 [m] x 5,6 [m] = 3 360 [m³]

La surface déperditive du bâtiment « S » est de :

sol = 15 [m] x 40 [m] (sol) + 15 [m] x 40 [m] (plafond) + 40 [m] x 5,6 [m] x 2 (façades) + 15 [m] x 5,6 [m] x 2 (pignons) = 1 816 [m]

V/S = 1,9

Étant donné le type de bâtiment non isolé, on peut grossièrement estimer le niveau d’isolation globale à : K150

Si l’installation de chauffage a été correctement dimensionnée, la puissance installée doit être voisine de :

38,6 [W/m³], soit 38,6 [W/m³] x 3 360 [m³] = 130 [kW]

Remarquons que l’on est loin des 60 W/m³ utilisés par certains chauffagistes qui ne prennent pas la peine de dimensionner la chaudière suivant la norme !


Le dimensionnement suivant la norme NBN B62-003

Les méthodes ci-dessus ne peuvent être utilisées pour dimensionner réellement une installation. Elles ne peuvent servir qu’à donner un ordre de grandeur de la puissance à installer.

Le dimensionnement d’une nouvelle chaudière doit se faire en calculant les déperditions du bâtiment suivant les normes NBN EN 12831 (2003) et NBN B62 – 003. Pour obtenir un outil pour dimensionner votre chaudière suivant la norme, cliquez ici !

Eté 2008 : Brieuc.
22-08-2008 : 1er passage de mise en page [liens internes, tdm, en bref !, rapide passage général sur la mise en page de la feuille] – Sylvie
24-09-2008 : WinMerge ok – Sylvie

Machine frigorifique à ab/adsorption

Machine frigorifique à ab/adsorption


Principe de la machine à ab/adsorption

Le principe consiste à pulvériser de l’eau en fines gouttelettes dans un récipient sous vide. Du fait de la basse pression, l’eau s’évapore. Pour cela elle a besoin d’une certaine quantité de chaleur qui est extraite de l’eau à rafraîchir, circulant dans un circuit à travers le récipient.

Schéma principe de la machine à ab/adsorption.

Mais ce système ne peut fonctionner très longtemps : rapidement, le récipient sous vide sera saturé de vapeur d’eau, et l’eau dispersée ne s’évaporera plus. Il faut donc un moyen pour maintenir ou recréer le vide dans le récipient !

C’est là qu’intervient le sorbant. C’est soit un liquide, on parle alors d’absorbant, ou un solide poreux, on parle alors d’adsorbant. Il « boit » la vapeur d’eau contenue dans l’ambiance, et la retient. Au fur et à mesure qu’il ab/adsorbe de la vapeur, sa capacité d’ab/adsorption diminue jusqu’à être nulle, à saturation. Le sorbant est alors chauffé à une certaine température et « rend » la vapeur d’eau. Il récupère alors toutes ses propriétés d’ab/adsorption.

Exemple d’absorbant.

Dans les machines frigorifiques à absorption utilisées en climatisation, la substance absorbante est généralement le bromure de lithium (LiBr), le fluide réfrigérant, de l’eau. Ce type de machine permet de refroidir de l’eau jusque environ 5°C. La température de l’eau utilisée pour la régénération de l’absorbant doit être comprise entre 80 et 120°C.

Exemple d’adsorbant.

Le gel de silicium couplé avec de l’eau comme fluide réfrigérant. La température de l’eau utilisée pour la régénération de l’adsorbant doit être comprise entre 65 à 80 °C. Cette température plus basse est un avantage par rapport à la machine à absorption.


Fonctionnement

La machine à absorption

Photo machine à absorption.

La machine frigorifique à absorption se divise en quatre composants principaux :

  1. l’évaporateur,
  2. l’absorbeur,
  3. le concentrateur,
  4. le condenseur.
  1. Dans l’évaporateur, le réfrigérant (ici de l’eau) est pulvérisé dans une ambiance à très faible pression. L’évaporateur est parcouru par un circuit à eau. En s’évaporant, le réfrigérant soustrait sa chaleur à cette eau qui est ainsi refroidie.
    Une partie du réfrigérant pulvérisé ne s’évapore pas et tombe dans le fond de l’évaporateur où elle est pompée pour être à nouveau pulvérisée.

  1. La vapeur d’eau créée dans l’évaporateur est amenée à l’absorbeur. Il contient la solution absorbante (LiBr) qui est continuellement pompée dans le fond du récipient pour y être pulvérisée. Le LiBr absorbe la vapeur d’eau hors de l’évaporateur et y maintient ainsi la basse pression nécessaire à la vaporisation du réfrigérant.

Au fur et à mesure qu’elle absorbe la vapeur d’eau, la solution absorbante est de plus en plus diluée. Elle finirait par être saturée et ne plus rien pouvoir absorber.

  1. La solution est donc régénérée dans le concentrateur. Elle est réchauffée, par une batterie à eau chaude (environ 85°C) et une partie de l’eau s’évapore. La solution régénérée retourne à l’absorbeur.

  1. Enfin, la vapeur d’eau extraite du concentrateur est amenée dans le condenseur, où elle est refroidie par une circulation d’eau froide. L’eau condensée retourne à l’évaporateur.

Deux compléments au système augmentent son efficacité :

  • Une circulation d’eau froide dans l’absorbeur.
    Le phénomène d’absorption génère de la chaleur. La circulation d’eau froide dans le fluide absorbant évite sa montée en température, ce qui diminuerait son efficacité.
    Remarque : l’eau de refroidissement de l’absorbeur peut ensuite passer dans la batterie de refroidissement du condenseur.
  • Un échangeur de chaleur sur le circuit du fluide absorbant.
    Le fluide chaud sortant du concentrateur qui retourne à l’absorbeur préchauffe le fluide qui va vers le concentrateur, économisant ainsi une partie de l’énergie nécessaire pour chauffer le fluide à régénérer.

La machine à adsorption

L’adsorbant étant solide, il est impossible de l’amener au fur et à mesure vers la source de chaleur pour être régénéré.

La machine fonctionne donc de manière cyclique. Deux récipients servent, tour à tour, d’adsorbeur et de désorbeur. Dans la première période, le premier adsorbant est utilisé pour la production de froid, tandis que l’autre est parcouru par l’eau chaude, et ainsi régénéré. Dans la seconde période, lorsque le premier adsorbant est saturé, il est remplacé par le second pour la production de froid, et est alors lui-même régénéré.

Techniques

L’utilisation des roues dessicantes est une application de ce principe.


Analogie avec la machine frigorifique traditionnelle

Bien que la machine à sorption semble assez différente de la machine frigorifique traditionnelle, le principe de base de fonctionnement reste le même :

  • circulation d’un fluide réfrigérant,
  • évaporation du fluide avec production de froid,
  • compression du fluide demandant un apport d’énergie,
  • condensation du fluide avec production de chaleur.

La différence réside dans :

  • Le moyen de comprimer le fluide,
    • mécanique dans le cas d’une machine traditionnelle,
    • thermochimique dans le cas de la machine à sorption.
  • Le type d’énergie nécessaire à cette compression
    • électrique dans le cas d’une machine traditionnelle,
    • calorifique dans le cas de la machine à sorption.

Machine frigo traditionnelle.

Machine frigo à absorption.


L’efficacité énergétique ou COP-froid

Une machine frigorifique est énergétiquement efficace si elle demande peu d’énergie pour fournir une puissance frigorifique donnée.

Schéma principe efficacité énergétique ou COP-froid.

On évalue son efficacité par le calcul du COP (coefficient de performance) : rapport entre la puissance frigorifique produite et la puissance fournie au compresseur.

  • Dans le cas d’une machine frigorifique traditionnelle, la puissance fournie est électrique. Le COP d’une telle machine peut atteindre la valeur de 3, voire plus.
  • Dans le cas d’une machine frigorifique à absorption, le COP réel tourne autour de 0.7; celui d’une machine à adsorption varie entre 0.5 et 0.6.

Quel est alors l’intérêt d’une telle machine ?

Un premier avantage réside dans l’absence de compresseur mécanique, donc de vibrations et de bruits. D’où le fait que ces machines demandent un entretien limité et présentent une grande longévité.

Le second avantage vient de la possibilité de valoriser une énergie calorifique disponible et d’éviter ainsi la consommation électrique d’un compresseur.


Quelles sources de chaleur ?

La machine à sorption « fait du froid avec du chaud » !

Voici de quoi éveiller notre désir d’utiliser de la chaleur « gratuite » ! Ce n’est pas pour rien que ce type de machine est surtout répandue dans le secteur industriel parce que certains process libèrent une chaleur importante dont il est possible de tirer une puissance frigorifique utile par ailleurs.

Dans le secteur du bâtiment, on peut imaginer deux possibilités :

Refroidissement solaire

L’intérêt du refroidissement solaire réside dans la simultanéité de la demande de froid et de l’ensoleillement. Lorsque la chaleur nécessaire au fonctionnement de la machine frigo est fournie par le soleil, le froid fourni est gratuit (pas de coût, pas de pollution).
Ce système n’est pourtant pas encore utilisé en Belgique pour deux raisons :

  1. Pour fonctionner, la machine frigo à absorption demande une température d’eau minimale qui se situe entre 70 et 95°C en fonction du couple solvant-réfigérant. Pour atteindre cette température, l’emploi de capteurs performants est indispensable (sélectifs, sous vide, à faible concentration), ce qui induit un coût d’investissement assez important.
  2. Lorsque l’ensoleillement n’est pas suffisant pour fournir de l’eau à température adéquate, une autre source de chaleur (d’appoint ou de substitution) doit permettre le fonctionnement du système. Des solutions de stockage peuvent résoudre le problème à certaines périodes, mais il reste toujours un certain nombre d’heures de fonctionnement où la chaleur doit être produite par du gaz ou du fuel. Pendant ces heures, le rendement du système est faible comparé au système classique de la machine frigorifique à compression.
    L’intérêt de la machine frigorifique à absorption couplée avec des capteurs solaires doit donc être évalué sur base d’une moyenne annuelle, en tenant compte des heures d’ensoleillement exploitables. Cette évaluation dépend de nombreuses valeurs à estimer :

    • rendement de la chaudière,
    • rendement de la machine frigorifique à absorption,
    • proportion de la demande de froid qu’on peut produire avec l’énergie solaire (X) qui dépend du nombre d’heures d’ensoleillement exploitables,
      rendement moyen de la production électrique en centrale,
    • COP de la machine frigorifique à compression.

    Avec les hypothèses prises dans le schéma ci-dessus, le bilan au niveau de la consommation d’énergie primaire est favorable au système de refroidissement solaire si au moins 51 % de la demande de froid peut être satisfaite par l’énergie solaire. Pour évaluer la rentabilité économique du système, il faudrait tenir compte des prix de l’énergie et des coûts d’investissement.
    On peut néanmoins conclure de cette comparaison grossière qu’un tel système est à exclure, sous notre climat, pour un bâtiment dont la demande de froid proviendrait principalement des charges internes : la demande ne pourrait alors certainement pas être rencontrée par l’ensoleillement plus de la moitié du temps.
    Il pourrait par contre être envisagé pour un bâtiment dont la demande de froid est limitée aux mois d’été grâce à une conception adéquate (protections solaires, valorisation de l’inertie thermique, free cooling ou free chilling,…).

 

Toiture plate : types de supports

Toiture plate : types de supports

Tant en construction neuve qu’en rénovation, la nature du support du complexe isolant-étanchéité est généralement défini.

C’est donc la nature du support qui influencera les techniques choisies pour réaliser l’isolation thermique et l’étanchéité, et non l’inverse.

Les supports sont à considérer en fonction de leur :

  • capacité portante,
  • déflexion,
  • coefficient de transmission thermique,
  • comportement hygrothermique.

On distinguera :


Les dalles monolithes

La dalle monolithe peut-être :

  • Un béton armé plein coulé sur place.

Béton coulé sur place.

  • La couche de compression d’éléments préfabriqués en béton ou en terre cuite.

Couche de compression sur poutrains et claveaux.

  • Un béton de pente avec granulats lourds ou légers.

La forme de pente ne peut être réalisée en béton léger (NIT 134 p 30).

Béton de pente.


Les éléments fractionnés en béton ou en terre cuite

Sont compris dans cette catégorie

  • Les éléments préfabriqués en béton sans couche de compression.
  • Les éléments en terre cuite sans couche de compression.
  • Les éléments préfabriqués en béton léger.

Éléments préfabriqués sans couche de compression.


Les planchers en bois et les panneaux en matière végétale

Cette catégorie comprend

  • Les planchers ou voligeages en bois.

Tous les éléments en bois doivent être traités contre les champignons et les insectes avant d’être mis en œuvre. Les produits de traitement doivent être compatibles avec les autres matériaux mis en œuvre : isolation, pare-vapeur, étanchéité, accessoires, etc.

Plancher en bois.

  • Les panneaux de particules de bois.

Si la structure est un panneau de bois aggloméré celui-ci doit appartenir à la classe « B » suivant STS 04.6

Panneau en bois aggloméré.

  • Les panneaux multiplex.

Si la structure porteuse est en multiplex, celui-ci doit être de qualité pour menuiserie extérieure.

Panneau en bois multiplex.


Les panneaux en fibres organiques liées au ciment

Panneau en fibres de bois liées au ciment.


Les tôles profilées

Tôle profilée.


Les panneaux de toiture composites

Panneaux composites agglo + EPS + agglo
renforcé par des poutrelles métalliques.

Concevoir le raccord entre souche de cheminée et versant isolé

Concevoir le raccord entre la souche de cheminée et le versant isolé


Généralités

La souche de cheminée étant fort exposée aux pluies battantes, on la réalise comme un mur creux dont la paroi extérieure est en briques de parement ou en bardage.

Son pied doit donc être drainé tout comme un pied de façade en murs creux. L’eau qui s’infiltre au travers de la maçonnerie de parement et qui arrive dans la coulisse est dirigée vers l’extérieur par une membrane, via des joints verticaux ouverts.

La membrane peut dépasser de quelques millimètres le nu du parement de manière à former casse-goutte ou déborder bien davantage pour permettre son raccord avec la bande de solin. Celle-ci est nécessaire à tous les raccords de la souche de cheminée avec la toiture : amont, latéral ou aval.

Étanchéité dans le mur et bande de solin d’une pièce.

Etanchéité et bande de solin séparés.
Recouvrement dans le même joint de mortier.

Etanchéité située une rangée de briques au-dessus de la bande de solin.

Bardage.


Continuité des fonctions « couverture » et « sous-toiture » – Raccord amont avec la toiture

Continuité de la fonction de la couverture

La cheminée se situe idéalement sur le faîte du toit. C’est la position qui assure le meilleur fonctionnement du conduit de fumée, et qui évite l’arrêt des eaux de ruissellement en amont de la cheminée. Dans les autres situations, il faut prévoir un chenal qui récolte ces eaux de ruissellement et les évacue sur les côtés de la cheminée.
Lorsque la cheminée est large ou éloignée du faîte, un chéneau à base horizontale plutôt qu’un chéneau épousant la pente du versant est conseillé. Lorsque le chéneau dépasse un mètre de long, il est même conseillé de lui donner une pente.

Il faut également assurer l’étanchéité :

  • d’une part, entre le chéneau et la cheminée,
  • d’autre part, entre le chéneau et la toiture.

Continuité de la fonction « sous-toiture »

La souche de cheminée doit être protégée des eaux qui ruissellent sur la sous-toiture en amont de la cheminée; celles-ci doivent être évacuées de part et d’autre de la cheminée.

Exemples

Cas d’une isolation entre chevrons ou fermettes – 1° exemple

Schéma cheminée et isolation entre chevrons ou fermettes.

Raccord avec la couverture à l’amont de la cheminée.
Isolant placé entre les chevrons ou les fermettes.
Une membrane dévie les eaux de la sous-toiture.

  1. Isolant
  2. Sous-toiture aboutissant au-dessus de la membrane 5
  3. Contre-latte
  4. Volige supportant le chéneau
  5. Membrane pliée déviant les eaux de la sous-toiture
  6. Support du voligeage
  7. Chéneau
  8. Bande de solin
  9. Membrane d’étanchéité
  10. Joint vertical ouvert
  11. Finition de plafond
  12. Blocs isolants
  13. Pare-vapeur

Continuité de la sous-toiture :

Elle est réalisée par une membrane d’étanchéité :

Des voliges sont placées entre les fermettes ou les chevrons à l’intersection amont de la souche de cheminée et de la toiture. Une membrane est posée sur ces voliges, remonte le long de la cheminée et déborde de celle-ci latéralement. Les plaques de sous-toiture sont posées sur la membrane et jusque contre la souche de cheminée. Le débordement latéral de la membrane doit se trouver au-dessus de la sous-toiture proprement dite de manière à ce que l’eau infiltrée puisse ruisseler sur la sous-toiture.

Lorsque la cheminée se trouve très proche de la ligne de faîtage, la membrane fait office de sous-toiture entre le faîte et la cheminée.

Raccord amont d’une cheminée située à proximité du faîte
(Photo extraite de la NIT 175 du CSTC).

Continuité de l’étanchéité à la pluie (= fonction de la couverture) :

Réalisation du chéneau :

Des voliges de l’épaisseur des lattes sont placées sur les contre-lattes et forme le support du chéneau.
Le chéneau proprement dit est réalisé en métal (zinc, plomb, cuivre, aluminium, acier inoxydable) ou à l’aide d’une membrane d’étanchéité souple.

Étanchéité des raccords :

Des solins assurent l’étanchéité du raccord entre le chéneau et la cheminée.

Les éléments de couverture sont posés en porte-à-faux su la dernière latte de manière à couvrir le haut du chéneau.

Cas d’une isolation entre chevrons ou fermettes – 2° exemple :

Schéma cheminée et isolation entre chevrons ou fermettes.

Raccord avec la couverture à l’amont de la cheminée.
Isolant placé entre les chevrons ou les fermettes.
La sous-toiture aboutit dans le chéneau.

  1. Isolant
  2. Sous-toiture aboutissant au-dessus de la bavette en zinc 11
  3. Contre-latte
  4. Volige supportant le chéneau
  5. Solin en zinc
  6. Membrane d’étanchéité
  7. Chéneau
  8. Joint vertical ouvert
  9. Finition de plafond
  10. Blocs isolants
  11. Bavette en zinc
  12. Pare-vapeur
Cas d’une toiture « Sarking »

Schéma raccord cheminée / toiture "Sarking".

Cheminée avec bardage en ardoises.
Raccord avec la couverture à l’amont de la cheminée.
Isolant placé au-dessus des chevrons ou des fermettes.
Membrane ou bavette sur le panneau isolant.

  1. Couverture
  2. Latte
  3. Contre-latte
  4. Sous-toiture éventuelle
  5. Isolant
  6. Chevêtre dans le chevronnage
  7. Panne de charpente
  8. Bardage
  9. Chéneau
  10. Blocs isolants
  11. Membrane souple ou bavette métallique avec joint mastic

Cheminée avec parement en brique.
Raccord avec la couverture à l’amont de la cheminée.
Isolant placé au-dessus des chevrons ou des fermettes.
Latte d’arrêt inclinée sur le panneau isolant.

  1. Couverture
  2. Latte
  3. Contre-latte
  4. Sous-toiture éventuelle
  5. Isolant
  6. Chevêtre dans le chevronnage
  7. Panne de charpente
  8. Bande solin
  9. Chéneau
  10. Blocs isolants
  11. Latte en bois inclinée avec joint mastic

La continuité de l’étanchéité à la pluie (= fonction de la couverture) est réalisée de la même manière que dans les exemples précédents.

Quant à la fonction « sous-toiture », vu qu’elle peut être assurée par le panneau isolant lui-même et que les panneaux isolants sont rigides, sa continuité est réalisée de manière un peu différente. Elle peut être obtenue par :

  • une membrane souple ou bavette métallique fixée sur le panneau isolant d’une part et sur la souche de cheminée d’autre part (voir 1er dessin),
  • ou par ou par une latte d’arrêt fixée sur le panneau isolant (voir 2ème dessin),

et dont le raccord avec le panneau isolant est réalisé au moyen d’un joint de mastic souple.
La membrane, la bavette ou la latte doivent déborder latéralement de la cheminée pour évacuer les eaux de ruissellement de part et d’autre de la cheminée.


Continuité des fonctions « couverture » et « sous-toiture » – Raccord latéral et aval avec la toiture

Le raccord latéral et aval entre la cheminée et la toiture se traite comme le raccord entre la toiture et un mur en butée.

Raccord aval de la couverture avec la cheminée.

  1. Solin
  2. Bavette en plomb
  3. Étanchéité et joint vertical ouvert dans le parement
  4. Latte
  5. Contre-latte
  6. Sous-toiture
  7. Isolant
  8. Pare-vapeur
  9. Espace technique
  10. Finition du plafond
  11. Blocs isolants

Continuité de la fonction de la couverture

Le raccord se fait au moyen de bavettes en plomb posées sur les éléments de couverture et épousant parfaitement leur forme d’une part, et sur la souche de cheminée d’autre part. L’étanchéité est obtenue grâce à des solins engravés dans la maçonnerie.

Continuité de la sous-toiture

La liaison de la sous-toiture avec les faces latérales et aval de la cheminée peuvent être assurées comme celle avec la face amont de la cheminée. Mais dans le cas de sous-toiture en plaques rigides, on se limite, en général, à poser celles-ci contre la souche de cheminée.

Dans le cas d’une toiture « Sarking », la continuité de la fonction « sous-toiture » est assurée par le cordon de mousse de polyuréthane injecté entre le panneau isolant et la cheminée.


Continuité de la fonction « isolation »

Il doit y avoir continuité entre l’isolation de la toiture et de celle de cheminée. Cette continuité nécessite l’utilisation de blocs moins conducteurs que la maçonnerie tels que les blocs de béton cellulaire ou carrément les « blocs » en verre cellulaire.

Exemples.

Bon ! Des blocs isolants évitent les ponts thermiques.

Mauvais ! Ponts thermiques importants !


Continuité de la fonction « pare-vapeur » et « finition intérieure »

La continuité de la fonction « pare-vapeur » n’est pas spécifique à la souche de cheminée mais au type de modèle d’isolation : elle est assurée par un bon raccord au corps de cheminée :

La finition intérieure de la toiture est raccordée de manière étanche à la finition intérieure du corps de cheminée de façon à supprimer tout risque de courant d’air.

Remplacer les optiques existantes par des optiques performantes

Remplacer les optiques existantes par des optiques performantes


Le principe

Grâce au développement d’optiques à miroir, le rendement lumineux des luminaires est actuellement passé de 40 % à plus de 70 %.

Pour des bâtiments de grande taille et équipé d’un système d’éclairage reproductible, on pourrait conserver les armatures et y incorporer un dispositif comprenant une optique à miroir, des ventelles paraboliques et un ballast électronique. On parle ici de « retrofit ». Le dispositif est préassemblé et il suffit de le raccorder dans le boîtier existant. Cette opération ne demande pas de modification des plafonds, ni de la commande, ni parfois de démontage des luminaires. Elle peut donc se faire rapidement, sans interruption significative des activités. Dans les cas idéaux, un travail de 5 minutes est nécessaire par luminaire.

  

Avant / après …

Économie d’énergie

Le seul remplacement des optiques ne diminue pas les consommations (puissance électrique installée inchangée) mais améliore le confort visuel (suppression de l’éblouissement, …). L’amélioration du rendement des luminaires doit donc être accompagnée de la diminution de la puissance totale des lampes (suppression de lampes, diminution de la puissance des lampes).

Lorsque l’on supprime des lampes dans un luminaire, il faut prévoir un dispositif (morceaux de tôle, panneaux semblables au faux plafond, …) pour refermer l’espace laissé libre par la nouvelle optique plus petite. Cette situation survient également si on diminue la puissance des lampes, puisque les nouvelles lampes auront des dimensions moindres.

L’inconvénient de cette rénovation est le maintien de l’emplacement des luminaires, qui peut ne pas être optimum ou ne plus convenir à une nouvelle occupation des locaux.

Cas particulier : les tubes nus

Lorsque le local est équipé de réglettes nues, il est simplement possible d’obtenir des niveaux d’éclairement corrects en plaçant au dessus des lampes des réflecteurs de type miroir. Ceci est nettement moins onéreux qu’une rénovation complète de l’installation.

Dans tous les cas, le gestionnaire du ou des bâtiments devra faire appel à des professionnels comme un bureau d’étude spécialisé en éclairage ou un constructeur sachant que le remplacement du « cœur » du luminaire sans toucher à la distribution des alimentations ne permet pas de réduire les consommations électriques inhérentes à la mauvaise gestion des luminaires ; on citera principalement le bon zonage et la régulation du flux lumineux en fonction de l’apport d’éclairage naturel dans les locaux avec baies vitrées.

Distribution lumineuse d’un luminaire

Distribution lumineuse d'un luminaire

La forme du réflecteur et les positions de la lampe permettent d’obtenir différents modèles de distributions lumineuses :
  • distribution extensive : donne un éclairement uniforme, permet un espacement plus important des luminaires et accentue les contrastes au niveau du plan de travail,
  • distribution intensive : concentre le faisceau lumineux vers le bas. Ce mode d’éclairage est intéressant pour l’éclairage des travées de grande hauteur ou pour le travail sur écran,
  • distribution asymétrique : permet d’éclairer, par exemple, des surfaces verticales telles que des tableaux ou des murs.

Schéma distribution extensive, intensive et asymétrique.

Schéma diagramme polaire.

Dans les catalogues, la distribution lumineuse d’un luminaire est représentée par un diagramme polaire reprenant en trait continu la distribution perpendiculaire aux lampes et en pointillé la distribution dans l’axe des lampes.

Humidificateurs à pulvérisation d’eau froide

Humidificateurs à pulvérisation d'eau froide


Principe de fonctionnement

Un humidificateur à pulvérisation d’eau froide peut être utilisé :

  • soit pour l’humidification directe des grands locaux (halls de fabrication, ateliers, …),
  • soit comme un des éléments insérés dans une centrale de traitement d’air.

Le principe commun à tous les systèmes à pulvérisation est de créer un fin brouillard par des micro-gouttelettes d’eau froide en suspension. Le mélange eau – air doit être intime afin que l’évaporation de l’eau puisse se faire le plus rapidement possible.

Schéma de principe de fonctionnement.

Quelques gouttelettes non évaporées risquent d’être entraînées par le jet d’air, si bien que l’on prévoit un casse-gouttelettes à la sortie : si l’air évolue souplement entre les lamelles, les gouttes se fracassent sur les ailettes, entraînées par leur masse cinétique !

Il existe des systèmes où l’on travaille « à refus », avec comme objectif d’approcher la saturation de l’air. Dans ce cas, l’eau excédentaire, qui n’a pas pu s’évaporer, retombe dans le bac au fond du caisson où une pompe la recycle vers la rampe de gicleurs.

Dans d’autres systèmes, on pulvérise seulement la quantité d’eau nécessaire, en travaillant à débit variable en fonction des besoins.


Évolution dans le diagramme de l’air humide

Dans l’humidificateur, les micro-gouttelettes passent de l’état liquide (eau) à l’état gazeux (vapeur). Ce changement d’état demande de la chaleur (dite « chaleur de vaporisation »).

Cette chaleur est prise sur l’air qui se refroidit en traversant le caisson (c’est un peu comme l’impression de froid ressentie en sortant du bain : l’eau présente sur notre peau s’évapore, en prenant la chaleur de vaporisation sur notre corps … qui se refroidit !).

Le bilan énergétique global est neutre : la chaleur perdue par l’air est transférée dans la vapeur d’eau contenue dans l’air. On parle d’un bilan enthalpique neutre. On dit encore qu’il s’agit d’un humidificateur isenthalpique ou adiabatique. Dans le diagramme de l’air humide, l’air subit un refroidissement dessiné le long d’une isenthalpique.

Exemple : de l’air à 20°C 30 % HR sort de l’humidificateur à 12°C et 85 % HR.
Remarques.

  • En réalité, cette évolution s’écarte légèrement d’une isenthalpe, car on devrait tenir compte de l’enthalpie de l’eau froide, mais la différence est négligeable.
  • Lorsque l’eau est recyclée en permanence, la température de l’eau se stabilise à la température de bulbe humide th de l’air (dans l’exemple : 11,3°C)

Il est intéressant de prendre conscience de l’impact technologique de ce type d’humidification sur le traitement d’air en hiver : deux échangeurs de chaleur seront nécessaires, au moins pour les humidificateurs sans recyclage, pour réaliser préchauffe et postchauffe.


Technologie

Technologie sans recyclage

Appareils à pulvérisation par centrifugation

Il s’agit de disques tournant à plusieurs milliers de tours/minute qui, par l’action de la force centrifuge, pulvérisent des aérosols aqueux d’un diamètre de l’ordre de 5 à 30 microns (µm). Ces micro-gouttelettes sont cette fois totalement évaporée dans l’air pulsé.

Schéma principe appareils à pulvérisation par centrifugation.

Il est intéressant de se rendre compte qu’un débit variable peut être obtenu par une modulation du débit d’eau avec une vitesse de rotation reste inchangée (ainsi que la taille des gouttelettes).

Dans ces systèmes, les micro-gouttelettes sont cette fois totalement évaporée dans l’air pulsé, si bien que les sels présents dans l’eau sont véhiculés vers les locaux ! La décision d’alimenter ces appareils avec de l’eau déminéralisée dépend des exigences hygiéniques et de la sensibilité des équipements présents dans les locaux (matériel informatique, par exemple). Le traitement de l’eau ne peut pas se faire par un adoucisseur traditionnel (car son principe est basé sur l’échange entre sels calcium et sels sodium) mais, par exemple, un système par osmose inverse.

Ce type d’appareil demande un espace suffisant pour que les micro-gouttelettes puissent s’évaporer avant de rentrer en contact avec un obstacle quelconque.

Si un appareil à centrifugation est introduit dans un caisson de climatisation en remplacement d’un laveur, par exemple, le dimensionnement en sera fort critique puisque la longueur minimale de vaporisation est fonction de la température de l’air, des débits d’eau et d’air, de l’humidité absolue recherchée, de la section du caisson, de la vitesse de l’air, … Le risque est amplifié par le fait que le séparateur de gouttelettes n’est pas toujours capable d’arrêter d’aussi fines particules. Un certain nombre d’entre elles seront entraînées par le flux d’air. Une solution consiste alors à placer un filtre à poche en aval de l’humidificateur. Ce filtre humide retiendra d’ailleurs une partie des minéraux. Mais… d’une part ces sels calcaires colmateront le filtre par des dépôts durs (augmentant les pertes de charge) et d’autre part ce milieu humide sera propice au développement de germes !

Pour les appareils à humidification directe, il existe des modèles déposés sur pied, suspendus au plafond, ou fixés sur un mur.

Schéma principe appareils à pulvérisation par centrifugation.

a. Pulvérisation avec recyclage
i. Régulation via point de rosée
ii. Pré-chauffe + post-chauffe
b. Humidificateur par centrifugation avec réservoir d’eau
c. Humidificateur par ultrasons avec réservoir d’eau
i. Faible débit (50W à 100W par kg d’eau pulvérisée)

Variante : appareils à pulvérisation par buses fixes à débit variable

Il est possible d’équiper les humidificateurs de pompes à débit variable (via un convertisseur de fréquence, par exemple). Si deux rampes sont prévues, une peut être fixe et l’autre variable, afin d’assurer en permanence une bonne adaptation du débit aux besoins des locaux. La régulation n’est cependant pas aussi précise qu’avec des humidificateurs à vapeur.

Les inconvénients du recyclage sont évités, ce qui est favorable sur le plan hygiénique, mais les sels restent en suspension dans l’air, ce qui peut entraîner le besoin de traiter l’eau au préalable.

Shéma principe appareils à pulvérisation par buses fixes à débit variable.

Dans un hall industriel.

Dans un caisson de traitement d’air.

 

Technologie avec recyclage

Appareils à pulvérisation par buses fixes, à eau recyclée, à débit constant

Dans ce cas, on parle d’un caisson « laveur d’air », dans lequel un brouillard est créé par la pulvérisation de micro-gouttelettes d’eau. L’air est pulsé au travers de cette « drache nationale » et en ressort … mouillé ! En pratique, le degré hygrométrique de l’air à la sortie est proche de 95 %. en réalité, seulement 1 % peut-être du débit d’eau pulsé est évaporé !

Les laveurs à pulvérisation présentent une ou deux rampes de gicleurs, disposées à courants parallèles et/ou à contre-courant.

L’eau évaporée ne contient pas de sels. Ceux-ci retombent avec l’eau excédentaire dans le bac, au fond de l’humidificateur. La concentration en sel dans l’eau du bac augmente régulièrement si bien qu’il est prévu une déconcentration par un renouvellement périodique de cette eau. Un robinet à flotteur permet l’alimentation automatique en eau d’appoint pour compenser les pertes par évaporation et le débit de déconcentration. À noter que la fréquence de déconcentration peut être automatisée par une mesure de la conductivité thermique qui augmente avec la teneur en sels.

Le châssis du laveur sera agressé par le mélange eau-air. Il est donc recommandé d’utiliser une structure en matériau synthétique, armé de fibres de verre. Son isolation thermique est également meilleure, ainsi que sa tenue aux produits d’entretien et désinfectants. Si de l’eau déminéralisée est utilisée, le châssis en matériau synthétique s’impose. Les châssis en acier galvanisé ne sont plus à recommander.

L’efficacité d’un laveur d’air, c’est-à-dire le pourcentage d’humification effectif ramené au pourcentage d’humidification maximal (celui qui amène l’air à la saturation) est de l’ordre de 85 à 95 %. Ceci est fonction :

  • du nombre de gicleurs,
  • de la direction de la pulvérisation (l’efficacité étant meilleure à contre-courant),
  • de la longueur du caisson (en général de 1,5 à 3 m),
  • de la vitesse de l’air (généralement 2 à 4 m/s, mais pouvant atteindre 7 m/s),
  • du degré de pulvérisation, soit le rapport masse en eau/masse en air (en général de 0,3 kg d’eau par m3 d’air)

Il importe de ne pas confondre un rendement d’humidificateur de 85 % et un humidificateur qui humidifie l’air jusqu’à 85 % HR ! De l’air entrant à 40 % dans un laveur à 85 % d’efficacité en ressort à 40 % + 0,85 x (100 % – 40 %) = 91 % HR.

Variante : appareils à pulvérisation par buses fixes à eau pressurisée

De l’eau, sous une pression de 70 bars, est pulvérisée sur une aiguille qui brise le jet. Des aérosols de 2 à 50 microns sont produits, avec un débit fonction de la pression.

Les applications se situent essentiellement dans l’humidification des grands espaces industriels et agricoles.

Variante : appareils à pulvérisation par buses fixes à eau et air comprimé

Cette fois, c’est l’air comprimé qui est le propulseur et qui entraîne l’eau par dépression.

Ceci permet des aérosols de très faibles diamètres (5 à 10 microns) et une très bonne diffusion de ceux-ci dans l’air.

Schéma principe appareils à pulvérisation par buses fixes à eau et air comprimé.

Photo appareils à pulvérisation par buses fixes à eau et air comprimé.

L’air pulsé doit être exempt de toutes impuretés.

Ils sont souvent utilisés pour l’humidification directe des grands espaces (débits importants de plus de 250 kg/h) mais également pour l’humidification de caissons de climatisation très volumineux. Dans ce cas, un séparateur de gouttelettes est superflu, vu la dimension des particules.

À titre d’exemple, une augmentation d’humidité absolue de 5 gr d’eau par kg d’air sec et une vitesse d’air de 2,5 m/s demande une profondeur pour le dard d’humidification de 3 à 4 m.

Dès lors, en climatisation par réseau de gaines, la difficulté réside dans l’emplacement des équipements.

De plus, la technologie à mettre en place (et leur maintenance…) est plus lourde, vu les deux fluides à préparer.

La régulation se fait par action sur la proportion d’air comprimé.

Le coût d’exploitation est généralement plus élevé que dans le cas des autres systèmes à pulvérisation.

Variante : appareils à pulvérisation par ultrasons

Schéma principe appareils à pulvérisation par ultrasons.

Photo appareils à pulvérisation par ultrasons.

Photo appareils à pulvérisation par ultrasons.

Le principe de fonctionnement de l’appareil est basé sur la mise en vibration d’une lame métallique (convertisseur piézo-électrique) à 1,65 MHz, cette lame étant située sous une couche d’eau. L’inertie de l’eau est telle qu’elle ne peut suivre le rythme. Les dépressions et les surpressions successives créent des micro-bulles qui remontent vers la surface. Du bouillonnement, jaillissent en surface des micro-gouttelettes (7 à 10 microns). De plus, des ondes sonores sont générées en surface, ce qui renforce les chocs entre les molécules.

Un brouillard s’élève de la surface…

Le débit d’eau atomisée est situé entre 1 et 20 kg/h, suivant le type d’appareil.

La puissance électrique absorbée est faible puisque l’énergie de vaporisation n’est pas assurée par l’appareil (seul le fractionnement mécanique en gouttelettes est réalisé). Elle se situe autour des 50 à 100 W par kg/h, soit moins de 10 % de la puissance demandée par un humidificateur à vapeur.

L’eau doit être déminéralisée préalablement.

Un rinçage automatique est conseillé (remplacement périodique de l’eau dans l’appareil), afin d’éviter le développement de germes, mais la consommation totale en eau de l’appareil reste beaucoup plus faible que dans les autres types d’humidificateurs.

Si l’appareil est disposé dans une gaine, une vitesse de 1,5 à 3 m/s est requise pour le balayage de l’air au-dessus de la surface de l’eau. Ceci sous-entend parfois que la section du gainage soit augmentée pour réduire la vitesse.

L’humidificateur à ultrasons peut être placé directement dans l’ambiance à traiter. Il existe également des modèles prévus pour être intégrés dans un ventilo-convecteur.

 


Avantages

D’une façon générale, les humidificateurs par pulvérisation :

  • Engendrent moins de pertes de charge que le laveur à ruissellement.
  • Ne présentent pas l’inconvénient de l’encrassement de la surface de ruissellement.

Les humidificateurs à eau froide prennent sur l’air la chaleur de vaporisation de l’eau. L’énergie de vaporisation est donc apportée par le chauffage de l’air, au moyen d’une batterie de chauffe, par exemple. Ceci permet d’utiliser un combustible traditionnel (fuel, gaz, …), plus avantageux que le vecteur électrique utilisé dans la plupart des humidificateurs à vapeur, par exemple (voir comparaison du prix des énergies).
En particulier,

  • Les appareils à pulvérisation par centrifugation ou par buse rotative, permettent une régulation du débit d’eau sur hygrostat.
  • Les appareils à pulvérisation directe dans un local sont de puissance électrique faible et de grande facilité d’installation.

Inconvénients

Les humidificateurs par pulvérisation avec eau recyclée présentent les inconvénients hygiéniques liés à la stagnation de l’eau au fond du bac de ruissellement. Un entretien régulier est indispensable ce qui augmente les coûts d’exploitation.

Les systèmes par buse impliquent une maintenance complexe liée à la présence du compresseur, de la gaine d’eau ou d’air comprimé, et en particulier à l’encrassement des buses. Un traitement de l’eau par osmose inverse est recommandé pour limiter la maintenance des buses.

La consommation en eau liée à la déconcentration n’est pas négligeable.

L’intégration des humidificateurs par pulvérisation sans recyclage d’eau n’est pas toujours aisée dans un caisson de climatisation vu la portée du diffuseur et le risque d’humidification des conduits par des micro-gouttelettes non arrêtées par le séparateur.


Maintenance

Lorsqu’on parle d’humidification surgit très souvent la crainte de la légionellose. Il faut savoir que les légionelles se multiplient à partir d’une température de 20°C; la croissance est maximum jusqu’à environ 45°C. Elles meurent dès qu’on dépasse 60°C.

Ce type de bactérie se développe en eau stagnante, en présence de substances organiques, d’algues vertes, d’amibes, tartre, etc.

Il est conseillé, sous réserve des précautions habituelles, de désinfecter les agrégats pendant 48 heures avec 5 à 10 ppm de chlore dans l’eau.

Précautions à prendre

Pour minimiser les risques de présence excessive de légionelles, on peut :

  • Se rappeler qu’en été la température de l’eau de ville est plus élevée qu’en hiver. Un bac stockant de l’eau risque d’être un bouillon de culture.Éviter des tuyauteries plastiques transparentes. L’eau déminéralisée semble être sensible à la lumière et cela favorise l’apparition d’algues.
  • Les humidificateurs travaillant avec de l’eau à une température supérieure à 60°C ne présentent pas de risque, pour autant qu’il n’y ait pas de longues interruptions sans vidange.
  • Installer des appareils avec rayons ultraviolets. En effet les rayons UV ont la propriété de tuer les légionelles. Mais la durée de vie des lampes à ultraviolets est limitée dans le temps. Un remplacement s’impose après un certain nombre d’heures.
  • Attention aux périodes d’arrêt de l’installation, qui entraînent la prolifération de germes ! Une vidange et un nettoyage s’imposent, au moins deux fois par an et au mieux une fois par mois. Idéalement, on peut automatiser la chose :
    • par horloge,
    • par un système de mesures qui commande la vidange dès que la température de l’eau dépasse un seuil (en fonctionnement, la température s’abaisse à la*température de bulbe humide* de l’air),
    • on sera attentif, lors de la sélection du matériel, à la facilité de démontage des buses pour un entretien facile.
  • Le contrôle d’une éventuelle humidification de la gaine à la sortie du caisson est utile pour prévenir tout foyer de développement de germes. Cela pourrait être la conséquence d’une vitesse trop élevée de l’air dans le caisson, emportant les gouttelettes au-delà du séparateur.

Traitement de l’eau

Afin d’éviter l’entartrage des pulvérisateurs, il est conseillé d’utiliser une eau ayant subi un adoucissement puis un mitigeage pour atteindre 10 à 15°F de dureté.

Le constructeur précise le pourcentage de déconcentration à adopter en fonction de la qualité de l’eau initiale. Un calcul du débit de déconcentration est proposé.

Dans le cas des humidificateurs à pulvérisation sans recyclage, pour éviter que les sels ne soient dispersés dans l’ambiance, il est utile de déminéraliser l’eau pulvérisée. Il faut distinguer ici « déminéralisation » et « adoucissement » de l’eau. La déminéralisation élimine les sels présents (par carbonation ou osmose inverse) tandis que l’adoucissement échange les ions calcaires et magnésium par des ions sodium. Adoucir, technique plus classique et moins onéreuse, n’évite pas le problème de la diffusion des sels dans l’ambiance.


Régulation

Pour les humidificateurs d’ambiance directe

On utilise généralement des humidificateurs par action tout ou rien sur la pompe de gicleurs ou par étagement de rampes, l’hygrostat enclenchant l’appareil lors du dépassement d’un seuil réglable. Un hygrostat supplémentaire de sécurité est également prévu pour limiter le risque en cas de panne du premier régulateur.

Pour les humidificateurs en conditionnement d’air

Pour les humidificateurs à ultrasons comme pour les systèmes à pulvérisation, on préférera une régulation à action progressive. Si l’humidificateur est placé dans une gaine, on complétera par un limiteur maximal d’humidité.

Pour les laveurs d’air

La régulation des laveurs d’air est traditionnellement basée sur le point de rosée du point de soufflage. Autrement dit, l’humidificateur fonctionne en continu et humidifie toujours l’air au maximum ( …85 %… en pratique). Le réglage de la batterie de post-chauffe se fait sur la température de l’ambiance, le réglage de la batterie de préchauffe se fait sur le degré d’humidité relative de l’ambiance.

Cette régulation est tout à fait correcte en hiver, mais pose des problèmes en mi-saison et en été. Si elle est choisie, l’arrêt de l’humidificateur pour une température extérieure dépassant un seuil (de 5°C à 10°C), évite ce risque et permet des économies énergétiques importantes, mais le respect d’une consigne fixe de 50 % HR ne pourra plus être assuré…

Précautions générales

  • Il est prudent d’asservir le fonctionnement de l’humidificateur à celui du ventilateur, pour éviter tout risque d’humidification des gainages.
  • De prendre des dispositions particulières en vue de protéger la tuyauterie d’alimentation en eau et le réservoir d’eau de l’humidificateur de tout risque de gel.

Bâches à eau glacée

Bâches à eau glacée


Principe

Il s’agit d’un réservoir d’eau glacée, disposé sur le circuit d’eau glacée des installations de climatisation. Il permet d’accumuler du froid, particulièrement durant la nuit.

On l’appelle encore « ballon d’eau glacée » ou « bâche d’eau glacée ».

Il se dissocie de son « concurrent », le stockage par bac à glace, par le fait que la réserve de froid ne se fait que sur la chaleur sensible de l’eau, entre 12° et 5°C. D’où :

> Inconvénient : le stockage de kWh frigorifiques est fort limité…

> Avantages :

  1. La machine frigorifique conserve ses caractéristiques traditionnelles de température de travail, et donc son rendement !
  2. L’installation est simple et sa régulation aussi.
  3. Pour les grands bâtiments, il est parfois possible de valoriser le réservoir d’eau obligatoire pour la protection incendie

Applications

La bâche d’eau glacée est surtout utilisée dans le but de constituer un grand réservoir tampon, permettant

  • D’augmenter le temps de fonctionnement des compresseurs (qui sont souvent surdimensionnés, puisque calculés pour les charges extrêmes de l’été …)
  • De délester le groupe frigorifique au moment de la pointe quart-horaire.
Exemple.

Au CHR de Mouscron, un ancien réservoir à eau chaude sanitaire est utilisé comme réservoir d’eau glacée, ce qui permet au gestionnaire de couper sa machine frigorifique lors de la pointe !


Technologies

On distingue plusieurs types de bâche d’eau glacée :

Simple bâche tampon 

Schéma simple bâche tampon.

Ce système rudimentaire engendre un mélange entre l’eau de retour, chaude, et l’eau glacée du réservoir.

La température de l’eau glacée augmente donc progressivement.

A la limite, un réservoir d’eau chaude sanitaire pourrait convenir.

Bâche à chicanes

Schéma bâche à chicanes.

Un compartimentage à l’intérieur du bac permet de limiter les mélanges entre eau de retour et eau de départ.
Bâche à membrane flexible 

Schéma bâche à membrane flexible. 

Le mélange entre l’eau chaude et l’eau froide est évité.
Réserve naturelle  Pièce d’eau associée au bâtiment, rivière, fleuve, mer.

Variante : le stockage d’eau glycolée

Afin de pouvoir augmenter le DT° de stockage, on peut réaliser un stockage en eau glycolée. La température de stockage peut alors descendre sous 0°C (mais sans profiter de l’énorme réservoir que constitue la chaleur latente de solidification …).

De plus, souvent un échangeur intermédiaire est ajouté afin de conserver le circuit de distribution en eau glacée sans glycol. L’intérêt est donc faible…

Les schémas d’installation sont similaires à ceux présentés pour les bâches d’eau glacée.


Schémas d’installation

On distingue trois types de schémas d’installation ouverture d'une nouvelle fenêtre !

  • stockage en amont de l’évaporateur
  • stockage en aval de l’évaporateur
  • stockage en position intermédiaire