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Choisir le ventilateur

Ventilateur centrifuge et ventilateur hélicoïde ou axial.

Voici les éléments qui peuvent guider le choix :

Point de fonctionnement et rendement

Le dimensionnement du système de ventilation définit le débit à fournir par le ventilateur et la perte de charge du réseau que celui-ci doit vaincre.

Concevoir

Pour connaitre les paramètres de dimensionnement d’un système, cliquez ici !

Les courbes caractéristiques des ventilateurs donnent, en fonction du débit, la pression dynamique à fournir par le ventilateur pour mettre l’air en vitesse dans le réseau de distribution. Cette pression dynamique ajoutée à la perte de charge du réseau indique la hauteur manométrique du ventilateur.

Hauteur manométrique et débit ainsi déterminés constituent le point de fonctionnement du ventilateur.

Courbes caractéristiques d’un ventilateur centrifuge à aubes inclinées vers l’arrière.
Pour fournir un débit de 8 000 m³/h, le ventilateur délivre une pression dynamique de 45 Pa.
Pour un réseau ayant, avec ce débit une perte de charge de 955 Pa, la hauteur manométrique
du ventilateur est de 1 000 Pa. Pour obtenir ce point de fonctionnement le ventilateur
doit tourner à 1 950 tr/min.
Pour ce point de fonctionnement, son rendement sera de 81 %
et la puissance à l’arbre sera proche de 2,8 kW.

On sélectionne donc d’abord les ventilateurs pouvant délivrer le débit et la perte de charge souhaitée. On sélectionnera ensuite, à partir des courbes caractéristiques, le ventilateur dont la pression dynamique est minimum au débit voulu, de manière à minimiser la hauteur manométrique totale à fournir. En fait, plus le ventilateur a une taille importante pour les performances voulues, plus sa pression dynamique sera faible. Ensuite on repère le ventilateur dont le rendement est maximum au point de fonctionnement.

Le cahier des charges 105 de la Régie des bâtiments impose la pression dynamique maximum et le rendement minimum que doit atteindre le ventilateur choisi à son point de fonctionnement. Ces valeurs sont bien des valeurs minimales et sûrement pas optimales :

Type de ventilateur	% de pression dynamique max par rapport à la pression totale
Centrifuge à aubes inclinées vers l’avant.	20 %
Centrifuge à aubes inclinées vers l’arrière.	10 %

Puissance utile	Rendement minimum
> 7,5 kW	80 %
7,5 kW > > 3,5 kW	75 %
3,5 kW > > 2 kW	70 %

L’Annexe C3 de la PEB exprime elle aussi des exigences quant au rendement des ventilateurs. Elle définit trois classes d’efficacité pour les ventilateurs en fonction de leur puissance spécifique (P_SFP) :

P_SFP = P/q_V[W.m^-3.s]

où :

P = puissance absorbée au moteur du ventilateur [W]
q_V = débit nominal à travers le ventilateur en [m³.s^-1]

Cette puissance spécifique doit toujours respecter la condition suivante :

P_SFP > 1250 [W.m^-3.s]

Bien entendu la puissance spécifique et le rendement (au point de fonctionnement nominal) sont liés par la formule suivante :

P_SFP = H_m/η [W.m^-3.s]

où :

H_m est la hauteur manométrique [Pa]
η est le rendement nominal [-]

La valeur de 1250 W.m^-3.s correspond à la valeur maximale acceptable (la plus défavorable du point de vue énergétique). La catégorie la plus efficace est elle caractérisée par une puissance spécifique inférieure ou égale à 500 W.m^-3.s.

Notons que pour les ventilateurs à débit variable, le « 105 » recommande d’envisager 2 points de fonctionnement pour lesquels il faut respecter ces rendements : le débit maximum et 60 % de celui-ci. Pour les installations comprenant un filtre, ces rendements doivent être respectés pour tous les points de fonctionnement compris entre la situation « filtre propre » et la situation « filtre sale ».

Attention, le rendement mentionné ici correspond au seul ventilateur et non à l’entièreté du système qui englobe également la transmission et le moteur.

Exemple.

Un ventilateur doit être sélectionné pour fournir un débit de 1,2 m³/s (4320 m³/h) et une hauteur manométrique de 1 000 Pa

Une recherche dans les catalogues fournit les deux possibilités suivantes :

Le premier ventilateur (aubages recourbés vers l’avant) demande 1,8 kW en fonctionnement nominal, suite à son rendement de 67 %. Prix d’achat : +/- 600 €
Le deuxième (aubages recourbés vers l’arrière) ne demande que 1,4 kW pour fournir le même débit sous le même D p, suite au rendement de 84 %,…mais son prix est 40 % plus élevé ! Prix d’achat : +/- 825 €

Ventilateur avec aubages recourbés vers l’avant.

Remarquons que la puissance électrique absorbée par le ventilateur est parfois directement donnée par le constructeur sous forme d’abaque. Elle peut aussi être rapidement calculée par la formule :

Puissance [W] = Débit [m³/s] x Pression [Pa] / Rendement

Réalisons le bilan annuel des consommations :

Gain de puissance : 1,8 [kW] – 1,4 [kW] = 0,4 [kW]
Économie de consommation : 0,4 [kW] x 24 [h] x 365 [j] x 0,16 [€/kWh] = 560,6 [€/an]
Temps de retour de l’investissement : (825 [€] – 600 [€]) / 560,6 [€/an] = 0,4 [an]
Bénéfice sur 10 ans de fonctionnement : 10 x 306,6 [€/an] – 275 [€] = 5331 [€] !

Calculs

Pour estimer un peu plus précisément l’impact du rendement du ventilateur sur la consommation de la ventilation, cliquez ici !

Lorsqu’une installation de ventilation est gérée en fonction de la demande

Lorsqu’un groupe de ventilation assure la qualité de l’air d’un seul local (salle de conférence, …), la gestion de la ventilation se fera principalement en agissant sur la vitesse du ventilateur. Dans ce cas le rendement de départ du ventilateur sera pratiquement conservé sur toute la plage de réglage.

Par contre, lorsqu’un groupe de ventilation alimente plusieurs locaux, le réglage des débits peut se faire en agissant sur l’ouverture des différentes bouches. Dans ce cas, la fermeture de bouches va entraîner le redressement de la courbe caractéristique du circuit. Le point de fonctionnement va se déplacer vers la gauche de la courbe caractéristique du ventilateur. Pour rester le plus longtemps possible dans la zone de rendement maximum, il est conseillé de choisir un ventilateur dont le maximum de rendement se trouve à gauche du point de débit maximum.

Evolution du point de fonctionnement d’un système de ventilation lorsqu’une régulation par étranglement est appliquée.

Remarques.

Les courbes caractéristiques reprises dans les catalogues sont données pour un ventilateur gainé au niveau de l’aspiration et du refoulement. Elles ne correspondent pas, par exemple, à une situation où la pulsion se fait librement dans un local. Dans ce cas, les corrections à apporter doivent être demandées au fabricant. Lorsque l’on installe un ventilateur dans un caisson, ce sont les courbes du ventilateur intégré qu’il faut demander et non celles du ventilateur nu.
Les courbes caractéristiques sont données avec une certaine tolérance d’erreur. Les seuils de tolérance sont donnés par la norme DIN 24166. La plupart des fabricants respectent les tolérances de niveau 2. Certains atteignent le niveau 1. D’autres, à l’inverse, ont un seuil de tolérance de 3 ou 4. Dans ce dernier cas, les fabricants se tiennent bien souvent de le mentionner dans leur documentation. En fonction de la sévérité que l’on veut imposer sur le résultat à obtenir, on peut mentionner dans le cahier des charges de l’installation, le niveau de tolérance souhaité suivant la DIN 24166.

Aubes recourbées vers l’avant ou vers l’arrière ?

Dans les immeubles tertiaires, on rencontre principalement des ventilateurs centrifuges, soit à aubes recourbées vers l’avant, soit à aubes recourbées vers l’arrière.

1^er critère : le rendement

A priori les ventilateurs centrifuges à aubes recourbées vers l’arrière auront un meilleur rendement que les ventilateurs à aubes recourbées vers l’avant, mais ce n’est pas une règle tout à fait générale. Les premiers sont donc à conseiller sauf si un faible encombrement prime sur l’efficacité énergétique. Leur surcoût est très rapidement rentabilisé par la diminution des consommations électriques. Ce surcoût de ventilateur sera généralement minime si on le compare au coût global d’une nouvelle installation de ventilation. Par contre, le gain de rendement qui en résulte est déterminant pour les frais d’exploitation : plus de 50 % de la consommation électrique de la ventilation sont dus aux pertes de l’ensemble moteur-transmission-ventilateur.

Répartition des coûts d’un ventilateur.

Par exemple, pour des raisons d’efficacité énergétique, le cahier des charges 105 de la Régie des bâtiments n’autorise les ventilateurs à aubes inclinées vers l’avant que pour des débits inférieurs à 5 000 m³/h et des hauteurs manométriques inférieures à 600 Pa.

2^ème critère : l’allure de la courbe caractéristique

Dans les réseaux à débit constant

Les ventilateurs à aubes recourbées vers l’avant ont une courbe caractéristique plutôt plate, c’est-à-dire que le débit varie fortement pour de faibles variations de pression. À l’inverse, les ventilateurs à aubes recourbées vers l’arrière ont une courbe caractéristique fort penchée. Le débit varie donc peu pour de fortes variations de pression.

Courbe caractéristique d’un ventilateur à aubes recourbées vers l’avant
et à aubes recourbées vers l’arrière, pour un même point de fonctionnement.

En général, il est conseillé d’utiliser des ventilateurs à aubes recourbées vers l’arrière. En effet le débit de ventilation sera plus stable face aux perturbations de pression que l’on rencontre inévitablement (vent, encrassement des filtres, …).

Exemple.

La différence de perte de charge entre un filtre propre et un filtre sale est de l’ordre de 250 PA, la variation de débit entre ces deux situations peut dépasser 25 % dans la cas d’un ventilateur à action. Elle peut être inférieure à 10 % si on se trouve dans la partie descendante de la courbe d’un ventilateur à réaction.

Les ventilateurs à aubes arrières sont donc indispensables pour la ventilation de locaux ou un débit stable est important comme les salles blanches avec flux laminaire.

Dans les réseaux à débit variable

Avec une gestion des débits local par local dans un système de ventilation multizone, la fermeture de certaines bouches entraîne une augmentation de la pression dans le réseau de distribution et donc aussi une augmentation du débit et du bruit au niveau des bouches restées ouvertes. Dans certains cas

Soit en choisissant un ventilateur à aubes recourbées vers l’avant. Ceux-ci ayant une courbe caractéristique plutôt plate, ils permettent donc le maintien d’une pression plus ou moins constante lorsque l’on fait varier le débit, par exemple par fermeture de certaines bouches du réseau de distribution.
Soit en choisissant un ventilateur à aubes recourbées vers l’arrière associé à une variation de vitesse, maintenant une pression constante en un point du réseau.

Gestion du débit dans un réseau de ventilation,
soit avec ventilateur à action,
soit avec ventilateur à réaction et maintien de la pression en tête de réseau.

Il faut alors comparer le surcoût d’un ventilateur à aubage arrière et d’une variation de vitesse avec l’économie énergétique réalisée en choisissant un ventilateur à aubage arrière par rapport à un ventilateur à aubage avant.

Dans les systèmes de ventilation unizone, où on prévoit une régulation du débit par étranglement, solution par ailleurs peu recommandée, l’utilisation d’un ventilateur à aubes avant permet de grandes variations de débit avec des faibles mouvements du registre. À l’inverse, il arrive que l’utilisation d’un registre d’étranglement n’ait que peu d’impact sur le débit d’un ventilateur à aubes arrières.

Mode d’entraînement du ventilateur

Rendement global

Le rendement du ventilateur est une chose, il faut cependant aussi être attentif au rendement de l’ensemble formé par le ventilateur, son entraînement (moteur et transmission).

Pour comparer deux solutions de ventilateur, on peut demander à chaque fournisseur la puissance électrique absorbée par le moteur pour obtenir le débit et la hauteur manométrique voulus, le rendement étant égal à :

Rendement = Débit [m³/s] x Hauteur manométrique [Pa] / Puissance électrique [W]

Pour se faire une idée de la qualité des solutions, on peut comparer le rendement proposé aux valeurs minimum imposées en Suisse par la SIA (Société suisse des ingénieurs et architectes). Pour les installations dites très performantes, on peut dépasser ces valeurs de 5 %.

Rendement préconisé par SIA.

Transmission

La meilleure transmission est sans conteste la transmission directe car ses pertes sont moindres (2 à 5 %) et il n’y a pas de frais d’installation de poulies et courroies, pas de surveillance, pas de remplacement de courroies. L’encombrement du système est de plus nettement moindre ce qui n’est pas négligeable dans le cas de groupes monoblocs.

Cela nécessite bien entendu un système de remplacement pour adapter la vitesse de rotation, comme un convertisseur de fréquence, ce qu’on verra de plus en plus, vu la démocratisation de ce genre d’appareil. Le convertisseur a l’avantage qu’à tout moment on peut régler une vitesse intermédiaire, le démarrage est doux et il permet directement une surveillance totale du moteur. Son coût reste cependant élevé dans le cas de puissance électrique importante. Attention, un réglage du débit par étranglement, souvent appliqué, est à déconseillé pour des raisons de surconsommation.

À l’inverse, si de toute façon, pour des raisons de gestion du débit à la demande, l’installation est équipée d’un convertisseur de fréquence, autant alors opter pour une transmission directe plutôt qu’une transmission par courroies ayant un moins bon rendement.

Lorsque l’on opte pour une transmission par courroies, il faut prendre des poulies aussi grandes que possible. Une grande poulie diminue l’usure de la courroie lorsqu’elle doit se tordre pour s’enrouler autour de la poulie. Elle permet en outre de transmettre plus de force qu’une petite poulie. Le choix de petites poulies n’est justifié par certains fabricants que par leur prix inférieur.

Il faut en outre éviter les courroies multiples. Il vaut mieux peu de courroies avec des grandes poulies que des petites poulies avec plus de courroies. Souvent, les fabricants prévoient des courroies multiples à cause de l’effort au démarrage. Avec les systèmes modernes de démarrage en douceur (convertisseurs), on peut réduire le nombre de courroies.

Il faut éviter les courroies de section trop faibles (SPZ), elles sont facilement surchargées et s’usent rapidement. Pour diminuer l’usure et la saleté dégagée par les courroies (poussière noire collante), il est possible d’utiliser des courroies trapézoïdales crantées, qui durent beaucoup plus longtemps (elles se plient mieux au moment de l’enroulement dans la poulie), mais qui sont bien évidemment plus chères, il s’agit des types XP… au lieu de SP…

Moteur

Les moteurs qui équipe la plupart des ventilateurs actuels sont des moteurs asynchrones. Ces derniers ne présentent pas entre eux de grandes différences de rendement. Depuis peu, sont apparus sur le marché, des moteurs à courant continu. Ces derniers présentent des rendements nettement supérieurs. Actuellement, du fait de leur production à faible échelle, les moteurs à courant continu sont plus chers que leurs homologues asynchrones. Par exemple, le coût supplémentaire d’un ventilateur domestique à courant continu est de l’ordre de 100 €. L’amortissement de ce surcoût peut être estimé en moyenne à 4 ans.

Le rendement élevé, la faible usure et les possibilités de réglage font des moteurs à courant continu une solution d’avenir pour l’entraînement des ventilateurs.

Intégration du ventilateur dans le réseau

L’intégration du ventilateur dans le circuit joue un rôle non négligeable sur le rendement global de l’installation.

Sortie du ventilateur

Il est très important de concevoir les entrées et les sorties d’air du ventilateur afin d’avoir un flux d’air le plus stable possible.

On évitera ainsi de placer un coude ou un piquage à une distance inférieure à deux fois le diamètre de la roue du ventilateur.

La section de sortie du ventilateur doit être le plus possible adaptée à la section du conduit de distribution. L’idéal est le ventilateur hélicoïde débitant dans un conduit de même section que son diamètre. En effet, dans ce cas la veine d’air garde une direction constante.

Pour minimiser les pertes, la section du raccord doit être comprise entre 87,5 % et 107,5 % de la section de sortie du ventilateur et l’angle du raccord ne peut dépasser 15° pour un convergent et 7° pour un divergent. Idéalement, cette pièce de transformation doit être placée à une distance du ventilateur supérieure à deux fois le diamètre de sa roue.

Exemple.

Voici trois exemples de ventilateur débitant dans un même circuit. On voit la hauteur manométrique (image de la puissance absorbée) nettement plus importante que doit avoir un ventilateur dont l’orifice de refoulement est trop petit par rapport à la section du conduit, même lorsqu’on l’équipe d’un divergent de longueur correcte.

La surconsommation du troisième cas par rapport au premier est de 11 %.

Dans le même ordre d’idées, il est préférable de raccorder le ventilateur directement au gainage de distribution plutôt que de laisser la sortie de ce dernier libre dans le caisson du groupe. En effet, dans ce dernier cas, la pression dynamique disponible à la sortie du ventilateur (dépendant de la vitesse du fluide) est totalement perdue et non transformée en pression statique, à cause de l’absence de contraction des veines d’air lorsque celles-ci débouchent dans le plenum du caisson. Cette perte de pression dynamique constitue une perte de charge supplémentaire du caisson, correspondant à une surconsommation.

Exemple.

Comparaison de l’évolution de la pression dans un caisson de ventilation monobloc,
sortie libre dans le caisson et sortie raccordée au gainage.

Il faut en outre prévoir à la sortie du ventilateur une section de gaine droite suffisamment longue avant le premier changement de direction (au moins deux fois le diamètre de la roue du ventilateur). En effet, le fonctionnement du ventilateur sera perturbé si un changement de direction intervient alors que le flux d’air sortant du ventilateur n’est pas encore homogénéisé.

Evolution du flux d’air à la sortie d’un ventilateur.

Aspiration du ventilateur

Les conditions d’entrée du ventilateur jouent un rôle encore plus important sur ses performances.

La situation idéale est l’introduction d’air dans le sens de l’axe de rotation de la roue, de façon uniforme et sans turbulence.

Si les turbulences rotatives à l’entrée sont dirigées dans le sens de rotation de la roue, cela réduit la puissance de sortie et le rendement du ventilateur. Lorsque la turbulence est dirigée dans le sens inverse du sens de rotation de la roue, la puissance du ventilateur n’est peut-être pas réduite, mais celui-ci consomme plus d’électricité.

Exemples.

Ventilateurs avec gainage à l’aspiration (ventilateurs d’extraction).

Turbulence prérotative et turbulence prérotative corrigée.

Turbulence contre-rotative et turbulence contre-rotative corrigée.

Si l’ouïe d’aspiration du ventilateur et le gainage sont de sections différentes, la section du raccord doit être comprise entre 92,5 % et 112,5 % de la section d’entrée du ventilateur et l’angle du raccord ne peut dépasser 15° pour un convergent vers l’ouïe et 7° pour un divergent.

Lorsque l’ouïe d’aspiration d’un ventilateur est placée le long d’une paroi plane, il faut veiller à ce que la distance à la paroi soit au moins égale au diamètre d’entrée pour éviter la création d’une perturbation de la veine d’air aspiré.

Acoustique

Le bruit des ventilateurs peut avoir diverses origines mécaniques ou aérauliques (les bruits de type aéraulique sont généralement les plus importants) :

le bruit de ronflement du moteur qui entraîne le ventilateur
le bruit de la transmission mécanique au niveau des accouplements
le bruit de crissement des courroies au démarrage
le bruit des roulements et des paliers
le bruit de balourd résultant d’un mauvais équilibrage du ventilateur
le bruit de frottement de l’écoulement turbulent de l’air sur les pales du ventilateur et les parties fixes du ventilateur (carcasse,… )
le bruit du ventilateur servant à refroidir le moteur du ventilateur.

Comment connaître le bruit que fera le ventilateur ?

Pour comparer la production de bruit de plusieurs ventilateurs, il faut comparer leur puissance acoustique. Comparer les niveaux de pression sonore est inutile car cette grandeur dépend des conditions de mesure qui sont différentes chez tous les fournisseurs.

La puissance acoustique L_W du ventilateur est reprise dans les courbes caractéristiques présentes dans les catalogues des fournisseurs. Il faut cependant vérifier l’endroit du ventilateur où a été prise la mesure (gaine de refoulement, aspiration, …).

Notons qu’un ventilateur qui fonctionne dans des conditions proches de son rendement maximum sera le plus silencieux.

Exemple.

Courbes caractéristiques d’un ventilateur.

Le bruit du ventilateur, un critère de choix important ?

La puissance acoustique du ventilateur est un critère de choix déterminant chaque fois que le ventilateur est en communication directe avec l’ambiance : extracteur d’air visible depuis le local, ventilateur d’aérotherme, ventilo-convecteur, etc…

Tourelles d’extraction d’air en toiture. Dans la vue éclatée, on reconnaît les pales du ventilateur en partie supérieure, posé sur un caisson acoustique pour absorber le sifflement créé par le frottement des pales sur l’air.

Si, par contre, un réseau d’air est installé entre le ventilateur et les locaux, la situation est moins critique : des réflexions internes de l’onde acoustique ont lieu, la gaine absorbe en partie le bruit (surtout les hautes fréquences) et la pose d’absorbants supplémentaires est possible (silencieux, …). Ainsi, on diminue fortement le bruit d’un climatiseur de local en le plaçant dans un local annexe et en lui raccordant une gaine de distribution.

Par exemple, pour ventiler un grand espace, la première situation va imposer le placement d’un silencieux. La deuxième situation est moins critique et donc le critère acoustique devient moins important dans le choix du ventilateur.

Un silencieux est obligatoire.

Un silencieux peut parfois être évité grâce à l’absorption et à la réflexion dans les conduits.

Calculs

Exemple de calcul acoustique d’une installation de ventilation : cliquez ici !

À noter cependant que la présence d’un silencieux va augmenter la perte de charges du réseau et donc la consommation du ventilateur durant toute la durée de vie de l’installation. Un bilan financier doit comparer le coût d’investissement d’un ventilateur de faible niveau sonore, avec celui d’un équipement plus bruyant complété d’un silencieux pour lequel il faut compter une consommation complémentaire …

Un niveau sonore lié à la hauteur manométrique

Si le niveau de puissance sonore n’est pas mentionné sur la documentation technique du fabricant, il peut être déduit de la formule de Beranek :

L_w= 37 + 10 log q_v+ 20 log (Δp) [dB]

où,

q_v= le débit volumique en m³/s.
Δp = la hauteur manométrique totale en PA.
L_w= le niveau global de puissance sonore du ventilateur en dB.

Cette formule s’applique aux ventilateurs dont le rendement minimal est de 70 %. Il faut ajouter 4 dB à chaque baisse de 10 % du rendement.

Cette formule fournit une valeur moyenne très approximative.

Elle permet cependant de mettre en évidence le niveau de bruit élevé des installations « haute pression ». Si, pour des raisons d’encombrement de gaines, il est décidé de réaliser un réseau à haute vitesse et haute pression, une étude acoustique préalable sérieuse s’impose.

Choisir un ventilateur à haut rendement et basse vitesse

La production de bruit d’un ventilateur est:

inversement proportionnelle à son rendement
proportionnel à sa vitesse

On a donc aussi tout intérêt, pour limiter la puissance sonore du ventilateur, à choisir le ventilateur ayant le meilleur rendement au point de fonctionnement. En fait, plus un ventilateur crée des turbulences, plus son rendement se dégrade, et plus il crée du bruit. À rendement égal, le ventilateur tournant le moins vite (c’est-à-dire le plus grand, si on compare 2 ventilateurs ayant le même type de roue), sera le plus silencieux.

Ceci a également pour conséquence une diminution de la taille de l’éventuel silencieux dont peut être équipé l’installation.

Bien choisir l’implantation du local technique ou de l’extracteur

Local technique

Le local technique est un local bruyant (… NR 75 …). Il faut tout d’abord veiller à confiner le bruit à sa source, par exemple en utilisant des caissons de traitement d’air à doubles parois. Les caractéristiques acoustiques de ces derniers peuvent être ajustées en jouant sur l’épaisseur des tôles et l’épaisseur de l’isolant intérieur. Ensuite, on essayera de limiter la transmission du bruit vers les locaux adjacents, principalement si ces derniers sont des locaux de travail.

Le local technique (où sera installé le ventilateur) sera placé de préférence sous les pièces de service, des circulations communes,… et non sous un local où le niveau sonore doit être limité. Latéralement, des espaces intermédiaires peuvent être prévus (couloirs, locaux de stockage, …).

Lorsque les locaux techniques ne peuvent être implantés qu’à proximité de locaux sensibles, les murs mitoyens doivent être de structure suffisamment lourde pour respecter l’objectif acoustique imposé dans les locaux sensibles. Il en va de même pour la dalle. L’indice d’affaiblissement des parois dépend du spectre du bruit des équipements installés dans les locaux techniques.

Si nécessaire, la pose de matériaux absorbants sur les parois du local technique permettra de limiter la réflexion des sons dans le local. De ce fait, le bruit global sera diminué puisqu’il n’y aura plus addition entre « le nouveau » bruit produit et « l’ancien » bruit réfléchi. À noter que les caractéristiques d’absorption des matériaux doivent être adaptées aux fréquences émises par les équipements.

Cette amélioration ne sera que partielle; ainsi, doubler la surface équivalente d’absorption dans le local ne diminue le niveau sonore que de 3 dB. Si le problème acoustique est limité à une seule paroi de contact, c’est d’abord celle-ci que l’on traitera (paroi très lourde ou paroi double avec effet masse-ressort-masse).

La taille du local technique joue également un rôle important en acoustique. En effet, un local trop exigu rendra difficile le positionnement des équipements et notamment des silencieux, capots, isolation acoustique des parois.

Portes d’entrée et d’accès pour le matériel

Les portes d’entrée au local technique peuvent constituer un pont acoustique important si aucune précaution n’est prise lors de leur choix : portes acoustiques, porte à doubles battants avec montant central fixe mais amovible, sas constitué de deux portes en enfilade et éventuellement équipé de matériau absorbant.

Pour pouvoir rénover ultérieurement le matériel technique, une accessibilité du local suffisamment importante doit être assurée. Elle ne sera utilisée que lors du montage et du remplacement des équipements. Pour éviter le placement de grandes portes acoustiques, on peut aussi poser des « murs fusibles », c’est-à-dire des murs qu’il est possible de démolir, plutôt que de prévoir des portes acoustiques de grande dimension.

Conduits

Les conduits constituent des ponts phoniques importants… à éviter si possible (ne pas les faire passer par les locaux techniques).

Garage collectif

On sera particulièrement attentif au groupe de ventilation d’un garage où un volume suffisant doit être prévu pour y placer un silencieux.

Extracteur extérieur

Ils doivent être placés le plus loin possibles des pièces de travail, et tout particulièrement de leurs fenêtres ! En fonction des règlements locaux en matière d’émission de bruit vers le voisinage, un traitement acoustique de l’extraction doit être prévu (silencieux, …).

Couper la transmission du bruit vers les supports

Pour réduire la propagation des vibrations des ventilateurs à la structure du bâtiment, on insère sous son socle des supports élastiques antivibratiles de manière à réaliser une dalle flottante.

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

Pour une bonne efficacité, la fréquence propre du système antivibratile doit être 3 à 4 fois inférieure à la fréquence excitatrice.

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’elles sont 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’est-à-dire la construction d’un socle de béton (sous l’équipement ou sur tout le local) sur un matelas de laine minérale ou de mousse plastique souple, pour les fréquences propres moyennes ou aigües.

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.

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

À noter l’importance de réaliser des raccordements souples des gaines et des canalisations à la machine qui vibre, afin d’éviter non seulement la transmission des vibrations, mais également le risque de rupture.

Encombrement

Parfois des impératifs de place peuvent imposer le choix d’un ventilateur plus petit mais tournant à plus grande vitesse. Ce critère de choix va cependant à l’encontre des critères précédents. Pour un même point de fonctionnement, un ventilateur plus petit aura un plus mauvais rendement et produira plus de bruit.

Le ventilateur plus petit coûte évidemment moins cher à l’investissement, mais la surconsommation électrique qu’il engendre fait vite oublier ce bénéfice.

Posted By : 25 Sep, 2007

Choisir l’emplacement des prises et des rejets d’air extérieurs

Prises d’air

Les prises d’air neuf doivent :

Être les plus proches possible de la centrale de traitement de l’air. On sait que les pertes de charge en aspiration sont plus faibles qu’en refoulement, car il s’agit d’une mise en vitesse; mais le dessin des prises d’air doit néanmoins être bien tracé, car la perte de charge existe, elle est une source de bruit et elle peut avoir une grande influence sur le fonctionnement des équipements placés en aval : ventilateurs, filtres, échangeurs.

Pour minimiser les pertes de charge,
il faut assurer un passage progressif entre l’espace infini extérieur
et la section du conduit d’aspiration.

Ne pas aspirer du côté de rues à fort trafic.

Éviter les effets de by-pass entre prise d’air neuf et évacuation d’air vicié. Les aspirations doivent naturellement être faites loin des zones de refoulement d’air vicié. Les prises d’air neuf doivent être faites plus bas que les sorties des rejets d’air vicié. De même, il faut s’éloigner des orifices d’évacuation des fumées de parking et tours aéroréfrigérantes, tout en tenant compte des vents dominants.

Pour limiter les charges calorifiques inutiles, éviter de disposer les prises d’air dans des endroits fortement ensoleillés (toitures, terrasses, façade ensoleillée, …) sans protection.

Résister aux intempéries. Pour cela, les aspirations se font en général du bas vers le haut, sinon sous la protection d’une visière assez longue, car l’aspiration a évidemment tendance à entraîner la pluie ou la neige. Ne pas oublier que neige et brouillard givrant peuvent très vite obturer les grillages de protection et faire se coller les uns aux autres les volets mobiles des registres automatiques ou autobasculants.

Limiter le transfert des bruits. Il est fréquent de confier aux prises d’air une fonction d’insonorisation permettant non seulement de réduire le bruit extérieur pénétrant dans l’installation, mais également le bruit de celle-ci partant vers l’extérieur, en particulier celui des ventilateurs.

Prévoir un accès pour le nettoyage. Celui-ci peut être fréquent puisque les grilles de prise d’air extérieur ne sont pas protégées par des filtres.

Ne pas permettre l’intrusion de rongeurs par exemple grâce à un grillage. Celui-ci sera réalisé avec une section de câble la plus faible possible pour limiter les pertes de charge à l’entrée.

La norme européenne EN 13779 définit certaines dispositions à respecter pour les prises d’air extérieures :

Le placement préférentiel de la prise d’air est face aux vents dominants.

Le dimensionnement de la prise d’air non protégée s’effectue sur base d’une vitesse d’air maximum de 2 m/s.

Les principales distances à respecter par rapport à la prise d’air sont reprises dans le tableau suivant :

Exigences EN 13779	en [m]
Distance au sol	1,5 x l’épaisseur de neige maximum
Distance minimale des sources polluantes (point de ramassage d’ordure, parking de plus de 3 voitures, …)	8

Rejets d’air

La norme européenne EN 13779 définit certaines dispositions à respecter pour les rejets d’air vers l’extérieur.
Si une bouche de rejet d’air est disposée sur un mur, elle doit respecter les prescriptions suivantes :

Les rejets d’air doivent se trouver à plus de 8 m d’un immeuble voisin.

Les rejets d’air doivent se trouver à plus de 2 m d’une prise d’air neuf située sur le même mur et de préférence au-dessus de celle-ci.

Le débit d’air par bouche ne peut dépasser 0,5 m³/s et la vitesse de l’air au droit de la bouche doit dépasser 5 m/s.

Si une de ces conditions n’est pas respectée, les rejets d’air doivent être installés en toiture.
L’Annexe C3 de la PEB complète la EN 13779 en imposant que dans le cas d’une ventilation naturelle, les bouches d’évacuation soient raccordées à un conduit d’évacuation qui débouche au-dessus du toit. Les conduits d’évacuation doivent avoir un tracé vertical autant que possible. Des déviations de maximum 30° par rapport à la verticale sont admises.

Combinaison rejet-entrée d’air

Distance minimum entre entrée et rejet d’air pour un air de ventilation courant à faible niveau de pollution (norme EN 13779).

Posted By : 25 Sep, 2007

Choisir les amenées d’air naturelles

Types de systèmes possibles

Systèmes inadéquats : les fuites, les fentes, les fenêtres et les conduits ouverts

L’URE consiste à assurer le confort des occupants, tout en maîtrisant les consommations énergétiques. Il faut donc limiter les apports d’air extérieurs à la quantité nécessaire et suffisante (ni plus, ni moins !) pour maintenir la qualité de l’air intérieur.

Or, les débits d’air frais entrant dans le bâtiment via les infiltrations (fuites et fentes) sont tout à fait incontrôlables (en quantité, en température, en direction et en durée) et varient fortement avec les conditions atmosphériques

Les fuites et les fentes représentent des ouvertures accidentelles et involontaires n’offrant aucune garantie quant au débit de fuite atteint.
Les fuites et les fentes constituent des dispositifs d’amenée d’air tout à fait incontrôlable, car sans réglage possible. Par grand vent, les risques de courant d’air sont importants et les pertes d’énergie sont incontrôlables. À l’inverse, par temps calme, les débits d’air neuf peuvent être insuffisants.
La surface totale des fuites d’un bâtiment est souvent insuffisante pour atteindre les débits exigés par la norme.
Les inétanchéités du bâtiment sont souvent mal réparties, conduisant à des inégalités de ventilation entre les locaux.

La ventilation par les fenêtres peut quant à elle servir de ventilation intensive périodique qui permet une élimination rapide des polluants émis dans l’ambiance.

Elle est inadéquate pour assurer une ventilation de base continue car :

Elle est liée à la bonne volonté des occupants ;
Elle est intermittente, ce qui signifie qu’entre les périodes d’ouverture le taux de CO₂ dans le local va fluctuer fortement entre les périodes d’ouverture et les périodes de fermeture et dépassera bien souvent la valeur couramment admise de 1 000 ppm ;
Elle est source d’inconfort pour les occupants étant donné les débits importants d’air neuf, souvent froid ;

Les conduits de ventilation ouverts (ouvertures non obturables dans les murs ou le sol) fournissent des débits souvent trop importants et non réglables. Ils ne peuvent servir qu’à la ventilation de locaux spéciaux comme les garages, les caves, les chaufferies, les greniers, …

Systèmes adéquats : les grilles de ventilation

La norme NBN D50-001 décrit les exigences relatives aux amenées d’air naturelles. Bien que son application ne soit obligatoire que pour les locaux d’hébergement, elle peut servir de base pour définir les caractéristiques minimums à respecter en la matière. La solution la plus élégante est la grille d’amenée d’air disposée en façade, soit dans les murs, soit dans les menuiseries.

Les critères de choix d’une grille d’amenée d’air naturelle sont

L’intégration dans la structure existante
Le débit d’air neuf
Les possibilités de réglage
L’étanchéité
L’isolation thermique
L’isolation acoustique
La facilité d’entretien et vieillissement
La sécurité anti-effraction
L’emplacement
L’agrément technique

L’intégration dans la structure existante

En fonction des situations, les grilles d’aération doivent avoir un profil s’intégrant dans les structures existantes, soit entre vitrage et châssis (plusieurs possibilités en fonction de l’épaisseur du vitrage), soit dans la menuiserie, soit dans la maçonnerie.

Quel que soit le mode de placement, il faut que les jonctions avec la grille soient étanches.

Lorsque les grilles sont placées dans des fenêtres, elles ne peuvent entraver l’ouverture de ces dernières

des grilles moins épaisses sont prévues pour châssis coulissants,
pour les fenêtres battantes, les grilles ne peuvent heurter le mur adjacent.

Grilles dans le châssis.

Souvent, les grilles d’amenée d’air naturelle perturbent l’esthétique des menuiseries extérieures. L’aspect visuel joue donc un rôle non négligeable dans le choix d’une grille. On peut exploiter la grille dans l’esthétique de la fenêtre ou essayer de la rendre la plus discrète possible. Il existe ainsi des grilles extrêmement discrètes. Par contre, plus le débit exigé par grille est important, plus celle-ci sera imposante. De même, les grilles isophoniques, par la présence de l’isolant acoustique, dépassent nettement du plan de la fenêtre.


Intégration entre le châssis et le vitrage.	Intégration dans la menuiserie.	Intégration au dessus du châssis, contre la battée.

Dans le cas de fenêtres cintrées, la grille devra bien souvent se placer en partie basse, avec les risques de courant d’air que cela peut provoquer si la grille ne se trouve pas au niveau des radiateurs.

Il n’existe pas de dimension standard pour les grilles. Leur hauteur varie en fonction du débit par mètre recherché. La longueur d’une grille est fonction des dimensions du châssis (elle est coupée sur mesure en usine). La longueur est cependant limitée par la rigidité des mécanismes de réglage intérieurs.

Le débit d’air neuf

Suivant les normes, la somme des débits nominaux des grilles d’un même local doit être au moins équivalente au débit requis par la réglementation wallonne. Inversement, avec les grilles en position complètement ouvertes, ces débits ne peuvent dépasser le double des débits réglementaires.

Comme le débit varie avec les conditions atmosphériques, avec l’étanchéité à l’air du bâtiment, … , le débit mentionné par les fabricants dans leur documentation doit avoir été mesuré conformément à l’Annexe C3 de la PEB, c’est-à-dire pour une différence de pression de part et d’autre de la grille de 2 Pa. Cette différence de pression correspond aux pressions moyennes de vent au droit des fuites et des dispositifs de ventilation dans des conditions climatiques normales.

Le respect des normes par les fabricants pour définir les débits est important pour comparer les différents produits.

Exemple.

aux Pays-Bas, le débit nominal des grilles est défini par la norme néerlandaise pour une différence de pression de 1 Pa. Une même grille a donc, en Belgique, un débit « catalogue » de 40 % supérieur au débit « catalogue » néerlandais (le débit varie comme la racine carrée de la pression : racine de 2 = 1,4).

Les possibilités de réglage

L’Annexe C3 de la PEB impose que l’ouverture de la grille doit pouvoir être réglée manuellement ou automatiquement soit en continu soit via au moins 3 positions entre la position ouverte et la position fermée. Étant donné que la plupart du temps, les grilles sont situées sur le haut des châssis, il est intéressant de disposer d’un système de cordelette, de tringle ou de glissière permettant un réglage facile et accessible. Il existe également des grilles motorisées pour les emplacements difficiles d’accès.

Grille motorisée avec commande par potentiomètre.

Grille à coulisse réglable.

Si un local comprend plusieurs grilles, le réglage peut se faire par ouverture/fermeture de certaines d’entre elles. Chaque grille prise individuellement ne doit pas posséder un réglage propre.

On sait que les débits de ventilation naturelle varient constamment en fonction des conditions atmosphériques (vent, température) et de l’utilisation du bâtiment (ouverture de fenêtres,…). Pour limiter ces influences sur le débit d’air neuf, il est pertinent de placer des grilles dites « autoréglables ». Ces dernières, équipées d’une membrane mobile, permettent d’obtenir un débit de passage 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, mais elles évitent également que les utilisateurs ne bouchent complètement les grilles pour éviter les courants d’air inévitables par vent fort.

Grille autoréglable.

L’étanchéité

À l’air

La norme NBN D50-001 fixe également le débit maximum de fuite en position fermée. Pratiquement, la section nette résiduelle d’une grille en position fermée ne peut dépasser 3 % de la section en position ouverte.

À l’eau

De plus, la grille doit être étanche à la pluie quelle que soit la direction et la force du vent (un vent violent équivaut à une différence de pression entre intérieur et extérieur d’environ 50 PA).

Ainsi, dans les endroits fortement exposés au vent et à la pluie, il est impératif de choisir une grille, dont la prise d’air extérieure est protégée par un capot.

À ce sujet, l’Annexe C3 de la PEB recommande pour empêcher dans la mesure du possible l’infiltration d’eau par une bouche d’alimentation d’un système de ventilation naturelle ou par une bouche d’alimentation d’un système de ventilation mécanique simple flux par extraction, de ne pas avoir de pénétration d’eau possible pour une différence de pression inférieure ou égale à 150 Pa en position « Fermée » et pour une différence de pression inférieure ou égale à 20 Pa en position « Complètement ouverte ».
Pour les fenêtres qui sont spécifiquement conçues comme bouche d’alimentation, la position « Complètement ouverte » doit être comprise comme la position d’ouverture maximale pour la ventilation (et non la position d’ouverture maximale de la fenêtre).
En l’absence de normes spécifiques, la détermination de l’étanchéité à l’eau des bouches d’alimentation s’effectue selon la norme NBN EN 13141-1. Les tests sont effectués selon la norme NBN EN 1027. La méthode d’essais retenue est la méthode 1A.
Pour les bouches d’alimentation qui ont des dimensions variables, les tests doivent être effectués sur un échantillon dont la mesure-jour de chaque dimension variable est de 1 m. Si la dimension maximale disponible est plus petite que 1 m, le test doit être effectuée sur un échantillon dont la dimension est maximale.

Aux animaux

En position ouverte, certaines grilles disposent d’un moustiquaire empêchant le passage des insectes.

Pour empêcher dans la mesure du possible la pénétration d’animaux indésirables par une bouche d’alimentation d’un système de ventilation naturelle ou par une bouche d’alimentation d’un système de ventilation mécanique simple flux par extraction, l’Annexe C3 de la PEB recommande qu’il ne soit pas possible de faire passer les objets suivants à travers la bouche d’alimentation, soit depuis l’intérieur vers l’extérieur, soit dans l’autre sens :

une petite boule en métal avec un diamètre de 4 mm
un petit disque en métal avec un diamètre de 10 mm et une épaisseur de 3 mm

Cette exigence est valable pour chaque position d’ouverture.

L’isolation thermique

En position fermée, la face intérieure de la grille ne peut constituer un point froid sur lequel des condensations peuvent apparaître. Il ne faut donc pas que la grille constitue un pont thermique par rapport aux matériaux qui l’entourent.

Pour cela, la grille doit comporter une coupure thermique (absence de contact ou matériau isolant) entre les matériaux en contact avec l’extérieur et les matériaux en contact avec l’intérieur. La qualité d’isolation de la grille se mesure par son coefficient de transmission thermique k. Par exemple, une grille placée dans un double vitrage doit avoir un coefficient U semblable à celui du châssis, c’est-à-dire au plus 3 W/m²K.

Dans la pratique toutes les grilles prévues sur le marché pour être associées à un double vitrage comportent une coupure thermique. Il faut cependant être attentif à ne pas placer une grille prévue pour des usages spécifiques (simple vitrage) qui n’en posséderait pas.

L’isolation acoustique

Plus le milieu extérieur est bruyant, plus il est important de veiller à ce que la grille ne soit pas un pont acoustique trop important entre l’extérieur et l’intérieur. L’isolement acoustique des bouches doit être adapté à l’isolement acoustique global de la façade.
Des absorbeurs acoustiques peuvent être prévus dans la grille de ventilation.

Grilles isophoniques.

Mais il est généralement plus efficace d’insérer les prises d’air dans l’épaisseur de la maçonnerie, car l’espace disponible permet une atténuation acoustique plus importante.

Prises d’air à insérer dans la maçonnerie avec isolation phonique.

Si l’isolement souhaité est encore plus important, on sera contraint d’adopter un système de ventilation « double flux« .

Remarquons que le CSTC, dans sa NIT n°192 propose une méthode approximative pour le calcul de la diminution de l’isolation aux bruits aériens due à la mise en œuvre de grilles de ventilation.

En pratique, on peut estimer qu’une isolation acoustique de 30 .. 34 dB(A) est nécessaire en milieu urbain.

À titre de comparaison, pour les riverains de l’aéroport de Bierset, on recommande une isolation acoustique des grilles de ventilation, de 44 dB(A).

La facilité d’entretien et le vieillissement

L’aspect extérieur de la grille doit être garanti dans le temps.

L’idéal est de pouvoir entretenir la grille à partir de l’intérieur des locaux. Les pièces doivent donc être facilement démontables et également remplaçables en cas de détérioration, particulièrement pour le dispositif anti-insecte et les dispositifs d’atténuation acoustique que l’on ne peut nettoyer correctement.

Un mode d’emploi clair doit être joint au matériel.

La sécurité anti-effraction

La présence d’une grille de ventilation ne doit pas faciliter l’intrusion dans le bâtiment.

L’emplacement

Les ouvertures en façade ne doivent pas être source de courant d’air froid pour les occupants. Deux possibilités existent pour éviter cet inconvénient.

Les ouvertures peuvent être placées à plus de 1,80 m du sol. Dans ce premier cas, le risque de courant d’air est encore minimisé si l’ouverture se situe au-dessus d’un corps de chauffe, créant ainsi un mélange rapide entre l’air frais et l’air chaud.

En plus des courants d’air, la position basse de la grille a comme inconvénients de la soumettre au poids du vitrage et d’augmenter les risques d’infiltration d’eau ou de neige.

On peut aussi placer les grilles à l’arrière des corps de chauffe. Dans ce cas l’air neuf est automatiquement préchauffé et entraîné par convection naturelle. Il y a cependant un risque de gel des corps de chauffe à eau, si ceux-ci sont à l’arrêt. Il existe également des convecteurs et climatiseurs possédant une prise d’air frais directement à l’extérieur.

Placement de la grille (et de la tige pour l’actionner), avant la pose du radiateur.

Détail grille.

Mise en œuvre

Voici quelques erreurs à ne pas commettre lors de la mise œuvre de grilles d’amenée d’air.

Positionnement inverse de la grille :
pénétration d’eau, courants d’air, difficulté de réglage.

Mauvais positionnement des joints en néoprène entre la grille et le vitrage :
inétanchéités.

Position basse de la grille :
résistance mécanique de la grille, déformation, courants d’air.

Mauvaise étanchéité entre la grille et la maçonnerie,
un joint souple (silicone) est souvent nécessaire.

Mauvais reserrage des baies :
entrée de poussières d’isolant, de maçonnerie.

Cas particulier de la ventilation intensive de nuit

On peut pratiquer une ventilation intensive de nuit de manière à décharger le bâtiment de la chaleur emmagasinée durant la journée et diminuer ainsi les surchauffes. On parle alors de free cooling.

Attention : les débits d’air de refroidissement nocturne doivent être beaucoup plus élevés que ceux nécessaires à l’apport d’air neuf hygiénique. En pratique, un taux de renouvellement d’air horaire de l’ordre de 4 … 6 doit être assuré pour obtenir l’effet refroidissant. Alors qu’un seul renouvellement d’air horaire est généralement suffisant pour l’apport d’air hygiénique.

Dans le cas d’une utilisation de la ventilation intensive pour pratiquer un refroidissement nocturne du bâtiment, il est recommandé de choisir des systèmes

empêchant l’intrusion d’insectes,
garantissant une protection contre les effractions,
limitant le risque de pénétration de pluie,
évitant la gêne acoustique de l’extérieur.

Les châssis tombants sont adéquats pour la ventilation de nuit. Ils sont étanches à la pluie et protègent assez bien le bâtiment de l’intrusion.

Grille de ventilation nocturne intensive.

Il existe également des systèmes de grilles fixes que l’on peut disposer par l’intérieur dans les châssis ouvrants, permettant ainsi une ventilation intensive par ouverture complète des fenêtres sans risque d’effraction et d’intrusion de pluie. Ces grilles peuvent être facilement placées en été et retirées en hiver, selon les besoins de refroidissement nocturne du bâtiment.

Posted By : 25 Sep, 2007

Choisir un récupérateur de chaleur

Récupérateur à plaques dans
un caisson de traitement d’air.

Intérêt d’un récupérateur

L’air neuf de ventilation, après avoir été porté à la température de confort à l’intérieur du bâtiment, est rejeté à l’extérieur alors qu’il possède un niveau énergétique supérieur à l’air extérieur que l’on introduit. On parle d’une enthalpie (un contenu en chaleur) plus importante que l’air extérieur.

L’idée est de transférer cette chaleur de l’air extrait vers l’air neuf. On peut ainsi arriver à une récupération de 50 .. 95 % du budget de chauffage de l’air de ventilation.

Calculs

Pour estimer le gain réalisable par le placement d’un récupérateur de chaleur, cliquez ici !

Exemple.

Calculons l’énergie contenue dans 1 m^³ d’air rejeté à l’extérieur.

Soit de l’air à 22°C rejeté à l’extérieur où il fait 6°C.

La quantité de chaleur Q contenue dans ce m^³ d’air rejeté est égale au produit du volume d’air par la chaleur volumique de l’air (0,34 Wh/m³°C) et par l’écart de température entre l’air rejeté et l’air à l’extérieur (ΔT).

Q = 0,34 [Wh/m³°C] x 1 [m³] x (22[°C] – 6[°C]) = 5,4 Wh.

En fait, l’énergie perdue est proportionnelle à l’écart de température et au taux d’humidité :

plus l’air rejeté est chaud (perte de chaleur sensible),
plus l’air rejeté est humide (perte de chaleur latente),
plus la température extérieure est basse.

Plus l’énergie contenue dans l’air rejeté est grande.

Calculons l’énergie rejetée par heure par un groupe de ventilation ayant un débit de 10 000 m³/h.

Supposons que cet air de ventilation doit être simplement chauffé, et qu’il n’y a pas de contrôle d’humidité.

Ce groupe rejettera donc toutes les heures un potentiel énergétique de :

Énergie rejetée par heure : 5,4 [W/(m³/h)] x 10 000 [m³/h] = 54 [kWh]

Si le chauffage de l’air est assuré par une installation au mazout dont le rendement est de 70 % (rendement d’installation moyen), cela représente un équivalent combustible de :

54 [kWh] / 0,7 x 10 [kWh/litre] = 7,7 [litres]

Un récupérateur de chaleur sur l’air extrait permet, en gros, de récupérer 50 % de cette consommation (certains récupérateurs permettent de récupérer 75 .. 95 % de cette consommation), soit l’équivalent de 3,6 litres ou 2,24 € (à 0,622 €/litre) par heure de fonctionnement.

Installation sans récupération.

Installation avec récupération.

Synoptique des récupérateurs

Il existe 4 types de récupérateurs :


Les caloducs.	Les échangeurs à plaques (simples ou doubles, avec refroidissement adiabatique indirect).

Les échangeurs à eau glycolée (simples ou à haute performance).	Les échangeurs à régénération (roues, à clapets simples ou multiples).

Nous reprenons ci-après les critères de choix entre ces différents types de récupérateur.

Rentabilité d’un récupérateur

En fonction du type de système, le rendement de récupération varie de 50 à 95 %.

La rentabilité du récupérateur résulte de la comparaison entre « le bénéfice », c’est-à-dire, le coût de l’énergie récupérée, et « les dépenses », c’est-à-dire :

Le coût du récupérateur (y compris le coût lié à son encombrement), tenant compte de la possibilité de réduire la puissance thermique des autres équipements thermiques (batteries, chaudières, humidificateurs). Cette possibilité augmente avec la performance du récupérateur, mais dépend aussi du type de récupérateur et de son mode de régulation, notamment en hiver (risque de givre).

L’augmentation de la consommation des ventilateurs liée à la perte de charge du récupérateur. Cette perte de charge n’est pas directement liée à la performance du récupérateur. Bien sûr un double échangeur à plaques aura plus de pertes de charge qu’un simple échangeur. Mais un caloduc présentera lui des pertes de charge importantes alors que ses performances sont plutôt médiocres.

Les coûts d’entretien, tous les récupérateurs n’ayant pas la même accessibilité.

Comme on le voit, il est difficile de tirer des règles générales quant à la rentabilité d’un récupérateur, ni quant à la performance du récupérateur à installer. Sans compter qu’il reste un point délicat dans le calcul de la rentabilité du fait des conditions de fonctionnement essentiellement variables de la ventilation.

L’optimalisation consiste à rechercher, parmi plusieurs solutions techniques applicables à la situation concernée, l’équipement présentant le temps de retour le plus court et/ou l’économie maximale. Une étude devra ainsi être menée par le concepteur tenant compte :

Du rendement de récupération tant en température qu’en humidité. Le rendement considéré sera établi suivant la norme EN 308 et correspondra au matériel réellement installé,

du mode de régulation de la récupération,

du risque de givre côté air extrait et du mode de dégivrage appliqué,

de la possibilité de réduire la puissance de production de chaud, de froid et d’humidité et de réduire la puissance des batteries de chaud et de froid. Cette possibilité dépend du rendement du récupérateur et de son mode de régulation (régulation modulante ou tout ou rien), de la régulation de vitesse du ventilateur,

de la perte de charge supplémentaire du récupérateur et de la consommation électrique qui en résulte,

de l’encombrement dû au récupérateur et du surinvestissement qu’il entraîne,

du coût du récupérateur.

Exemple simplifié.

Envisageons ici un exemple de calcul succinct de rentabilité :

Soit une installation de ventilation assurant un débit de 10 000 m^³/h et fonctionnant en tout air neuf 10 h par jour (de 8 h à 18 h), 5 jours par semaine et 35 semaines par saison de chauffe, soit 1 750 h.

Économie d’énergie

La température intérieure est de 22°C.

L’énergie nécessaire au chauffage de l’air neuf est de (8°C = température moyenne extérieure diurne durant la saison de chauffe et 0,8 est le rendement de l’installation de chauffage) :

0,34 [Wh/m³.°C] x 10 000 [m³/h] x (22 [°C] – 8 [°C])
x 1 750 [h/an] / 0,8 / 1 000 = 104 125 [kWh/an]

soit un récupérateur dont le rendement de récupération est de 50 %.

Cela implique une énergie récupérée de 52 062 kWh/an ou 5 200 litres fuel ou 3 234 €/an (à 0,622 €/litre).

Augmentation de la consommation électrique

La puissance électrique des ventilateurs GP et GE de l’installation de base est de :

0,4 [W/(m³/h)], soit 4 [kW].

Le placement du récupérateur entraîne une augmentation des pertes de charge et donc une augmentation de la puissance des ventilateurs pour maintenir le même débit :

Puissance électrique des ventilateurs GP et GE avec récupérateur = 5,7 kW.

Ainsi qu’une consommation électrique d’auxiliaire pour la circulation du fluide caloporteur :

Puissance de la pompe de circulation = 0,3 kW.

Le supplément de consommation électrique sera donc de :

5,7 [kW] + 0,3 [kW] – 4 [kW] = 2 [kW] x 1 750 [h] = 3 500 [kWh/an]

soit à 0,16 [€/kWh] (consommation de jour) = 560 [€/an].

L’économie annuelle réelle est donc de 3 234 [€/an] – 560 [€/an] = 2674 [€/an].

Investissement

Si on ne tient compte que du récupérateur et de son placement, on peut estimer l’investissement à 6 250 €. Le temps de retour est donc de :

6 250 [€] / 2674 [€/an] = 2,4 [ans]

On observe que la rentabilité est très dépendante du prix de revient du kWh thermique.

Même si un récupérateur n’est pas toujours rentable dans le sens des financiers qui exigent un retour de 3 ans, en aucun cas un récupérateur ne représente pas une dépense, puisqu’il se récupère toujours sur sa durée de vie par les économies d’énergie générées. Investissons donc dans la technologie plutôt que dans le combustible…

De plus, quel est le financier qui s’engagerait sur le prix de l’énergie dans 20 ans ? Pour une nouvelle installation, le placement d’un récupérateur représente un investissement raisonnable.

C’est pourquoi, aujourd’hui l’installation d’un récupérateur de chaleur sur l’air extrait d’une installation de ventilation double flux est systématique si le débit d’air neuf du groupe de pulsion dépasse 10 000 m³/h en usage diurne (10 heures par jour, 5 jours par semaine) ou 4 000 m³/h en usage continu. On peut même conseiller l’installation à partir de débits de l’ordre de 5 000 m³/h en usage diurne ou 2 000 m³/h en usage continu.

Caractéristiques de l’air extrait et de l’air pulsé

Un récupérateur de chaleur sera d’autant plus rentable qu’il permet de récupérer la chaleur sensible et la chaleur latente (« chaleur d’humidification ») de l’air extrait.

Récupération de l’humidité

L’humidification de l’air neuf en hiver est énergivore (on peut estimer que l’humidification est responsable de 25 % la consommation liée au traitement de l’air neuf en hiver).

Ainsi lorsque l’air neuf doit être humidifié, on a tout intérêt à ce que l’on puisse récupérer l’humidité de l’air extrait. Cela permet de réduire la taille de l’humidificateur et améliore la rentabilité du récupérateur.

Cette récupération de l’humidité n’est possible qu’avec les récupérateurs par accumulation (roue hygroscopique échangeur à régénération) ou le recyclage de l’air extrait (caisson de mélange). Cependant, ces récupérateurs ne sont admis que si on peut admettre un risque de contamination de l’air neuf par l’air extrait.

Condensation de l’air extrait

On peut aussi récupérer la chaleur latente contenue dans l’air extrait en condensant la vapeur d’eau qu’elle contient, ce que font les autres récupérateurs. La récupération et donc la rentabilité du récupérateur est d’autant plus importante que l’air extrait :

est humide,
est chaud,
c’est-à-dire que l’air extrait contient beaucoup d’énergie ou que son enthalpie est élevée.

Pour illustrer cela, prenons comme l’exemple d’une récupération faite sur trois types d’air différents :

Par exemple, considérons que l’air extérieur possède les caractéristiques moyennes suivantes :

Température	Humidité relative	Enthalpie
6°C	90 %	19 [kJ/kg]

Prenons trois types d’air intérieur :

		Température	Humidité relative	Enthalpie
1°	Air intérieur très sec.	20°C	35 %	33 [kJ/kg]
2°	Air intérieur normal (bureaux).	20°C	60 %	42 [kJ/kg]
3°	Air intérieur très humide (piscines).	28°C	65 %	68 [kJ/kg]

En comparant les enthalpies entre air entrant et air sortant, et en tablant sur une récupération moyenne de 50 %, on obtient :

		Écart d’enthalpie	Récupération de chaleur uniquement	Récupération de chaleur et d’humidité
1°	Air intérieur très sec.	14 [kJ/kg]	7 [kJ/kg]	7 [kJ/kg]
2°	Air intérieur normal (bureaux).	23 [kJ/kg]	7 [kJ/kg]	11,5 [kJ/kg]
3°	Air intérieur très humide (piscines).	49 [kJ/kg]	7 [kJ/kg]	24,5 [kJ/kg]

La connaissance des caractéristiques de la source de chaleur (température et humidité ) joue donc un rôle essentiel lors du choix de la récupération.

Rendement des récupérateurs

Tous les types de récupérateur ne permettent pas la même quantité d’énergie récupérée.

Efficacité thermique des récupérateurs
Échangeur à plaques	50 .. 85 %
Échangeur à eau glycolée	40 .. 80 %
Caloduc	50 .. 60 %
Échangeur par accumulation	75 .. 95 %

En fonction de l’énergie récupérée et de l’investissement à consentir, la rentabilité de chaque type de récupérateur varie en fonction du débit d’air à traiter. Ainsi, pour les faibles débits (… 5 000 m³/h …), ce sont les échangeurs à plaques simples qui sont les plus rentables. Les échangeurs par accumulation sont quant à eux fort onéreux pour les petites installations. Il n’en va pas de même pour les plus grosses installations (… 20 000 m³/h …) pour lesquelles ils deviennent plus que concurrentiels.

Cela montre qu’il est intéressant lors de chaque projet d’envisager attentivement différents types d’installation et d’en évaluer la rentabilité.

Emplacement des réseaux de ventilation et encombrement

L’encombrement et le coût (coût supplémentaire du groupe de traitement d’air) sont des facteurs non négligeables dans le choix d’un système de récupération (n’oublions pas qu’il faut aussi prévoir un filtre sur l’air extrait pour protéger la batterie !).

À titre d’exemple, on donne dans le tableau ci-dessous l’encombrement relatif des différents systèmes de récupération, pour un même débit d’air de 10 000 m³

Type de récupérateur	Boucle à eau glycolée	Échangeur à plaques	Caloduc	Échangeur par accumulation
Encombrement spécifique en m pour 10 000 m³/h	0,5 – 1	1,5 – 2	0,5	0,5 – 2

On remarque que c’est l’échangeur à plaques qui prend le plus de place. Si l’utilisateur opte pour ce type d’échangeur, il doit tenir compte de l’espace dont il dispose sachant que ce type d’échangeur peut prendre deux à trois fois plus de place.

De plus il faut prévoir également un espace suffisant permettant la maintenance de l’installation.

La proximité des circuits de pulsion et d’extraction peut aussi être un facteur favorisant le choix d’un type de récupérateur.
Si les conduits d’extraction et de pulsion sont éloignés et difficilement rapprochables, on choisira alors un récupérateur à eau glycolée.

Risques de contamination

Le recyclage de l’air est sans conteste la technique la plus rentable en matière de récupération de la chaleur de l’air. Cependant, les attentes toujours plus exigeantes en ventilation et en qualité d’air entraînent des débits d’air neuf en hausse et parfois un sentiment de réticence s’installe quant à la sécurité du recyclage.

Ceci dit, on voit de plus en plus de nouveaux projets de conception de zones à risque de contamination élevé prévue avec recyclage. L’argument en faveur d’un recyclage de l’air est qu’en phase aseptique (la plupart du temps) une filtration terminale bien suivie suffit à garantir une qualité d’air excellente. De plus, le réseau de ventilation étant dédicacé à une seule zone de même activité on craint moins les contaminations croisées responsables d’infections nosocomiales.

Par contre, dans les zones à risque de contamination faible, le risque de contamination croisée, lui, n’est pas négligeable par le fait que la centrale de traitement d’air dessert plusieurs zones à activités différentes.

Dans cette optique, les systèmes de récupération sans recyclage (à savoir, l’échangeur à eau glycolée, l’échangeur à plaques, l’échangeur à caloduc) offrent un plus grand intérêt et proposent une récupération sans contact entre air neuf et air vicié, donc sans contamination possible. Notons cependant que pour les échangeurs à plaques, un contact entre l’air vicié et l’air neuf peut se produire en cas de détérioration de l’échangeur par corrosion par exemple. Il est donc à éviter dans les zones sensibles, comme dans les zones hospitalières à contamination contrôlées.

Les systèmes de récupération par accumulation ne conviennent pas, lorsque la qualité d’air est une exigence prioritaire. En effet, ils présentent tous un risque d’injection d’air vicié dans l’air pulsé. On parle de « cross-over ». Celui-ci est cependant différent en fonction des systèmes :

Pour les régénérateurs rotatifs, le « cross-over » augmentera si le joint entre les deux flux d’air est mal entretenu.

Pour les régénérateurs à clapet unique, le « cross-over » augmente avec la distance entre le récupérateur et la bouche d’extraction. En effet, lors du basculement du clapet, l’air vicié se trouvant dans ce conduit sera réinjecté dans le bâtiment comme étant de l’air neuf.

Pour les régénérateurs à clapets multiples, la quantité d’air vicié réinjecté avec l’air neuf au moment du basculement équivaut uniquement à la quantité d’air contenue dans le récupérateur. On évalue alors le « cross-over » à environ 3 % du débit de pulsion (3 % du débit d’air pulsé est de l’air recyclé).

Type de récupérateur	Risque de contamination des flux d’air
Échangeur à plaques.	Faible.
Échangeur à eau glycolée.	Nul.
Caloduc.	Nul.
Échangeur rotatif.	Probable.
Régénérateur à clapet unique.	Certain – dépend de la taille du conduit d’extraction en aval de récupérateur.
Régénérateur à clapets multiples.	Certain – 3 % d’air recyclé.

Régulation des récupérateurs

Tous les types de récupérateurs nécessitent un système de régulation :

En hiver pour éviter le gel du côté de l’air extrait : lorsque la température extérieure devient négative, il est possible qu’en certains endroits de l’échangeur la température de l’air extrait chute sous 0°C. Du givre apparaît alors sur l’échangeur, réduisant les performances du récupérateur et augmentant les pertes de charge. Dans ce cas, il faut soit réduire la puissance de récupération, soit organiser des cycles de dégivrage.

En mi-saison et en été pour éviter la surchauffe de l’air à la sortie du récupérateur : lorsque la température intérieure est plus élevée que la température extérieure et qu’un besoin de refroidissement se fait ressentir dans les locaux, la récupération de chaleur doit être réduite, voire annulée pour éviter que l’air neuf ne contribue à surchauffer l’ambiance intérieure et pour permettre un free cooling avant l’enclenchement de la production de froid.

Régulation d’hiver

Du type de régulation dépendra, entre autres, la possibilité de réduire la puissance des batteries de chauffe, des chaudières et des humidificateurs, ce qui a une influence non négligeable sur l’investissement total et donc sur la rentabilité du récupérateur.

Si la régulation entraîne un arrêt de la récupération lorsque du givre apparaît, c’est-à-dire pour les températures les plus froides, il est hors de question de réduire la puissance des batteries de chauffe puisque lorsque les besoins de chauffe sont maximaux, le récupérateur est inopérant.

Il est cependant possible de contourner ce problème :

Les systèmes de récupération par accumulation (y compris les roues) ne présentent pas de risque de givre. Ils permettent donc de réduire la puissance des équipements de chauffe et d’humidification.

Pour les autres systèmes, voici les modes de régulation possible :

Le by-pass : la batterie de récupération est by-passée lorsqu’il y a un risque de givre. La présence de givre est mesurée soit par ΔP sur la batterie ou de façon « fixe » en fonction de l’humidité relative et de la température extérieure. On peut moduler le by-pass (ou la vanne de régulation dans le cas d’un circuit intermédiaire à eau glycolée) et en parallèle moduler la vitesse du ventilateur de pulsion. La solution de base est un ventilateur à deux vitesses. Ainsi, en période de dégivrage, au moment où l’on réduit pour un court instant la puissance de récupération, le débit d’air pulsé est réduit pour ne pas créer d’inconfort thermique, même avec une batterie de chauffe de taille réduite. Cette façon de faire a cependant ses limites. En effet, en présence d’un récupérateur à haut rendement, la diminution de débit pulsé en période de dégivrage pour maintenir une température de pulsion correcte devient trop grande pour assurer un confort continu. Un certain surdimensionnement de la batterie de chauffe par rapport au minimum requis est alors à prévoir. Il est cependant difficile de tirer une règle de conduite claire. En effet, les périodes de dégivrage peuvent être courtes, dépendent de la configuration de l’échangeur et des caractéristiques de l’air extrait. Les risques de givre n’apparaissent également que quelques semaines par an.

Une deuxième solution est le recyclage de l’air extrait vers l’air pulsé : après son passage dans l’échangeur, l’air vicié est directement réinjecté dans le récupérateur, entraînant son dégivrage. L’inconvénient de cette technique est que durant la courte période de dégivrage, l’air pulsé est entièrement contaminé par de l’air vicié (on travaille en recyclage total). Par contre, l’intérêt de cette technique est qu’aucun surdimensionnement de la batterie de chauffe n’est à prévoir.

Technique de dégivrage par recyclage.

La troisième solution applicable aux échangeurs à plaques est le système de dégivrage par « latte mobile ». Il s’agit d’une latte, qui va se déplacer sur toute la largeur de l’échangeur et boucher 3 à 4 plaques au niveau de l’air neuf , et permettre ainsi le dégivrage de ces plaques du côté de l’air extrait. On utilisera ce système soit dans le cas où le recyclage n’est pas autorisé (salles blanches ou d’opérations…), soit dans le cas où il est interdit de diminuer pendant quelques minutes le débit d’air neuf. Par ce système, on conserve en permanence une certaine puissance de récupération.

Notons en outre que lorsque le bâtiment comporte de nombreux groupes, on peut miser sur la non simultanéité des risques de givre sur chaque groupe pour limiter les coefficients de sécurité pris sur le dimensionnement des chaudières et peut-être ainsi diminuer légèrement l’investissement total même si le mode de régulation des récupérateurs empêche de réduire la puissance de chaque batterie de chauffe.

Régulation d’été

Lorsque des besoins en refroidissement se font ressentir pour des températures extérieures relativement fraîches, il est intéressant de réduire la récupération de chaleur pour éviter la surchauffe et profiter au maximum du free cooling.

Les solutions suivantes sont envisageables (suivants les cas) :

Un clapet de by-pass tout ou rien qui est le système le plus simple mais qui limite fortement la récupération.

Modification du débit d’air par clapet de by-pass modulant.

Modulation sur le débit d’eau glycolée par vanne 3 voies.

Basculement du caloduc (ce procédé se rapproche très fort d’un système tout ou rien).

Réduction de la vitesse de rotation du rotor de l’échangeur rotatif.

Régulation de la puissance de récupération
par bypass de la batterie réchauffant l’air neuf.

Régulation de la puissance de récupération
par recyclage d’une partie de l’air rejeté.

Régulation de la puissance de récupération
par modification du débit de fluide caloporteur (échangeur à eau glycolée).

Ici aussi, il est préférable d’adopter une régulation modulante de la récupération. En effet, si la récupération était purement et simplement mise à l’arrêt à partir d’une certaine température extérieure, l’air neuf risque, en fonction de cette température, d’être pulsé à trop froid et imposer le recours à une batterie de chauffe.

Il existe également sur le marché des récupérateurs à plaque dits « à refroidissement adiabatique indirect ». Dans ceux-ci, l’air extrait est refroidi par évaporation (de l’eau est pulvérisée dans le flux d’air extrait). Celui-ci refroidit à son tour l’air neuf pulsé, ce qui permet d’augmenter la période pendant laquelle on peut pratiquer du free cooling et d’éviter le recours à une batterie froide.

Dans ce cas la régulation suivra la séquence suivante en fonction de l’augmentation de la température extérieure et des besoins en refroidissement :

si la température de l’air pulsé après le récupérateur est inférieure à la température intérieure, ouverture maximale des volets d’air neuf (cas d’une installation avec recyclage d’air (climatisation « tout air »)),
diminution de la récupération de façon modulante,
pulsion de l’air neuf, sans traitement,
mise en route du refroidissement adiabatique indirect,
réduction du débit d’air neuf au minimum hygiénique et enclenchement de la batterie froide éventuelle.

Régulation tout ou rien ou modulante

En fonction du type de régulation appliqué, on a le choix entre :

Une régulation en tout ou rien par arrêt total de la récupération. Par exemple, lorsque la température extérieure chute sous – 3°C, il y a risque de gel sur la batterie de récupération et le récupérateur est totalement mis à l’arrêt. Le préchauffage de l’air est entièrement repris par la batterie de préchauffe. La mise à l’arrêt intervient également lorsque la température de l’air neuf à la sortie du récupérateur dépasse, par exemple, 18°C.

Une régulation modulante qui ajuste la puissance de récupération en fonction des risques de gel et de surchauffe. Par exemple, lorsque la température de l’air neuf après récupération atteint 18°C, la puissance de récupération est ajustée pour maintenir cette température.

Cette seconde possibilité est préférable.

On l’a vu, dans certaines situations, la régulation modulante permet de tenir compte de la présence du récupérateur dans le dimensionnement des équipements de chauffe.

Elle augmente, par la même occasion, les périodes de récupération et donc la quantité totale d’énergie récupérée durant l’année. Cela se visualise très bien sur les courbes des températures cumulées reprises ci-après.

Sur ces courbes, la surface colorée correspond à l’énergie annuelle récupérée. On voit très bien le nombre d’heures supplémentaires de récupération que l’on peut obtenir avec une régulation modulante par rapport à une régulation tout ou rien.

Cependant, d’une manière générale, les régulations modulantes sont évidemment plus coûteuses.

Réglage par by-pass du récupérateur
lorsque T° air_neuf < – 3°C et T° _{air neuf sortie} > 18°C.

Réglage progressif lorsque t_{air neuf} < – 3°C et t_{air neuf sortie} > 18°C .

Maintenance

La maintenance du système de récupération de chaleur est un point important qui contribue à atteindre les gains d’énergie annoncés sur la durée de vie de l’équipement.

Les différents systèmes de récupération nécessitent chacun une maintenance bien spécifique, qui est fonction de leur technologie.

Le tableau ci-dessous donne pour chaque type de récupérateur les différents points à contrôler lorsque l’on fait la maintenance

Échangeur à boucle d’eau		∇
Échangeur à plaques			∇
Caloducs				∇
Échangeur par accumulation					∇
1	État des surfaces d’échange (nettoyage régulier)	X	X	X	X
2	Contrôle des éventuelles fuites d’air
	fuites externes	X	X	X	X
	fuites internes		X	X	X
	fuites par turbulences				X
	fuites au niveau du clapet de by-pass		X	X	X
3	Contrôle de la régulation
	régulation à bascule			X
	régulation de la vitesse de rotation				X
	régulation sur le circuit caloporteur	X
	régulation du/des clapets de by-pass		X	X	X
	régulation antigel	X	X	X	X
4	Contrôle du fluide caloporteur
	contrôle de la teneur en antigel (glycol)	X
	contrôle du remplissage du circuit	X		X
	contrôle du débit	X
	contrôle de la purge	X

On doit donc tenir compte lors du calcul de la rentabilité financière du système de récupération, que les coûts de maintenance sont différents d’un système à l’autre.

Pour s’assurer du maintien des performances de la récupération, il y aura lieu de prévoir un contrôle régulier du fonctionnement, par mesure des températures entrée – sortie du récupérateur et comparaison avec les performances annoncées par le constructeur dans la notice technique.

Le contrôle de l’état de propreté de l’équipement de récupération est primordial.
En effet, l’encrassement des surfaces d’échange aura deux conséquences néfastes sur la récupération :

la réduction du coefficient d’échange de chaleur,
la réduction des débits d’air.

C’est dans ce but qu’un filtre doit être placé sur l’extraction, en supplément de celui déjà existant sur la pulsion. Filtres dont l’entretien est à assurer.

À noter aussi qu’il faut prévoir suffisamment d’espace pour permettre un entretien correct de l’installation.

Exemple.

Par exemple, dans le cas de l’échangeur à eau glycolée, pour changer le filtre et nettoyer l’échangeur on doit pouvoir disposer d’une longueur totale de 3,5 à 4 m, distance dont on ne dispose pas toujours pour l’installation d’où la nécessité de veiller préalablement à ce point.

Le contrôle du vieillissement (présence de points de corrosion, présence de fuites) sera prévu annuellement ou lorsqu’une dérive de fonctionnement est constatée. Les réparations éventuelles seront réalisées le plus rapidement possible.

Résumé des critères de choix

Dans le cadre de l’élaboration d’un projet, il est nécessaire d’avoir à l’esprit certaines questions :

Au niveau des principes de conception

Est-ce que le mélange d’air recyclé est possible ?
Y a-t-il de la chaleur perdue à disposition ?
Est-il nécessaire de prévoir une sécurité absolue contre la contamination ?
Est-ce qu’une autre récupération que la chaleur est possible ou souhaitable ? (froid, humidité)

Au niveau technique

Les gaines d’air neuf et d’air vicié peuvent-elles être rassemblées ?
La place nécessaire pour le récupérateur est-elle existante ?
Quelles sont les modifications de l’installation existante à prévoir ?
Existe-t-il un accès facile au récupérateur pour l’entretien et le nettoyage ?
Y a-t-il des situations spécifiques de montage à considérer ?
Y a-t-il des matériaux spécifiques de construction requis ?
Faut-il prévoir une protection spéciale contre la corrosion ?
Quelle disposition faut-il prendre pour éviter le gel ?
Quelles seront les conditions de fonctionnement en phase de démarrage ?
Quelles seront les mesures à prendre en cas de panne ?
Faut-il prévoir un by-pass côté air (surtout pour le gel) ?

Au niveau du mode de fonctionnement

Quels sont les états de l’air évacué, de l’air neuf et éventuellement de l’air recyclé ?
Quels sont les temps de fonctionnement de l’installation (moment et durée) ?
Les volumes d’air sont-ils constants ou variables ?
Quelle est la température de pulsion maximum admissible après le récupérateur ?

Autant de questions et de réponses qui orienteront le choix final du récupérateur.

L’ordinogramme qui suit, basé sur les questions de principe de conception ci-avant, donne un premier canevas de solution :

(*) récupérateur rotatif à rotation lente avec raccordement adéquat du ventilateur.

(**) échangeur à circulation : prévoir une couche de protection sur l’échangeur de l’air évacué si celui-ci est agressif.

(1) Motif : mélange d’air recyclé, pas de système de récupération de chaleur, cependant la façon la plus fonctionnelle d’économiser de l’énergie.

(2) Motif : données de construction :

Distance entre les gaines d’air neuf et air évacué.
Place nécessaire et coûts pour le rassemblement des gaines d’air neuf et d’air évacué (principalement par des quantités d’air importantes).

(3) Motif : toute sorte d’air évacué contaminé.

(4) Motif : échangeur à rotation rapide utilisable uniquement pour des petits débits d’air.

(5) Motif : quantité minimale d’air neuf par personne.

(6) Motif : air évacué non dangereux et peu chargé d’odeurs.

(7) Motif : air évacué chargé d’odeurs, contaminé, radioactif ou agressif. Pour des raisons de sécurité, séparation complète des gaines d’air neuf et d’air évacué. Egalement pour des raisons de panne (dommages de gel ou montage, vibrations, vieillissement des masses d’étanchéité, déformation des matières plastiques.

Résumé des caractéristiques des récupérateurs

	Boucle à eau glycolée	Échangeur à plaques	Caloduc	Échangeur par accumulation
Nécessité de placer les conduits d’air côtes-à-côtes	non	oui	oui	oui
Possibilité d’échange d’humidité	non	non	non	oui
Existence de pièces en mouvement (risque de panne)	oui	non	non	oui
Rendement en chaleur sensible	40 – 80 %	50 – 85 %	50 – 60 %	75 – 95 %
Encombrement spécifique en m pour 10 000 m³/h	0,5 – 1	1,5 – 2	0,5	0,5 – 2
Danger de gel	oui	oui	oui	non
Mélange entre l’air neuf et l’air vicié	non	non	non	oui
Perte de charge type en Pa	150 – 250	120 – 250	180	150

Posted By : 25 Sep, 2007

Choisir les filtres

Degré de filtration minimum

Filtre en entrée de centrale

À l’entrée d’air neuf, l’utilisation d’un filtre de faible efficacité (moins de 45 % OPA ou F5) est pratiquement inutile, que ce soit comme préfiltre et a fortiori comme seul étage de filtration. Un tel filtre (filtre plan, filtre à déroulement, filtre métallique) n’apporte aucune protection réelle contre la pénétration des particules de 1 μm et moins qui constituent pourtant 99 % du nombre de particules présentes dans l’air extérieur. Par contre, ils provoquent une perte de charge non négligeable.
Les batteries en aval de ces filtres vont donc rapidement emmagasiner les impuretés, augmentant leur perte de charge et diminuant fortement leur efficacité thermique.

Batterie protégée par un filtre de performance insuffisante.

Le tableau qui suit montre l’accroissement de longévité d’un filtre à haute efficacité grâce à l’utilisation d’un préfiltre grossier, mais aussi l’accroissement des frais d’exploitation dû au deuxième filtre :

Filtre sur l’entrée d’air neuf (préfiltre)	Filtre à la sortie du caisson de traitement d’air (filtre finisseur)	Accroissement relatif de la longévité du filtre principal	Accroissement relatif du coût d’exploitation global
95 % OPA (F9)	(aucun)	1	1
85 % GRA à Déroulement (G3)	95 % OPA (F9)	3 à 3,5	1,4

(Source : La filtration de l’air de J-Y Rault).

Si on compare les coûts d’exploitation globaux (coût de remplacement des filtres et augmentation de la consommation électrique pour maintenir un débit constant), la solution préfiltre grossier + filtre fin coûte nettement plus cher (plus de 40 %) que la solution comprenant un seul filtre fin au niveau de l’entrée d’air, du fait de la perte de charge complémentaire qu’il engendre. C’est la conséquence du fait que la consommation électrique d’un filtre est plus élevée que son coût d’investissement.
Par contre, dans un milieu urbain très poussiéreux, l’encrassement du filtre principal est tellement rapide que l’usage d’un préfiltre devient un bon choix, les deux filtres étant placés à l’entrée de l’installation.

Degré de filtration minimum

C’est le degré de filtration du filtre « finisseur » qui détermine la qualité finale de la zone.
Dans des conditions atmosphériques usuelles, un filtre fin (à partir de 60 % OPA (F6) ou 85 % OPA (F7)) placé sur l’entrée d’air est nécessaire. Plus il est fin, plus il coûtera cher à l’investissement et à l’exploitation (consommation d’énergie).
La norme européenne ISO Ventilation for buildings – Performance requirements for ventilation and air-conditionning systems recommande un choix de filtre en fonction de la qualité d’air intérieure exigée et de la qualité de l’air neuf soit de l’air extérieur. Idéalement, la norme propose de choisir pour le préfiltre la classe F7 et pour le filtre finisseur la classe F9.

Qualité de l’air intérieur	Qualité de l’air neuf
Qualité de l’air intérieur	Air pur	Poussière	Concentration très élevée
Élevée	F9	F7+F9	F5+GF*+F9
Moyenne	F8	F6+F8	F5+GF*+F9
Modérée	F7	F5+F7	F5+F7
Basse	F6	F5+F6	F5+F6
* GF = Filtre à gaz

Compte tenu de la difficulté et du coût du nettoyage ultérieur des conduits, un filtre F7 est à recommander.

Filtre en sortie de centrale

Il faut éviter en outre d’avoir des sources de pollution en aval du dernier élément filtrant.
La solution d’un filtre unique sur l’entrée d’air neuf n’est idéale qu’en cas d’absence de pollution en aval du filtre. Ces sources de pollution peuvent par exemple être un humidificateur à ruissellement (peu utilisé chez nous) ou un recyclage d’air. Dans ces cas, un filtre complémentaire peut être nécessaire à la sortie du groupe de traitement d’air pour protéger le réseau de distribution de l’air (au minimum 85 % OPA ou F7). La longévité de ce dernier sera extrêmement importante et économique.
Le placement de ce deuxième filtre dans le caisson de traitement d’air est cependant difficile à réaliser, si on veut limiter les pertes de charge.

Exemple.

Comparaison de l’évolution de la pression dans un caisson de ventilation monobloc,
sortie libre dans le caisson avec filtre après le ventilateur et sortie raccordée au gainage avec filtre avant le ventilateur.

On voit dans l’exemple précédent que si le filtre est raccordé en aval du ventilateur et que ce dernier débite librement dans le caisson, la perte de charge (chute de pression totale dans le caisson), donc la consommation est plus importante.
Idéalement, si on place un filtre, dans le caisson après le ventilateur, le raccordement avec la sortie du ventilateur et avec l’entrée du conduit devrait se faire de manière à éviter les brusques changements de section générateurs de pertes de charge.

Ceci augmente malheureusement la taille du caisson.
Cette difficulté implique que dans la pratique courante, un deuxième étage de filtration en aval du ventilateur, n’est utilisé que dans des bâtiments spécifiques comme les hôpitaux.
Dans le cas d’un réseau de distribution pouvant présenter d’importantes fuites, un dernier filtre peut également être placé le plus près possible du local à traiter.

Degré de filtration maximum

Plus un filtre est performant plus il est coûteux en exploitation (coût de remplacement et consommation électrique du ventilateur).
Exemple.

Coût d’exploitation de différents filtres sur le marché : débit moyen de l’installation (en fonction de la perte de charge moyenne des filtres) = 54 000 m³/h, rendement du ventilateur = 0,6 Coût électrique = Δp [Pa] x [heures/an] x 6,5 [c€/kWh] x 54 000 [m³/h] / 0,6 / 3,6 10⁶
–	Filtre à panneaux 80 % GRA	Filtre à déroulement 80/85 % GRA	Filtre à poches 85 % GRA	Filtre à poches 90 % GRA	Filtre à poches 55 % OPA	Filtre à poches 85 % OPA	Filtre à poches 95 % OPA
Nb de filtres	16	1	16	16	16	16	16
Débit/filtre [m³/h]	3 375	54 000	3 375	3 375	3 375	3 375	3 375
Coût d’un filtre de rechange [€]	5,25	420	31	38,5	75,15	86,55	96
Coût total d’un remplacement [€]	84	420	506,4	616,8	1 202,4	1 348,8	1 536
Perte de charge initiale [Pa]	60	–	25	35	60	85	130
Perte de charge finale [Pa]	160	–	150	200	300	300	300
Perte de charge moyenne [Pa]	110	140	88	118	180	193	215
Durée de vie [h]	500	4 000	6 500	4 000	12 000	9 000	6 500
Durée de fonctionnement [h/an]	4 000
NB de changement par an	8	1	0,6	1	0,33	0,44	0,61
Coût des rechanges [€/an]	672	420	303,75	616,8	396,75	609,3	936,9
Consommation par an [€/an]	1 237,5	1 575	990	1 327,5	2 025	2 171,25	2 418,75
Coût total [€/an]	1 909,5	1 995	1 293,75	1 944,3	2 421,75	2 780,75	3 355,65

En jaune sont repris les filtres couramment utilisés en ventilation dans les zones à risque de contamination élevé.

Choix de la taille et du type de filtre

Deux éléments vont conditionner le coût d’exploitation lié à la filtration :

La perte de charge moyenne du filtre durant la période de fonctionnement et donc la puissance électrique moyenne absorbée par le ventilateur pour vaincre celle-ci.
La longévité du filtre, c’est-à-dire la rapidité avec laquelle le filtre atteindra la perte de charge finale recommandée par le fabricant et donc devra être remplacé.

À titre d’exemple, le cahier des charges 105 de la Régie des bâtiments limite la perte de charge initiale des filtres en fonction de leur efficacité. Ces valeurs peuvent être considérées comme des ordres de grandeur économiquement raisonnables :

Classe suivant NBN X44-001	Perte de charge initiale maximale au début d’utilisation [Pa]
G70	40
G80	40
G85	50
G95	50
F50	80
F70	90
F85	120
F95	150
U95	150
U99.97	225
U99.99	225

Première règle : choisir des filtres à poches

À efficacité égale, un filtre à poches coûte nettement moins cher (investissement + exploitation) qu’un filtre à déroulement ou qu’un filtre plan. Ceci s’explique par la plus grande surface filtrante du premier par rapport aux autres. Sa longévité est donc nettement plus grande (atteinte de la perte de charge maximum plus tardive). Le nombre de remplacements moindre compense donc un coût d’achat plus important.
À l’inverse, pour un coût d’exploitation semblable, on peut se permettre un filtre à poches plus efficace que les filtres plans ou à déroulement (40 % d’efficacité en plus sur les particules de 1 μm).
De même, à efficacité égale, on a intérêt à choisir le filtre à poches avec les poches les plus grandes.
Exemple : Dans une même gamme de filtres à poches de la marque « x », on retrouve des filtres F7 avec des poches de 700 mm de profondeur, ayant une perte de charge initiale de 80 PA pour un débit de 3 400 m³/h et des poches de 600 mm de profondeur, ayant une perte de charge initiale de 100 PA pour le même débit.

Deuxième règle : choisir le filtre le plus épais

À efficacité égale, il faut préférer les éléments filtrants les plus épais. En effet, ces derniers peuvent emmagasiner une quantité plus importante de particules avant d’atteindre la perte de charge finale recommandée. Ainsi pour une même efficacité et une même perte de charge moyenne, le filtre plus épais sera remplacé moins souvent.

Mise en œuvre de la filtration

L’efficacité de la filtration est fortement conditionnée par l’étanchéité du montage. Le degré de filtration peut baisser de plusieurs classes s’il y a by-pass d’air autour des filtres ou trop de fuites.
Voici 3 points auxquels il faut être attentif :

Le filtre doit remplir tout l’espace du gainage dans lequel il s’insère, des panneaux étanches doivent fermer les espaces libres.
Lorsque la filtration est réalisée par plusieurs filtres placés côte à côte, un joint d’étanchéité doit être disposé entre chacun d’eux. Ce joint doit être remis en place lors du remplacement des filtres.
Lorsque le filtre est maintenu dans une glissière, celle-ci doit laisser le moins de jeu possible.

Entretien

Le colmatage des filtres entraîne une augmentation des pertes de charge de l’installation (augmentation de 100 .. 200 Pa par rapport à la situation filtre propre). Cette augmentation entraîne :

Une diminution des débits et donc une perte d’efficacité de l’installation de ventilation.

Une augmentation du débit d’air non filtré passant par les espaces presque inévitables existant entre les éléments actifs des filtres et leurs supports, dans les joints entre gaines et ventilateurs. Le débit d’air non- filtré peut amener un noircissement rapide des bouches et l’apparition de traînées noires en chaque point où les gaines de distribution d’air ne sont pas rigoureusement étanches.

La facilité d’entretien conditionne souvent sa fréquence. Pour éviter que l’entretien des filtres ne soit négligé à cause de sa difficulté, on convient de prévoir dans l’installation :

Des éléments de filtration ayant des dimensions et un poids qui ne rendent pas pénibles les manipulations nécessitées par le nettoyage. Le mode de fixation des éléments sur leur cadre fixe doit permettre un démontage et un remontage aisés en assurant une parfaite étanchéité entre éléments et cadre.

Des filtres ayant par leur épaisseur et leur surface de filtration, la capacité d’emmagasinage la plus grande possible, ce qui réduit les fréquences d’entretien.
Un accès facile à la section « filtre » au moyen d’une porte ou d’un panneau aisément démontable, construit en fonction des filtres à y introduire.
Un manomètre différentiel indiquant la perte de charge maximum que peut atteindre le filtre. Le cahier des charges 105 de la Régie des bâtiments recommande que la valeur repère « filtre sale » du manomètre soit rapatriée au niveau d’un tableau électrique sous la forme d’une lampe rouge.
Un affichage à proximité du filtre reprenant : l’efficacité, le débit nominal, les pertes de charge initiale et finale et la date du dernier remplacement.

Autres critères de choix

Résistance à la corrosion

Les filtres traitent souvent quotidiennement des dizaines de tonnes d’air : aussi, toutes leurs parties constitutives doivent résister parfaitement aux agents de corrosion contenus dans l’air atmosphérique : vapeurs d’eau, vapeurs et gaz industriels, humidité saline.

Tenue au feu

Les filtres ne devraient pas être la source de fumée ni de gaz irritant ou toxique s’ils sont pris dans un incendie.

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Choisir le ventilateur

Point de fonctionnement et rendement

Lorsqu’une installation de ventilation est gérée en fonction de la demande

Aubes recourbées vers l’avant ou vers l’arrière ?

1er critère : le rendement

2ème critère : l’allure de la courbe caractéristique

Dans les réseaux à débit constant

Dans les réseaux à débit variable

Mode d’entraînement du ventilateur

Rendement global

Transmission

Moteur

Intégration du ventilateur dans le réseau

Sortie du ventilateur

Aspiration du ventilateur

Acoustique

Comment connaître le bruit que fera le ventilateur ?

Le bruit du ventilateur, un critère de choix important ?

Un niveau sonore lié à la hauteur manométrique

Choisir un ventilateur à haut rendement et basse vitesse

Bien choisir l’implantation du local technique ou de l’extracteur

Local technique

Portes d’entrée et d’accès pour le matériel

Conduits

Garage collectif

Extracteur extérieur

Couper la transmission du bruit vers les supports

Encombrement

Choisir l’emplacement des prises et des rejets d’air extérieurs

Prises d’air

Rejets d’air

Combinaison rejet-entrée d’air

Choisir les amenées d’air naturelles

Types de systèmes possibles

Systèmes inadéquats : les fuites, les fentes, les fenêtres et les conduits ouverts

Systèmes adéquats : les grilles de ventilation

L’intégration dans la structure existante

Le débit d’air neuf

Les possibilités de réglage

L’étanchéité

À l’air

À l’eau

Aux animaux

L’isolation thermique

L’isolation acoustique

La facilité d’entretien et le vieillissement

La sécurité anti-effraction

L’emplacement

Mise en œuvre

Cas particulier de la ventilation intensive de nuit

Choisir un récupérateur de chaleur

Intérêt d’un récupérateur

Synoptique des récupérateurs

Rentabilité d’un récupérateur

Caractéristiques de l’air extrait et de l’air pulsé

Récupération de l’humidité

Condensation de l’air extrait

Rendement des récupérateurs

Emplacement des réseaux de ventilation et encombrement

Risques de contamination

Régulation des récupérateurs

Régulation d’hiver

Régulation d’été

Régulation tout ou rien ou modulante

Maintenance

Résumé des critères de choix

Au niveau des principes de conception

Au niveau technique

Au niveau du mode de fonctionnement

Résumé des caractéristiques des récupérateurs

Choisir les filtres

Degré de filtration minimum

Filtre en entrée de centrale

Degré de filtration minimum

Filtre en sortie de centrale

Degré de filtration maximum

Choix de la taille et du type de filtre

Première règle : choisir des filtres à poches

Deuxième règle : choisir le filtre le plus épais

1^er critère : le rendement

2^ème critère : l’allure de la courbe caractéristique