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Gestion de la ventilation

Considérations générales

Afin d’adapter les débits d’extraction du local de cuisson aux besoins réels, il est possible de faire tourner le ventilateur d’extraction à une vitesse inférieure à sa vitesse maximale. Dans ce cas, si la pulsion est également mécanique, le ventilateur de pulsion (qu’il soit dans le même local ou dans un autre : système avec transfert) devra être asservi au fonctionnement du ventilateur d’extraction.

Le taux de filtration des séparateurs de graisse étant relatif au débit, il est impératif que tout système de gestion assure toujours le débit minimum nécessaire pour garantir une filtration adéquate dès qu’un appareil est en utilisation. Le fabricant des hottes, plafond filtrant ou séparateurs de graisse est à consulter en cas de gestion du ventilateur d’extraction uniquement.

Il existe 2 approches différentes. Une gestion générale sur le groupe d’extraction uniquement et une gestion ou chaque segment de hotte, généralement d’une longueur maximale de 3m, est traité indépendamment des autres segments. La gestion par segment ayant un gain énergétique plus ou moins double par rapportau système de gestion sur groupe uniquement, le retour sur investissement des deux systèmes est environ identique.

La gestion par segment

Pour une telle gestion, chaque segment doit être équipé d’un clapet mécanique motorisé qui adapte le débit selon le besoin du segment. Comme pour un bon fonctionnement le temps de réaction est critique, les clapets sont munis de moteurs rapides et le système gère le groupe d’extraction directement. Ces systèmes peuvent éventuellement être complétés par une horloge sur le circuit électrique qui coupe la ventilation pendant les heures ou les locaux sont inoccupés.

Les possibilités pour une gestion par segment sont :

Mesure de fonctionnement par sondes infrarouges
Mesure de fonctionnement par faisceau laser

Mesure de fonctionnement par sondes infrarouge

Le calcul du débit se fait à l’aide de sondes infrarouges intégrées dans le plafond (ou les hottes) qui mesurent à tout instant le fonctionnement de chaque appareil individuellement. Pour des raisons d’hygiène et de sécurité il est important que ces sondes soient installées à fleur avec le plafond ou les hottes.

Chaque appareil de cuisine nécessitant un certain débit, le débit total nécessaire pour un segment est alors calculé sur base des données des sondes infrarouges individuelles. Ces différents débits sont sommés par un calculateur central qui envoie alors un signal (par exemple 0-10V) vers le groupe d’extraction et le clapet modulant le débit total de chaque segment. Certains fabricants permettent ainsi de gérer jusqu’à 4 locaux sur un même extracteur.

Cette gestion peut être complétée par une sonde de température d’ambiance, une sonde de CO₂ ou autre sonde qui génèrerait une demande supérieure selon les situations spécifiques de chaque cuisine. Par exemple : une grande baie vitrée exposée au soleil ou une ouverture vers le restaurant dans le cas d’une situation front-cooking. Situations dans lesquelles sans activité dans la cuisine, la température ou le taux de CO₂ pourraient dépasser les valeurs acceptables et un débit supérieur serait donc nécessaire.

Mesure de fonctionnement par faisceau laser

Le calcul du débit se fait à l’aide d’un système de lasers qui mesurent la densité de l’air au-dessus des appareils de cuisson. Ce système ne détecte pas la source de chaleur directement mais les effets secondaires de la cuisson : la vapeur ou les fumées.

Une grande importance est à donner au placement correct de chaque faisceau (par segment) afin de s’assurer que le flux passe bien devant ce faisceau, sans ceci le système risquerait de rester sans réaction.

Comme ce système détecte uniquement l’effet secondaire crée par la cuisson, il réagit plus tardivement que les systèmes à sondes infrarouge. Une manière de contrer ce retard de réaction est d’augmenter les débits minimum à 50% du débit total requis.

Ce système peut également être accompagné de sondes de température, CO₂ ou autre.

Vu la difficulté d’installation des faisceaux lasers, ce système est souvent installé en tant que système de gestion du groupe uniquement. Les lasers sont alors incorporés dans les extrémités latérales de la hotte assurant ainsi une installation correcte permanente.

La gestion du groupe de ventilation

Tous les systèmes décrits ci-dessous nécessitent un déclenchement manuel, par horloge ou par sonde. La gestion du débit ne se fait qu’une fois l’extraction enclenchée.

Une attention particulière aux caractéristiques de chaque fabricant de hottes/plafonds est à prendre en compte avant toute installation de gestion sur le groupe uniquement.

Il existe plusieurs possibilités pour une telle gestion.

Le ventilateur à 2 vitesses
Le ventilateur à 2 vitesses + l’horloge
Le ventilateur à 2 vitesses + la sonde de température
Le ventilateur à 2 vitesses + mesure de courant
Le moteur à vitesse variable + le régulateur PI
Les systèmes de gestion par segment, installés sans clapets

Le ventilateur à 2 vitesses

Une première solution consiste à utiliser un ventilateur à 2 vitesses commandé par un interrupteur à 3 positions (grande vitesse, petite vitesse et arrêt).
On peut, bien entendu, étendre ce système à un ventilateur à plus de deux vitesses.
Les utilisateurs règlent manuellement la vitesse du ventilateur selon l’intensité des activités.

Gérer

Cette gestion n’est efficace que si elle est accompagnée d’une sensibilisation des utilisateurs aux économies d’énergie. En effet, l’expérience montre que les oublis sont fréquents et que la grande vitesse fonctionne souvent 24/24 ! Pour en savoir plus.

Le ventilateur à 2 vitesses + l’horloge

Une deuxième solution consiste à placer une horloge sur le circuit électrique de la ventilation. Elle sera programmée afin d’adapter les débits de ventilation selon les temps d’activité supposés de la cuisine.

On choisit un ventilateur à 2 vitesses comme ci-dessus. Mais cette fois, c’est l’horloge qui commande le passage d’une vitesse à l’autre.

Fonctionnement continu à grande vitesse.

Fonctionnement intermittent avec horloge.

L’horloge peut aussi couper la ventilation pendant les heures d’inactivité totale de la cuisine (en général de 15h00 à 7h00).

On peut, bien entendu, étendre ce système à un ventilateur à plus de deux vitesses.

Une dérogation au programme horaire est à prévoir. Elle doit pouvoir être réalisée par une manœuvre simple avec retour automatique au programme.

L’inconvénient de l’horloge est qu’elle fonctionne suivant l’utilisation supposée, et non pas réelle, de la cuisine.

Le ventilateur à 2 vitesses + la sonde de température

On choisit un ventilateur à 2 vitesses comme ci-dessus. Mais cette fois, c’est une sonde de température qui commande le passage d’une vitesse à l’autre.

On peut, bien entendu, étendre ce système à un ventilateur à plus de deux vitesses.

La sonde est placée dans le flux d’air de la gaine d’extraction. Ainsi, elle mesure principalement la chaleur convective dégagée par l’activité et non la chaleur rayonnante car le but de la ventilation est effectivement d’évacuer la chaleur qui se trouve dans l’air et non la chaleur rayonnante des équipements.

Comme ce système ne travaille qu’à débit réduit tant qu’aucune augmentation de température significative n’est remarquée, les buées propagées ne sont pas toutes captées par la hotte, retardant son déclenchement. Ce système a donc fort tendance à réagir tardivement sur un changement d’utilisation des appareils. Un débit minimum plus élevé peut remédier à ceci.

Certains fabricants placent la sonde de température dans la pièce plutôt que dans le conduit d’extraction. Comme ceci implique que l’air chaud contenant vapeurs et graisses se propage d’abord dans la cuisine avant que le débit ne soit augmenté, ce genre d’installation est fortement à déconseiller.

Le ventilateur à 2 vitesses + mesure de courant

On choisit un ventilateur à 2 vitesses comme ci-dessus. Mais cette fois, une mesure est faite sur le courant appelé par l’ensemble des appareils du local de cuisson. C’est cette mesure qui commande le passage d’une vitesse à l’autre. Cela n’est bien sûr valable que pour les cuisines « tout électrique ».

Comme il n’est pas possible de savoir si le courant est utilisé pour chauffer de l’eau de 20° à 80°C ou de l’huile de 20° à 180°C (chacune de ces options ne nécessitant qu’un faible débit pour l’évacuation d’un léger flux convectif uniquement, ou si ce courant est utilisé pour faire bouillir de l’eau à 100°C ou cuire des frites à 150-160°C. Ce système ne peut fonctionner qu’en mode maxi/mini.

Le moteur à vitesse variable + le régulateur PI

Cette solution consiste à adapter les débits aux pollutions réelles de la cuisine, cela grâce à un régulateur PI(proportionnel et intégral ) combiné à un moteur à vitesse variable.

La régulation est composée de 3 contrôleurs PI en parallèle mesurant la température, l’humidité et le taux de CO₂ (pour les cuisines au gaz) de l’air ambiant.

Le maximum des trois sorties est appliqué au moteur d’extraction.

D’après des essais faits au centre de recherches des Renardières d’EDF, c’est, en général, le contrôleur en température qui impose le fonctionnement du moteur. Dès lors, pour simplifier, on peut, d’après ces études, se contenter d’une régulation PI en fonction de la température et de deux alarmes pour le taux de CO₂ et l’humidité qui entraînent un passage en vitesse maximale en cas de dépassement de consigne.

Le contrôleur PI va donc commander le moteur d’extraction à une vitesse qui dépend de l’écart entre la température mesurée et la température de consigne (avec une fonction intégrale qui permet d’affiner la vitesse).

Réduction possible des débits de ventilation à l’aide de régulateur.

Tout comme pour le système de gestion avec un ventilateur à 2 vitesses + sonde de température, ce système réagit tardivement à un changement d’utilisation, un débit minimum plus important est donc fortement conseillé.

Ce système est sophistiqué et délicat à régler. Il est à mettre au point par un installateur averti.

Systèmes de gestion par segment, installé sans clapets

Les systèmes de gestion par segment peuvent également être installés sans clapets motorisé, ils perdent dans ce cas bien sûr de leur efficacité d’économie, mais le débit nécessaire reste toujours garanti.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Rendement d’un récupérateur de chaleur

Echangeur à plaques.

Définition du rendement d’un récupérateur

Le rendement thermique

Le rendement thermique représente la proportion de l’énergie de ventilation que le système permet de récupérer. C’est le rapport du transfert réel de chaleur sur le transfert maximum possible.

1 : entrée d’air neuf
2 : pulsion d’air neuf
3 : extraction d’air vicié
4 : sortie d’air vicié

En général, le rendement est rapporté au débit d’air neuf. Le rendement est dit total parce qu’il concerne l’énergie sensible et latente, il est donc basé sur le rapport des enthalpies.

h = (M_an x (h₂– h₁)) / (M_min x (h₃– h₁))

h = rendement thermique total,
h = enthalpie en KJ/kgK,
M_an= débit massique d’air neuf,
M_av= débit massique d’air vicié,
M_min= débit massique minimum entre M_an et M_av.

On passe du débit volumique Q (que l’on pourra mesurer) au débit massique M en multipliant par la masse volumique ρ qui vaut environ 1,2 kg/m³ à 20°C.

Pour tous les types de récupérateurs sauf pour la roue hygroscopique, il n’y a pas de transfert de vapeur d’eau entre l’air neuf et l’air vicié.

La montée en température de l’air neuf se fait à humidité constante, et physiquement le point 2 ne pourra donc au maximum qu’atteindre le point 2′ (t₂‘ = t₃).

Evolution des caractéristiques de l’air neuf et de l’air vicié dans un récupérateur de chaleur. 1 : entrée d’air neuf, 2 : pulsion d’air neuf, 3 : extraction d’air vicié, 4 : sortie d’air vicié, 2′ : pulsion d’air neuf dans le cas d’une récupération de chaleur totale

L’efficacité thermique

Il peut arriver que l’on remplace la notion de rendement par celle d’efficacité thermique.

Elle est basée sur le rapport des températures.

On a donc :

ε = (q_anx (t₂– t₁)) / (q_min x (t₃– t₁))

ε = efficacité thermique,
t = température de l’air,
q_an= débit massique d’air neuf,
q_av= débit massique d’air vicié,
q_min= débit massique minimum entre Q_an et Q_av.

Et si les débits d’air neuf et d’air vicié sont identiques, l’expression devient :

ε = (t₂– t₁) / (t₃– t₁)

L’économie d’énergie relative

C’est le rapport entre l’énergie économisée par rapport à l’énergie totale fournie à l’air qui transite dans le système de ventilation. Il montre clairement l’impact du récupérateur sur la diminution de la puissance du chauffage.

Ee = (t₂– t₁) / (t_pulsion– t₁) = Q_rec / (Q_rec +Q_app)

Q = énergie fournie par le récupérateur à l’air neuf,
t_pulsion= température de pulsions de l’air dans le local.

Apports de chaleur nécessaires à l’air neuf pour l’amener à la température de pulsion.

Facteurs influençant le rendement

Les paramètres qui caractérisent un récupérateur sont :

la nature du récupérateur et de ses composants (matériaux mis en œuvre, géométrie de l’échangeur (surface, ailettes, …);
la vitesse de passage de l’air;
les débits respectifs de l’air neuf et de l’air vicié;
la chaleur latente de l’air extrait.

Ces paramètres influencent le rendement dont la valeur est généralement donnée par le constructeur.

On notera que d’une manière générale, le rendement d’un échangeur augmente avec :

L’augmentation de la surface d’échange : Ce paramètre augmente cependant le coût du système et a aussi tendance à augmenter les pertes de charge et donc le coût des auxiliaires (consommation électrique des ventilateurs de déplacement), il y a donc un optimum à chercher.
La diminution de la vitesse de passage des fluides
L’augmentation de la différence de température entre les deux fluides : Ce paramètre aura peu d’effet dans le cas d’un système de ventilation, la plage de température étant très limitée (de – 15°C à + 35°C)
L’augmentation du débit d’air vicié (donc d’air chaud) par rapport au débit d’air neuf (donc d’air froid)

Attention, si le bâtiment est mis en surpression, c’est au contraire le débit d’air neuf qui est supérieur au débit d’air vicié.

On notera que, vu la faible plage de variations des températures, le coefficient d’échange d’un récupérateur donné peut être considéré comme constant.

En conséquence, pour un récupérateur de surface d’échange A et dont les débits de fluide sont fixes (ce qui sera généralement le cas en récupération), le rendement est indépendant des températures d’entrée de l’air neuf et de l’air rejeté. Il est donc sensiblement constant.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Humidificateurs à évaporation

Principe de fonctionnement

Le principe de ce type d’humidificateur consiste à favoriser au maximum l’évaporation d’eau dans l’air pulsé, sans pulvérisation. La surface de contact entre air et eau doit donc être maximale, grâce

soit au passage de l’eau dans une structure alvéolaire, type nid d’abeilles,
soit à l’imprégnation de l’eau dans un média spécial au travers duquel l’air s’infiltre,
soit au ruissellement de l’eau sur une surface en contact avec l’air.

Dans l’appareil schématisé ci-dessus, un bac maintient l’eau à niveau constant grâce à un flotteur. La pompe envoie l’eau au sommet de l’appareil, d’où elle s’écoule dans le média ou sur le support.

La fraction non évaporée est recueillie dans le bac et recyclée.

Puisque les sels ne sont pas évaporés, la concentration en sels augmente régulièrement dans l’eau du bac, risquant d’obstruer ainsi le média par les dépôts. On prévoit alors un débit de déconcentration, fonction de la teneur en sels de l’eau de ville.

Comme pour les appareils à pulvérisation, les humidités relatives maximales à la sortie de l’appareil sont de l’ordre de 80 à 85 %. L’encombrement est toutefois plus faible.

À noter que le taux d’humidité relative est fonction de la température de l’air à humidifier :

Un humidificateur placé directement dans le local travaille avec de l’air à 20° 50 % HR; l’air à la sortie sera au mieux porté à 60 ou 65 % HR.
Dans un caisson d’humidification, l’air est d’abord porté par la batterie de préchauffe à une température de 25 à 30°C et 20 % HR; sa « soif d’eau » est plus importante et portera l’air à 90 % HR.

L’humidificateur agit comme un filtre humide très efficace. On considère d’ailleurs que la classe du filtre s’en trouve relevée d’une unité. Mais il s’en suit que :

Si l’ambiance est propice aux poussières, un filtre en amont reste requis.
La matière alvéolée doit être remplacée fréquemment.

Évolution dans le diagramme de l’air humide

L’évaporation de l’eau nécessite un changement d’état, et donc une quantité de chaleur appelée « chaleur de vaporisation ». Cette énergie est prise sur l’air, … qui se refroidit en s’humidifiant.

Globalement, dans le système « eau + air », rien ne se perd, rien ne se crée. L’énergie totale est conservée : l’énergie de l’air « sec et chaud » est égale à l’énergie de l’air « froid et humide ». On dit que la transformation est « isenthalpique » ou encore « adiabatique ».

Sur le diagramme de l’air humide, l’évolution de l’air suit une isenthalpe. Au maximum, l’air peut atteindre la saturation.

Exemple : de l’air à 20°C 30 % HR sort de l’humidificateur à 12°C et 85 % HR.

Humidificateurs type laveurs d’air

Certains humidificateurs travaillent avec de l’eau recyclée, d’autres avec de l’eau perdue.

La vitesse de déplacement de l’air est généralement comprise entre 1 et 3 m/s. Au-delà, il sera utile de prévoir un casse-gouttelettes qui recueillera les micro-gouttelettes qui seraient emportées par la veine d’air.

Évaporateur à média

Un matériau de type synthétique est placé (sorte d’éponge); il peut absorber jusqu’à 100 litres d’eau par m³ !

Évaporateur à fils

Des fils de nylon sont tendus verticalement. De l’eau ruisselle tout au long des fils et de l’air est forcé au travers de ce réseau très serré. L’échange est efficace mais l’entretien ne semble pas évident.

Humidificateur placé directement dans le local

Ce type d’humidificateur (généralement monté sur roulettes) est utilisé dans des bureaux, des salles de musées, etc..

Le principe de fonctionnement est généralement le suivant. Une roue constituée de média absorbant est mise en rotation lente. Sa partie inférieure plonge dans un bac-réservoir placé en partie basse de l’appareil. Parallèlement, un ventilateur pulse l’air au travers du média. La vitesse de rotation de la roue étant réglable et le ventilateur étant un appareil à 3 vitesses, il est aisé de réguler par hygrostat le taux d’humidité de l’ambiance.

Le débit d’humidification est en général assez faible (de l’ordre de 2 litres à l’heure).

Pour des raisons hygiéniques, le média sera renouvelé régulièrement et le bac soigneusement nettoyé.

Avantages

Par rapport à un système à pulvérisation, l’humidificateur à évaporation présente les avantages

De ne pas transférer de sels (calcaire, …) dans l’air pulsé vers les locaux.
De purifier l’air davantage puisque l’humidificateur agit comme un filtre humide.
De demander un encombrement généralement plus faible.

Inconvénients

En pratique, on constate que :

Le média est souvent un lieu de prolifération de bactéries, de champignons,…
L’humidificateur à ruissellement est parfois difficilement nettoyable.
Les pertes de charge sont augmentées par rapport aux autres systèmes d’humidification.

A priori, l’humidificateur à évaporation semble donc peu recommandable pour une bonne qualité hygiénique de l’air. La stérilisation de l’air au moyen de lampes à ultraviolets est une des solutions possibles.

Maintenance

Lorsqu’on parle d’humidification surgit très souvent la crainte de la légionellose. Les légionelles se multiplient à partir d’une température de 20°C, la croissance est maximum jusqu’à environ 45°C. Elles meurent dès qu’on dépasse 60°C.

Ce type de bactérie se développe en eau stagnante, en présence de substances organiques, d’algues vertes, d’amibes, tartre, etc.

Tout type d’humidification doit être entretenu. Certains peuvent être nettoyés avec de l’eau chaude. Il est conseillé, sous réserve des précautions habituelles, de désinfecter les agrégats pendant 48 heures avec 5 à 10 ppm de chlore dans l’eau.

En règle générale, un humidificateur à évaporation devrait être vidangé et nettoyé au moins deux fois par an et au mieux une fois par mois.

Idéalement, on peut automatiser la chose

soit par horloge,
soit par un système de mesure qui commande la vidange dès que la température de l’eau dépasse un seuil (en fonctionnement, la température s’abaisse à la température de bulbe humide de l’air).

Précautions à prendre

Pour minimiser les risques de présence excessive de légionelles, on peut

Se rappeler qu’en été la température de l’eau de ville est plus élevée qu’en hiver. Un bac stockant de l’eau risque d’être un bouillon de culture !
Éviter des tuyauteries plastiques transparentes. L’eau déminéralisée semble être sensible à la lumière et cela favorise l’apparition d’algues.
Les humidificateurs travaillant avec de l’eau à une température supérieure à 60°C ne présentent pas de risque, pour autant qu’il n’y ait pas de longues interruptions sans vidange.
Installer des appareils avec rayons ultraviolets. En effet les rayons UV ont la propriété de tuer les légionelles. Mais la durée de vie des lampes à ultraviolets est limitée dans le temps. Un remplacement s’impose après un certain nombre d’heures.

Traitement de l’eau

Afin d’éviter l’entartrage des alvéoles, des fils,… , il est conseillé d’utiliser une eau ayant subi un adoucissement puis un mitigeage pour atteindre 10 à 15°F de dureté.

Le constructeur précise généralement le pourcentage de déconcentration à adopter en fonction de la qualité de l’eau. Un calcul du débit de déconcentration est proposé.

Régulation

Pour les humidificateurs d’ambiance directe

On utilise généralement des humidificateurs par action tout ou rien, l’hygrostat enclenchant l’appareil lors du dépassement d’un seuil réglable. Un hygrostat supplémentaire de sécurité est également prévu pour limiter le risque en cas de panne du premier régulateur.

Pour les humidificateurs en conditionnement d’air

Une régulation par on-off est également possible mais reste peu précise. Dans les systèmes avec humidification d’un média par écoulement, il est possible de moduler le débit par un régulateur proportionnel agissant sur une vanne à servomoteur placée sur l’écoulement.

Prédimensionnement

Calculs

Pour prédimensionner le débit d’humidification.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Évaluer l’influence de l’humidité sur la consommation d’un système de climatisation « tout air neuf »

Préalable

L’année climatique type caractérise le climat qu’il fait dans une région bien particulière (par exemple à Uccle). Les températures et les humidités moyennes sont collectées heure par heure et ce pendant plusieurs années. Chaque point heure donne la température et l’humidité moyenne.

Sur base des points heures climatiques, il est intéressant de déterminer comment réagissent théoriquement les équipements composant un système de climatisation tout air neuf.

Pour maintenir le confort de l’occupant, il est nécessaire de contrôler la température et l’humidité ambiantes. De l’existence d’une tolérance ou d’une « fourchette » sur ces paramètres dépendra l’économie d’énergie.

Dans les hôpitaux, la tolérance est faible de part l’exigence accrue de confort des patients et du personnel. Néanmoins, la tolérance aux variations de l’humidité est plus importante qu’à celles de la température. Pour cette raison, on étudie ici la consommation théorique des équipements de climatisation en fonction du contrôle de l’humidité sachant que dans de nombreux espaces de l’hôpital les débits d’air sont importants et conditionnent la facture énergétique plus que dans tous autres bâtiments.

Apports internes

1. Chaleur sensible

Les apports internes

Ils sont de deux ordres :

liés à l’activité humaine (chaleur du corps des occupants),
et à la chaleur dégagées par les équipements médicaux et de bureautique.

Les apports externes

Ils dépendent de la qualité (isolation) et la mise en œuvre des matériaux constituant l’enveloppe de la zone considérée en période chaude.

Les déperditions

Elles dépendent de la qualité (isolation) et la mise en œuvre des matériaux constituant l’enveloppe de la zone considérée en période froide.

Bilan

Il est nécessaire de tenir compte de ces apports et déperditions afin de règler la température de soufflage qui est fonction :

du taux de renouvellement exprimé en [volume/h],
le volume de la salle en [m³],
de la capacité thermique volumique de l’air ρc = 0,34 [Wh/m³K],
de la température ambiante désirée pendant l’opération,
du bilan des apports et des pertes.

La température de soufflage est exprimée par :

T°_soufflage = T°_ambiante– Bilan / (q_vx c x volume x taux de renouvellement) [°C]

Exemple.

Soit :

un apport interne de 3 kW et des déperditions et apports externes négligeables (courant dans les salles d’opération par exemple);
une température fixée à 20°C;
un taux de renouvellement de 30 vol/h;
un volume de local de 150 m³;

On détermine la température de soufflage :

T°_soufflage = 20 – 3 000 / (0.34 x 30 x 150)

soit T°_soufflage = 18° C

2. Chaleur latente

En considérant que dans les hôpitaux les occupants sont très nombreux, il est intéressant d’évaluer l’apport d’eau dans l’air par transpiration et par conséquent de déterminer la valeur de la chaleur latente de vaporisation.

Apport d’eau = apport par personne x nombre de personne / q_vx ρ [kWh/an]

Exemple.

Soit :

un apport d’eau de 80 g_eau /h par personne;
la salle d’opération est occupée par 10 personnes;
le débit de ventilation est de 4 500 m³/h en tout air neuf .

pour un débit de 4 500 m³/h, l’apport dans la salle est de l’ordre de :

Apport d’eau = 80 [g_eau / h] x 10 / (4 500 [m³/h] x 1.2 [kg/m³_air])

= 0,15 g_eau / kg_air

ou,

La chaleur de vaporisation/condensation étant de 2 500 kJ/kg environ, la correspondance est donnée par :

800 [g/h] x 2 500 [J/g] / 3 600 [s/h] = 555 [Watts]

À titre de comparaison, en une heure suivant le graphique ci-dessous, la batterie froide déshumidifie l’air extérieur de 9 [g_eau /kg_air]

Soit 9 [g_eau /kg_air] x 1.2 [kg/m³] x 4 500 [m³/h] x 2 500 [J/g] / 3 600 [s/h]

= 33 750 [Watts]

En conclusion, on peut constater qu’il sera nécessaire de légèrement déshumidifier plus pour tenir compte des apports d’eau interne. Mais quand on compare les puissances en présence, il ne sera pas nécessaire de surdimensionner la batterie froide pour englober les apports d’eau dans la déshumidification de l’air extérieur surtout à des débits aussi importants.

Influence du contrôle de l’humidité

Le traitement de l’air est variable au cours de l’année suivant les conditions climatiques extérieurs et intérieures. La maîtrise de l’humidité ambiance est déterminante des consommations des équipements.

On analyse quelques cas de figure théoriques :

Les graphes des cas traités ci-dessous représentent 5 zones distinctes divisant la représentation de l’ensemble des binômes température-humidité extérieurs heure par heure au cours d’une année climatique type (sans canicule et froid sibérien). Pour amener l’air extérieur à une température de soufflage fixe, pour les différents points il est nécessaire de :

	Préchauffer et d’humidifier.
	Préchauffer.
	Refroidir, déshumidifier et post-chauffer.
	Refroidir et déshumidifier sans post-chauffer.
	Refroidir et humidifier.

On impose la température et l’humidité de soufflage à 18°C et 7.3 g_eau / kg_air

On constate que ce type de contrôle de traitement de l’air est très « énergivore » ne fusse que par la nécessité d’humidifier et de déshumidifier pratiquement toute l’année. Cette configuration est extrême et demandera de la part des intervenants dans le projet de porter un jugement pertinent quant à la nécessité de fixer ou pas la consigne d’humidité.

On impose la température de soufflage à 18°C et une fourchette sur l’humidité de soufflage entre 6.6 et 9.5 g_eau / kg_air

Énergétiquement parlant, cette solution est intéressante car elle permet de réduire l’humidification, la déshumidification et la post-chauffe. En effet :

	Zone 1 : on diminue l’humidification en ne ramenant l’humidité de l’air extérieure qu’à la valeur de consigne inférieure de l’humidité d’ambiance
	Zone 2 : ces points-heures de l’air extérieur ne nécessite pas d’humidification
	Zone 3 : on diminue le refroidissement, la déshumidification et la post-chauffe en ne ramenant l’humidité de l’air qu’à la valeur de consigne supérieure de l’humidité d’ambiance.
	Zone 4 : ces points-heures de l’air extérieur ne nécessite pas de post-chauffe
	Zone 5 : on diminue l’humidification en ne ramenant l’humidité de l’air extérieure qu’à la valeur de consigne inférieure de l’humidité d’ambiance

Préchauffage et humidification de l’air : influence de la consigne d’humidité

1. Introduction

Il s’agit ici d’estimer la consommation de chauffage et d’humidification de l’air de la salle d’opération pendant les heures ouvrables (8h00-18h00) en fonction de la consigne d’humidité ambiante. Le choix des heures ouvrables se justifie par le fait qu’en période d’inoccupation on se soustrait au devoir de contrôler le taux d’humidité ambiant (il est plus lié à l’activité dans la zone à risque).

Soit un système de climatisation « tout air neuf » de salle d’opération où l’on prend en compte un certain nombre de données et d’hypothèses.

Données

une salle de taille normale de 150 m³ (50 m² au sol);
avec un taux de renouvellement de 30 (classe ISO 7), soit un débit de 4500 m³/h;
en Belgique, le RGPT impose une évacuation des gaz anesthésiants par une aspiration murale spécifique branchée directement au respirateur patient. Ce qui veut dire, qu’en gros, l’apport d’air neuf est lié à l’activité humaine et non à la dilution des polluants anesthésiques;
une température d’ambiance de 20° C;
le bloc opératoire travaille uniquement les jours ouvrables (5 jours/sem) et de 8h00 à 18h00;
les apports internes sont de l’ordre de 3 kW (personnes, luminaires, monitoring, …);
chacune des personnes présentes en salle d’opération apporte 80 g_eau / kg_air par heure;
le COP de la machine frigorifique utilisée dans l’hôpital est de 2.5;
l’humidification s’effectue par un préparteur vapeur électrique;
le prix du kWh électrique est de 16 c€;
le prix du kWh thermique est de 6,22 c€.

Hypothèses

on considère que la salle est au milieu du bloc opératoire et qu’elle est sans fenêtre. Vu que :
- On prévoit des sas d’entrée et de sortie et des portes commandées automatiquement.
- On renforce l’isolation des parois (panneau sandwich, par exemple).
- Les locaux directement adjacents sont à la même température que la salle.

par conséquent, les déperditions à travers des parois en hiver et les apports externes en été sont négligeables.

Sans vouloir faire de jaloux, on se base sur les données climatiques de Uccle pour une année type (sans tenir compte de la canicule par exemple ou d’un froid sibérien).

Les consommations électriques des ventilateurs sont équivalentes dans les deux cas; ce qui veut dire qu’elles n’interviennent pas dans la comparaison des bilans énergétiques.

Les apports internes sont constants.

Pour des opérations bien particulières, il est nécessaire de contrôler la température et le taux d’humidité.

Afin de mettre en évidence l’intérêt de laisser « flotter » l’humidité relative d’ambiance dans une fourchette acceptable, on se propose d’étudier deux cas distincts :

l’humidité est fixée à HR = 50% pour 20 °C de température ambiante; soit 7.3 g_eau / kg_air;

l’humidité peut varier dans une plage acceptable comme par exemple entre 6.6 et 9.5 g_eau / kg_air(ce qui correspond pour une température de 20°C d’ambiance à 45-65 % d’humidité relative).

2. Cas où la consigne d’humidité est fixée à 7.3 g_eau / kg_air

La méthode de détermination du bilan énergétique de chauffe est basée sur l’intégration des écarts d’enthalpie de chauffe pendant une année climatique type.

Dans ce cas, la plage des points heures climatiques étudiée est au-dessous de la valeur de 7.3 g_eau / kg_air. La plage au-dessus nécessite de, paradoxalement, déshumidifier l’air afin de pouvoir « ramener » le point heure extérieur à la bonne valeur de l’humidité.

Chaque point du diagramme de l’air humide représentant une heure pendant laquelle les conditions climatiques sont fixes et représentatives de la période de chauffe.

Chauffage de l’air

On calcule l’énergie totale annuelle nécessaire pour chauffer l’air en intégrant tous les écarts d’enthalpie; l’enthalpie de chauffe de chaque point se déduisant de la manière suivante :

Calculs

Chauffage de l’air pour une année type.

Le résultat du calcul donne :

Remarque.

Une autre façon de calculer l’énergie nécessaire au chauffage de l’air pour une année type est l’utilisation des degrés-heures d’une année climatique type.

Le réchauffage de l’air est fonction :

du débit d’air de ventilation traité q_v[m³/h],

de la capacité thermique volumique de l’air ρc = 0,34 [Wh/m³K],

de la somme des écarts entre la température extérieure et la température de l’ambiance, et cela pour toutes les heures de la saison de chauffe, ce qui est repris dans la notion de « degrés-heures » de ventilation D°H_vent.

D°H_vent= Σ heures _ventilationx (T°_ambiante– T°_extérieure)

Les besoins de chauffage sont alors exprimés par :

Besoins réchauffage air neuf =

q_vx ρc x D°H_vent / 1 000 [kWh/an]

Pour déterminer les Degrés-Heures de ventilation, sur base du climat à Uccle, on peut utiliser le programme de calcul suivant :

Calculs

Degrés-Heures de ventilation à Uccle et St-Hubert.

calcul

On détermine le nombre de Degrés-Heures de ventilation à Uccle, soit 18 765 D°H.

Besoins réchauffage air neuf = q_v x ρc x D°H_vent / 1 000

= 4 500 x 0,34 x 18 765 / 1 000

= 28 710[kWh/an]

Humidification de l’air

On calcule l’énergie totale annuelle nécessaire pour humidifier l’air en intégrant tous les écarts d’enthalpie; l’enthalpie d’humidification de chaque point se déduisant de la manière suivante :

Calculs

Humidification de l’air pour une année type.

Le résultat du calcul donne :

Remarque.

Une autre façon de calculer l’énergie nécessaire à l’humidification de l’air pour une année type est l’utilisation des grammes-heures d’une année climatique type.

Pour atteindre la valeur d’humidité HR de 50 % à 20 °C, il en résulte une consommation fonction :

de la chaleur de vaporisation de l’eau r (0,694 Wh/gramme) (= chaleur de changement d’état de l’eau pour passer de l’état liquide à l’état vapeur),

du débit d’air de ventilation traité q_v[en m³/h],

de la somme des écarts entre l’humidité extérieure et l’humidité de l’ambiance (exprimé en g_eau/kg_air), et cela pour toutes les heures de la saison de chauffe, ce qui est repris dans la notion de « Grammes-Heures » d’humidification GH_hum:

GH_hum = Σ Heures_{humidification}x (Hum_ambiante– Hum_extérieure )

La consommation nette est alors exprimée par :

Cons. nette humidification air neuf = q_vx r x GH_humx f / 1 000 [kWh/an]

où f est un facteur de correction qui adapte la consommation au nombre de jour par semaine que l’installation fonctionne. Par exemple : 5 jours / 7

Pour déterminer les Degrés-Heures d’humidification, il est possible de déterminer les Grammes-Heures qui conviennent à votre situation particulière en cliquant ici sur :

Calculs

Grammes-Heures d’humidification à Uccle et St-Hubert dans notre cas.

On détermine le nombre de grammes-heures d’humidification pour une consigne d’ambiance dans la zone contrôlée de 50 % à 20 °C, soit 5 488 (g_eau / kg_air) . heure/an.

La consommation nette d’humidification d’air neuf :

= q_vx r x GH_humx masse volumique x f / 1 000

= 4 500 x 0,694 x 5 488 x (5/7) / 1 000

= 12 242 [kWh/an].

Attention !

La différence de consommation entre les deux méthodes (15 106 – 12 242) est due au fait que la méthode des grammes-heures ne prend pas en compte les points-heures de l’année climatique dont la température dépasse 20 °C (basé sur l’hypothèse qu’on coupe l’humidification en été dans la plupart des installations). Dans le cas des salles d’opération, si l’activité le nécessite, il faudra humidifier même par temps chaud et sec.

Le réglage de l’humidificateur est en principe plus bas que le taux réel d’humification dans l’ambiance. Par exemple, il est possible qu’il soit réglé sur une pulsion d’air à 40% HR et que les apports en eau des occupants portent l’air à 50%. Ou encore, que la sonde placée dans la reprise d’air demande 50%, mais que l’humidificateur s’arrête à 40% parce que les occupants apportent 10%.

L’humidification de l’air pose problème dans la maîtrise de la biocontamination. En effet, plus le taux d’humidité est important plus le risque augmente. Donc il est nécessaire de se fixer comme valeur inférieure les 40 % imposés par le RGPT ou la réglementation wallonne. Il sera nécessaire de contenter la chèvre et le chou car dans les hôpitaux le taux d’humidité relative est assez bas en permanence et les plaintes fréquentes.

3. Cas où la consigne d’humidité est « flottante » entre 6.6 et 9.5 g_eau / kg_air

Dans ce cas, la plage des points heures climatiques étudiés

	Au-dessous de la valeur de 7.3 g_eau / kg_air , nécessite la préchauffe et l’humidification de chaque point heure;
	Comprise dans la fourchette 6.6-9.5g_eau / kg_air (45-65 % à 20 °C) , demande uniquement le chauffage de l’air. On voit tout de suite l’intérêt d’élargir la plage de contrôle de l’humidité afin de réduire la nécessité d’humidifier.

Chauffage de l’air

On calcule l’énergie totale annuelle nécessaire pour chauffer l’air dans les deux zones du graphe ci-dessus.

Calculs

Chauffage de l’air pour une année type.

Le résultat du calcul donne :

Humidification de l’air

On calcule l’énergie totale annuelle nécessaire pour humidifier l’air dans la zone 1 du graphe ci-dessus.
Le résultat du calcul donne :

4. Comparaison

Le bilan énergétique de chauffe et d’humidification dans une année type donne :

Besoin	Consigne d’humidité
Besoin	fixe	flottante (45-65 %) selon la NF S90-351	flottante (40-70 %) selon le RGPT
Besoin énergétique de chauffe et d’humidification (kWh/an)
Chauffage [kWh/an]	27 551	25 599	22 841
Humidification [kWh/an]	15 106	10 642	6 958
Chauffage [kWh/an]	0	3 930	6 708
Total [kWh/an]	42 657	40 171	36 507
Soit une économie sur l’année
		6 %	14 %

Il est évident que plus la plage flottante entre deux valeurs d’humidité est large, plus l’économie sera grande. Dans les zones non contrôlées telles que les zones de bureau, de consultation, … on essayera d’ouvrir la fourchette au maximum sachant qu’il faut respecter les règlementations en vigueur en Belgique.

Mais tout le débat se situe surtout au niveau de l’hygiène des zones contrôlées. La qualité de l’air augmente lorsque l’humidité ambiante diminue; ce qui signifie que l’on a intérêt à baisser le taux d’humidité le plus bas possible. Énergétiquement parlant, pour l’année type, fixer à 40 % le taux d’humidité ambiant, signifie que l’on va diminuer la consommation en réchauffe et humidification mais par contre on augmentera le poste énergétique de déshumidification.

Refroidissement et déshumidification de l’air : influence de la consigne d’humidité

1. Introduction

Il s’agit ici d’estimer la consommation de refroidissement et de déshumidification de l’air de la même salle d’opération. La configuration de la salle, les données et les hypothèses dans ce cas-ci sont les mêmes que celles prises pour la réchauffe et l’humidification de l’air.

Afin de mettre en évidence l’intérêt de laisser « flotter » l’humidité relative d’ambiance dans une fourchette acceptable, on se propose d’étudier les deux mêmes cas distincts, à savoir :

L’humidité est fixée à HR = 50 % pour 20 °C de température ambiante; soit 7.3 g_eau / kg_air.

L’humidité peut varier dans une plage acceptable comme par exemple entre 6.6 et 9.5 g_eau / kg_air(ce qui correspond pour une température de 20°C d’ambiance à 45-65 % d’humidité relative).

2. Cas où la consigne d’humidité est fixée à 7.3 g_eau / kg_air

La méthode de détermination du bilan énergétique de chauffe est basée sur l’intégration des écarts d’enthalpie de chauffe pendant une année climatique type.

Chaque point du diagramme de l’air humide ci-dessous représente une heure pendant laquelle les conditions climatiques sont fixes et représentatives de la période de chauffe.

Dans ce cas, la plage des points heures climatiques étudiés est au-dessus de la valeur de 7.3 g_eau / kg_air ou au-dessus de la consigne de température de pulsion de 18°C.
Dans la plage :

	Au-dessus de la consigne d’humidité ambiante et de la droite de refroidissement, la zone 3 nécessite du refroidissement, de la déshumidification, suivi, malheureusement, d’une post-chauffe;
	Entre la droite de refroidissement et la consigne d’humidité de 7.3 g_eau / kg_air , la petite zone 4 ne nécessite que du refroidissement et de la déshumidification;
	Au-dessous de la consigne d’humidité la zone 5 nécessite , paradoxalement, de refroidir et d’humidifier l’air afin de pouvoir « ramener » le point heure extérieur à la bonne valeur de l’humidité et de température.

**ajouter la droite de refroidissement

Refroidissement et déshumidification de l’air

On calcule l’énergie totale annuelle nécessaire pour refroidir et déshumidifier l’air en intégrant tous les écarts d’enthalpie; l’enthalpie de chauffe de chaque point se déduisant de la manière suivante :

Calculs

Refroidissement et déshumidification de l’air pour une année type.

Le résultat du calcul donne :

Soit sans la post-chauffe :

Besoins de refroidissement et de déshumidification

= 13 959 kWh/an

Remarques.

Une autre façon de calculer l’énergie nécessaire au refroidissement de l’air pour une année type est l’utilisation des degrés-heures de refroidissement d’une année climatique type.

Le refroidissement de l’air est fonction :

du débit d’air de ventilation traité q_v[m³/h];

de la capacité thermique volumique de l’air ρc = 0,34 [Wh/m³K];

de la somme des écarts entre la température extérieure et la température de l’ambiance, et cela pour toutes les heures de refroidissement, ce qui est repris dans la notion de « degrés-heures » de refroidissement D°H_refroid

D°H_refroid= Σ heures _ventilationx (T°_extérieure – T°_ambiante).

Les besoins de refroidissement sont alors exprimés par :

Besoins de refroidissement de l’air neuf =

q_vx ρc x D°H_ventx f / 1 000 [kWh/an]

où f est un facteur de correction qui adapte la consommation au nombre de jour par semaine que l’installation fonctionne.

Par exemple : 5 jours /semaine en moyenne.

Pour déterminer les Degrés-Heures de refroidissement, sur base du climat à Uccle, on peut utiliser le programme de calcul suivant :

Calculs

Degrés-Heures de refroidissement à Uccle.

On détermine le nombre de Degrés-Heures de refroidissement à Uccle, soit 2013 D°H.

Besoins réchauffage air neuf

= q_v x ρc x D°H_ventx f / 1 000

= 4 500 x 0,34 x 2 013 x 5/7 / 1 000

= 2 200 [kWh/an]

Pour atteindre la valeur d’humidité HR de 50 % (comme dans la norme NF S90-351), il en résulte une consommation en fonction :

de la chaleur de condensation de l’eau r (0,694 Wh/gramme) (= chaleur de changement d’état de l’eau pour passer de l’état liquide à l’état vapeur),

du débit d’air de ventilation traité q_v[en m³/h],

de la somme des écarts entre l’humidité extérieure et l’humidité de l’ambiance (exprimé en g_eau/kg_air), et cela pour toutes les heures de la saison de chauffe, ce qui est repris dans la notion de « Grammes-Heures » d’humidification GH_hum:

GH_hum = Σ Heures_{humidification}x (Hum_ambiante– Hum_extérieure )

La consommation nette est alors exprimée par :

Cons. nette de déshumidification de l’air neuf = q_vx r x GH_humx f / 1 000 [kWh/an]

où f est un facteur de correction qui adapte la consommation au nombre de jour par semaine que l’installation fonctionne. Par exemple : 5 jours / 7

Pour déterminer les Degrés-Heures de déshumidification, il est possible de déterminer les Grammes-Heures qui conviennent à votre situation particulière en cliquant ici sur :

Calculs

Grammes-Heures de déshumidification à Uccle dans notre cas.

On détermine le nombre de grammes-heures d’humidification pour une consigne d’ambiance dans la zone contrôlée de 50 %, soit 1 098 (g_eau / kg_air) . heure/an.

La consommation nette d’humidification d’air neuf :

= q_vx r x GH_humx masse volumique x f / 1 000

= 4 500 x 0,694 x 1 098 x (5/7) / 1 000

= 2 450 [kWh/an].

Le total net de refroidissement et de déshumidification

= 2 200 + 2 450

= 4 650 [kWh/an].

La nette différence dans le calcul des énergies mises en jeu pour refroidir et déshumidifier l’air extérieur en période chaude pour l’amener à une température de soufflage de 18 °C et 7.3 g_eau / kg_air :

par l’intégration des enthalpies dans le diagramme de l’air humide; soit 13 959 [kWh/an],

ou par l’approche sur base des degrés-heures et des grammes-heures; soit 4 650 [kWh/an],

est due au fait que dans le premier cas on dépense beaucoup d’énergie à ramener chaque point-heure de l’année climatique à des valeurs de température et d’humidité proches de celles rencontrées au niveau des ailettes de la batterie de refroidissement (on « tire » le point de E vers X engendrant un écart d’enthalpie plus grand que si on déshumidifie et refroidit de E vers S).

Post-chauffe de l’air

Comme vu ci-dessus, le refroidissement et la déshumidification de l’air entraînent le « tirage » du point heure climatique extérieur vers les basses températures (température de la batterie froide) et, par conséquent, vers la saturation. La température de l’air est à ce moment trop froide pour la souffler dans l’ambiance. La post-chauffe s’impose et dès lors le bilan énergétique devient mauvais.

On calcule l’énergie totale annuelle nécessaire pour post-chauffer l’air en intégrant tous les écarts d’enthalpie; l’enthalpie de post-chauffe de chaque point se déduisant de la manière suivante :

Le résultat du calcul donne :

Besoins de post-chauffe de l’air neuf

= 8 463 kWh/an

Refroidissement et humidification

Le cas très particulier de la zone 5 où, théoriquement, il est nécessaire de refroidir et d’humidifier l’air extérieur, reste marginal; et c’est tant mieux ! En effet :

Sur le plan énergétique, c’est mauvais; on maintient la rampe d’humidification en fonction alors, qu’en général, en été elle est coupée.

Sur le plan hygiénique, c’est aussi mauvais vu que le développement des germes s’amplifie lorsque le taux d’humidité augmente.

Dans la pratique, on n’est pas du tout sûr que la régulation de la rampe d’humidification puisse réagir par rapport à ce genre de conditions.

3. Cas où la consigne d’humidité est « flottante » entre 6.6 et 9.5 g_eau / kg_air

Dans la plage :

	Au-dessus de la consigne d’humidité ambiante et de la droite de refroidissement, la zone 3 nécessite du refroidissement, de la déshumidification, suivi d’une post-chauffe.
	Entre la droite de refroidissement et la consigne d’humidité de 7.3 g_eau / kg_air, la zone 4 ne nécessite que du refroidissement et de la déshumidification (cette zone s’est agrandie).
	La zone 5 nécessite, paradoxalement, de refroidir et d’humidifier l’air afin de pouvoir « ramener » le point heure extérieur à la bonne valeur de l’humidité et de température cette zone se réduit).

Refroidissement et déshumidification de l’air

Calculs

Refroidissement et déshumidification de l’air pour une année type. Toutes choses restant égales, on introduit les valeurs de l’humidité relative HR de consigne; soit HR compris entre 45 et 65 % (selon la NF S90-351).

Le résultat du calcul donne :

Besoins de refroidissement et de déshumidification

1 874 + 2107 + 123 = 4 104 [kWh/an]

Post-chauffe de l’air

Le résultat du calcul donne :

Besoins de post-chauffe de l’air neuf

= 621 kWh/an

4. Cas où la consigne d’humidité « flotte » entre 5.8 et 10.3 g_eau / kg_air

Calculs

Le résultat du calcul donne :

Besoins de refroidissement et de déshumidification

551 + 2 833 + 16 = 4 104 [kWh/an]

Besoins de post-chauffe = 217 [kWh/an]

Besoins d’humidification = 13 [kWh/an]

4. Comparaison

Le bilan énergétique de refroidissement et de déshumidification dans une année type donne :

Besoin	Consigne d’humidité
Besoin	fixe	flottante (45-65 %) selon la NF S90-351	flottante (40-70 %) selon le RGPT
Besoin énergétique de refroidissement et de déshumidification (kWh/an)
Refroidissement et déshumidification [kWh/an]	13 959	4 106	3 400
Post-chauffe [kWh/an]	8 463	621	217
Humidification [kWh/an]	334	91	13
Total [kWh/an]	22 756	4 818	3 630
Soit une économie sur l’année
		79 %	84 %

Tout comme pour le bilan de chauffe, et dans une proportion beaucoup plus importante, la présence d’une plage où l’humidité ambiante peut varier permet de réduire énormément les consommations.

Bilan du traitement en « tout air neuf » : influence de la consigne d’humidité

1. Bilan énergétique

Sur l’ensemble des zones décrites ci-dessus, c’est-à-dire pour une saison climatique type en période d’occupation, si on effectue la somme des consommations d’énergie en fonction des différents équipements présents dans une centrale de traitement de l’air en « en tout air neuf », on obtient :

Le résultat est repris dans le diagramme suivant sachant que les consommations liées aux batteries de préchauffe et de post-chauffe sont groupées (même source de production) :

Le bilan énergétique final par type d’énergie donne :

On peut en déduire que l’élargissement de la fourchette de variation de l’humidité relative entraîne :

(+)

une diminution de la consommation en énergie :

totale de l’ordre de 33 à 40 % selon le cas;
individuelle sur la batterie froide, la batterie de post-chauffe et l’humidificateur.

(-)

Une légère augmentation de la consommation en énergie de la batterie de préchauffe quand la limite supérieure de la fourchette humidité augmente.

1. Bilan économique

Pour établir le bilan économique du traitement de l’air d’une salle d’opération pour une saison climatique type en période d’occupation , il est nécessaire de connaître les coûts de production d’eau glacée, d’eau chaude et de l’humidification (dans ce cas la vapeur à partir d’un générateur électrique).

Évaluer

Pour évaluer les coûts liés aux différentes productions.

Batterie froide

Coût = consommation froid / COP du groupe de froid x coût du kWh électrique

avec un COP de 2.5 et un prix de kWh électrique de 0.16 €

Batterie chaude

Coût = consommation chaud / rendement de l’installation de chauffage x coût du kWh thermique

avec un rendement de 0.8 et un prix de kWh thermique de 6.22 c€

Humidificateur

Coût = consommation humidification x coût du kWh thermique

un prix de kWh électrique de 0.16 €

Le bilan économique final par type d’équipement donne :

3. Conclusions

En période chaude, on observe, lorsque la plage de variation de l’humidité d’ambiance est restreinte, qu’il y a destruction de l’énergie puisque l’on est obligé de « trop refroidir » et ensuite de post-chauffer. Économiquement parlant on voit que l’on paye deux fois pour pouvoir contrôler le taux d’humidité dans la salle d’opération. Il est donc nécessaire, pour autant qu’il n’y est pas de contrainte stricte de maintient d’une consigne d’humidité fixe, de laisser varier l’humidité d’ambiance dans une fourchette la plus large possible :

une limite haute de la consigne d’humidité afin de réduire la déshumidification;
une limite basse de la consigne d’humidité pour réduire l’humidification.

Comme on le voit dans l’analyse des bilans énergétiques et économiques, le système de traitement de l’air en « tout air neuf » est très énergivore même si on contrôle l’humidification et la déshumidification. Il s’aggrave si on fait l’exercice du bilan général pour l’ensemble des périodes qu’elles soient d’occupation ou d’inoccupation.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir un transformateur

Transformateur à huile.

Pertes du transformateur

Un transformateur présente des pertes à vide (ou pertes « fer ») constantes quelle que soit la puissance appelée, et des pertes en charge variables. Il est important de tenir compte de ces pertes dans le choix d’un transformateur, car celles-ci vont se répercuter tout au long de sa vie.

En fonction de leurs aspects constructifs, tous les transformateurs ne présentent pas les mêmes pertes. La réduction des pertes se réalisant par l’augmentation des quantités de matériaux du transformateur, cela s’accompagne d’une augmentation du coût.

Dans un souci d’utilisation rationnelle de l’énergie, la FPE (Fédération Professionnelle des Producteurs et Distributeurs d’Electricité de Belgique) impose, dans ses prescriptions techniques (« Prescriptions techniques – cabines HT (<15 kV) ») le respect des valeurs de pertes reprises dans les normes NBN HD428.1 S1 (tableaux II et III) (transformateurs immergés) et NBN HD 538.1 S1 (transformateurs secs) suivantes:

Transformateurs immergés (NBN HD428.1 S1)
Puissance assignée [kVA]	Pertes en charge [W]	Pertes à vide [W]
50	875	125
100	1 475	210
160	2 000	300
250	2 750	425
400	3 850	610
630	5 400	860
630	5 600	800
1 000	9 500	1 100
1 600	14 000	1 700
2 500	22 000	2 500

Transformateurs secs (NBN HD538.1 S1) (correspond aux transformateurs « faibles pertes »)
Puissance assignée [kVA]	Pertes en charge [W]	Pertes à vide [W]
100	1 750	360
160	2 500	490
250	3 450	660
400	4 900	970
630	6 900	1 270
800	9 400	1 400
1000	11 000	1 650

Exemple.

Comparaison des pertes des transformateurs (12 kV/400 V) de la marque « x ».

Puissance nominale [kVA]	Type de transfo	Pertes à vide [W]	Pertes en charge (nominales) [W]	Prix [€]
400	Transfo sec – pertes réduites	970	4 900	84 916
	Transfo huile minérale	610	34 850	64 350
630	Transfo sec – pertes réduites	14 270	64 900	104 730
	Transfo huile minérale	860	54 400	84 347
800	Transfo sec – pertes réduites	14 400	94 400	114 966
	Transfo huile minérale	950	74 350	94 329

Type de transfo	Puissance nominale [kVA]	Pertes à vide [kWh/an]	Pertes en charge [kWh/an]	Pertes totales [kWh/an]
Hypothèses : fonctionnement = 8 760 h/an, charge moyenne du transfo sur l’année = 37 %
400	Transfo sec – pertes réduites	98 497	5 888	14 373
	Transfo huile minérale	5 344	4 626	9 970
630	Transfo sec – pertes réduites	11 125	8 291	19 417
	Transfo huile minérale	7 534	6 489	14 022
800	Transfo sec – pertes réduites	12 264	11 295	23 559
	Transfo huile minérale	8 322	78 832	17 154

*14 373 [kWh/an] = (970 [W] + 4 900 [W] x 0,37²) x 8760 [h] / 1 000

Type de transfo	Puissance nominale [kVA]	Coût des pertes à vide [€/an]	Coût des pertes en charge [€/an]	Coût des pertes totales [€/an]
Hypothèses : fonctionnement = 8 760 h/an, charge moyenne du transfo sur l’année = 37 %, prix du kWh =6,5 c€
400	Transfo sec – pertes réduites	552	383	934
	Transfo huile minérale	347	301	648
630	Transfo sec – pertes réduites	723	539	1 262
	Transfo huile minérale	490	422	1 586
800	Transfo sec – pertes réduites	797	734	1 531
	Transfo huile minérale	541	574	1 115

*934,25 [€/an] = 14 373 [kWh/an] x6.5 [c€/kWh]

On remarque que les transformateurs (transformateurs à huile minérale) présentant le moins de pertes sont aussi les moins onéreux. Au niveau de l’efficacité énergétique, on a donc tout intérêt à choisir ces derniers. Par exemple, pour le transformateur de 400 kVA chargé à 37 %, on réalise une économie de 4 415 kWh/an sans encore avoir touché aux consommateurs internes du bâtiment.

Cependant, les transformateurs secs sont de plus en plus préconisés par les bureaux d’études qui négligent les économies d’énergie en mettant en évidence les inconvénients des transformateurs à huile (risques de pollution, nécessité de prévoir un système de rétention de l’huile, risques d’incendie, …).

Pour diminuer les pertes de fonctionnement, il faut acheter un transformateur adapté à la charge appliquée :

si le transformateur est faiblement chargé (moins de 30 %), les pertes à vide (W_fe) devront être les plus faibles possibles et les pertes en charge (à charge nominale) (W_cu) pourront être plus importantes;

par contre, si le transformateur est très chargé (plus de 40 %), les pertes en charge devront être les plus faibles possibles et les pertes à vide peuvent être plus grandes.

Il est cependant important lors de tout achat de transformateurs de bien analyser la courbe de charge du réseau alimenté par le futur transformateur et lors de la demande d’offre aux constructeurs, il faudra spécifier le rapport W_fe/W_cu désiré. Les fabricants sont à même de construire les transformateurs selon les pertes désirées. Pour diminuer les pertes à vide, ils doivent optimaliser le circuit magnétique et pour diminuer les pertes en charge, ils doivent augmenter les sections des conducteurs. Toutefois chaque diminution des pertes à vide se fait au détriment des pertes en charge et vice-versa, ceci afin de ne pas construire des transformateurs démesurés et pour maintenir des prix acceptables.

Facteur de puissance

Un transformateur ne fournit pas que de l’énergie réactive dont ont besoin les récepteurs qui sont raccordés à son secondaire.

Il en absorbe lui-même pour assurer son fonctionnement. On pourra, en fonction des pertes magnétiques du transformateur en charge et de la consommation d’énergie réactive des récepteurs, installer une batterie de condensateurs de type fixe aux bornes du TGBT.
Il sera nécessaire de s’assurer que la puissance de celle-ci en kVAr, n’excède pas 10 à 15 % de la puissance nominale du poste en kVA.

Calculs	Exemple de calcul du condensateur associé à un transformateur.
Réseau électrique	Pour en savoir plus sur la compensation de la consommation réactive

Dimensionnement

Les transformateurs présentent des pertes à vide proportionnelles à leur puissance et constantes quelle que soit leur charge.
C’est pourquoi, il est important de ne pas trop les surdimensionner.
D’autre part, le sous-dimensionnement est également préjudiciable :

Les transformateurs n’ont pas leur rendement maximum à pleine charge mais bien aux environs de 50 % de charge.
Des échauffements anormaux des enroulements apparaissent avec ouverture des protections, arrêt de l’installation et vieillissement prématuré.

Pour les bâtiments existants

En rénovation, la tâche est plus aisée qu’en construction neuve. En effet, on peut se fier aux factures électriques des années antérieures. On peut reprendre les factures des 3 dernières années et y relever la pointe 1/4 horaire maximum, ainsi que le cos φ minimum enregistrés :

Puissance du nouveau transformateur = (Pointe 1/4 horaire max / cos φ) + 20 .. 30 % de réserve

La réserve de 20 ..30 % sera précisée en fonction du profil de consommation escompté pour les années à venir.

On remarquera souvent que le résultat de cette formule conduit à une nouvelle puissance nettement inférieure au transformateur existant.

On constate également que, dans cette formule, la puissance du transformateur nécessaire augmente (donc ses pertes aussi) si le cos φ de l’ensemble de l’installation électrique est mauvais. Il est donc important de corriger ce dernier pour qu’il soit le plus proche de 1.

Réseau électrique

Pour en savoir plus sur la compensation de la consommation réactive

Comme vu ci-dessus, il faudra choisir le meilleur rapport (Pertes à vide / Pertes en charge), pour minimiser les pertes sur toute la durée de vie du transformateur.

Exemple.

Voici le diagramme de charge d’un home de 100 lits, pour un jour type. La pointe 1/4 horaire maximum de l’institution a été enregistrée en décembre, avec une valeur de 68 kW.

La puissance du nouveau transformateur est estimée à (avec un cosφ de 0,9) :

68 [kW] / 0,9 x 1,2 = 90 [kVA]

Le choix s’est porté sur un transformateur de 100 [kVA].

La puissance moyenne appelée sur l’année par l’institution est de 26 kW (somme des kWh consommés sur l’année (heures pleines + heures creuses) divisée par 8 760 heures/an).

La charge du futur transformateur sera donc de :

26 [kW] / 0,9 / 100 [kVA] = 32 %

Avec une telle charge présumée, la tendance est de choisir les pertes à vide minimales au détriment des pertes en charge.

Pour les bâtiments neufs

Dans le cas d’un bâtiment neuf, le dimensionnement est évidemment plus ardu puisqu’on ne connaît pas le profil de consommation futur du bâtiment.

Ordre de grandeur

Un ratio raisonnable de dimensionnement du transformateur pour un immeuble de bureaux est :

25 W/m² de surface totale utilisée

La surface totale utilisée comprend les locaux de travail, mais aussi les garages, les sanitaires, les circulations, …

À titre de comparaison, voici le relevé des puissances électriques maximales enregistrées dans les différents immeubles de bureaux de l’administration régionale wallonne :

Pointe 1/4 horaire maximum enregistrée dans les bâtiments de l’admiministration régionale wallonne :

DGTRE (9 265 m²)
DGRNE (10 100 m²)
DGTALP (14 330 m²)
Ministre Président (4 689 m²)
Ministre Act.Soc. Logt. (3 205 m²)
Sécretariat général et DGEE (22 000 m²)
DGASS (8 673 m²)

Par rapport à ces chiffres, le dimensionnement réalisé par les bureaux d’études est bien souvent supérieur. Cela s’explique par le fait que, par raison de sécurité, ces derniers prévoient une puissance maximum sur chacun des points de raccordement. Or, on peut raisonnablement estimer qu’une chaufferette ne sera pas installée sur chaque prise.

L’estimation des équipements les plus probables (par exemple : 1 ordinateur et 1 imprimante par personne, …), de leur puissance et de coefficients de simultanéité raisonnables conduit à un dimensionnement plus proche de la réalité.

Calculs

En première approximation, pour estimer la pointe 1/4 horaire d’un bâtiment futur en fonction des équipements qui y seront installés

Remarque : les transformateurs en dessous de 630 kVA ne nécessitent pas de sectionneurs avec protections, tandis que les transformateurs 630 kVA et plus, bien. L’investissement supplémentaire n’est pas négligeable. Ainsi, pour éviter ce surcoût, lorsque la puissance calculée est légèrement supérieure à 630 kVA, on pourra éventuellement prendre des mesures de gestion de charge et essayer de diminuer la consommation de puissance réactive ou se satisfaire d’une marge de sécurité inférieure.
Pour en savoir plus sur :

Réseau électrique	L’écrêtage de la pointe 1/4 horaire
Réseau électrique	La compensation de la consommation réactive

Découvrez cet exemple de redimensionnement d’un transformateur au Centre Administratif de Sambreville.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Eclairage artificiel

S’il fallait en quelques lignes préciser une installation performante d’aujourd’hui, on pourrait la décrire comme suit :

photo bureau éclairé.

Il s’agit une installation qui ne dépasse pas une puissance installée de 1,3 W/m²/100 lux, soit pour une situation classique de bureaux (où 500 lux sont requis sur la table de travail) 6,5 W/m².

Pour ce faire, l’éclairage direct est privilégié (avec éventuellement une petite composante indirect) tout comme l’usage de luminaires à bon rendement.

L’installation visera à apporter un niveau d’éclairement suffisant mais pas plus important que nécessaire.

Concevoir

Pour en savoir plus sur la conception d’une installation d’éclairage efficace.

L’éclairage de décoration est limité aux halls d’accueil et salles d’exposition. La lampe à vapeur d’halogénure métallique de faible puissance (35 à 150 W) est choisie. Sa lumière se laisse facilement focaliser. Si un flux lumineux élevé par unité est requis, elle permet une économie d’énergie de 70 % par rapport aux lampes halogènes.

Les tubes fluorescents sont équipés de ballasts électroniques dimmables, afin de pouvoir moduler l’intensité lumineuse des lampes en fonction des besoins. Une des techniques consiste à intégrer une petite cellule sensible sur le luminaire, cellule qui vérifie que les 500 lux ne sont pas dépassés en dessous de lui. Si le soleil brille, la lampe réduit son intensité lumineuse et donc sa consommation !

Une gestion d’ensemble est prévue, de telle sorte que les lampes ne s’allument qu’en cas de besoin : détecteur de présence dans un couloir ou dans une salle de réunion, sonde de luminosité en façade qui éteint tous les luminaires en façade si l’intensité dépasse un certain seuil, minuteur dans les sanitaires, etc …

Concevoir

Choix d’un mode de gestion de l’éclairage.

Découvrez cet exemple de limitation de la consommation d’éclairage réalisée à l’université de Montfort.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Gestion en fonction de la présence : généralités

La gestion de l’occupation des locaux est primordiale pour réduire les consommations d’électricité. La lampe la plus économique ? C’est la lampe éteinte !

Principe

Figure 1: une ampoule intelligente

Figure 1: une ampoule intelligente.

Le principe est simple :

Dans un local inoccupé, l’éclairage de confort visuel des utilisateurs est éteint.
En période d’occupation, ce même éclairage peut être allumé en fonction d’un scénario bien précis lié principalement à l’accès du local à la lumière naturelle.

La gestion de présence en fonction de l’occupation se retrouve sous différentes formes dans les bâtiments tertiaires :

De la plus simple, comme l’interrupteur ON/OFF à l’entrée du local.

Schéma gestion de présence en fonction de l’occupation-01.

À la plus sophistiquée comme la gestion centralisée par adressage d’un ou de plusieurs groupes de luminaires en fonction d’une détection de présence.

Schéma gestion de présence en fonction de l’occupation-02..

Cas d’un store fermé avec détecteur de présence :

Stores fermés, la lumière naturelle est insuffisante, en cas de détection de présence, le luminaire s’active

Les interrupteurs

Les interrupteurs constituent les organes de commande les plus simples dans une gestion d’occupation. Leur caractéristique principale est qu’ils restent en l’état ON ou OFF s’ils ne sont pas actionnés par l’occupant. Le changement d’état nécessite l’intervention de l’occupant.

L’occupant allume ou pas l’éclairage en fonction de sa sensibilité personnelle et des conditions d’ambiance du local dans lequel il se trouve. L’acte d’allumer ou d’éteindre est volontaire, ce qui devrait responsabiliser les occupants.

Différentes études ont montré que la responsabilisation de l’occupant est plus liée à l’allumage des luminaires quand il rentre dans un local qu’à leur extinction quand il le quitte. Leur perspective de perdurer dans une installation moderne qui tient compte de la gestion énergétique des consommations d’éclairage ne repose que sur la démarche volontaire d’éteindre les luminaires quand on quitte son boulot.

Dans les bâtiments tertiaires, on voit tout de suite leur limite si les occupants sont peu ou pas responsables.

On retrouve différents types d’interrupteur suivant la configuration du local : les interrupteurs simples et 2 directions existent toujours sur le marché.

Les boutons poussoirs

Les boutons poussoirs, contrairement aux interrupteurs, n’ont qu’un seul état au repos : soit ON, soit OFF suivant leur type. Ils ne servent, par une simple impulsion, qu’à changer l’état d’un équipement intermédiaire de commande des luminaires comme, par exemple, les télérupteurs, les relais, les entrées digitales des automates (DI : Digital Input), …

Cette caractéristique leur permet aussi de pouvoir être couplés avec une détection d’occupation automatique.

L’idée est de combiner :

un allumage volontaire de l’éclairage à l’entrée de l’occupant dans son local ;
et une extinction automatique du même éclairage par détection d’absence lorsque l’occupant quitte son local (possibilité de temporisation).

Schéma principe boutons poussoirs.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Filtres [ventilation]

Attention : la norme portant sur la classification des filtres à air a été mise à jour en 2017. Vous trouverez sur cette page toutes les informations concernant la norme ISO 16890. La classification des filtres G3, G4, M5, M6, F7, F8 et F9 a été modifié. on parle désormais de filtres grossiers, ePM10, ePM2,5 et ePM1.

Où peuvent se trouver les filtres

Sur les circuits d’aspiration d’air neuf extérieur,
sur les circuits d’air repris, avant recyclage,
sur les circuits de distribution d’air dans les locaux,
sur les circuits d’air repris, avant rejet vers l’extérieur,
sur les circuits d’air repris, avant batterie de récupération de chaleur.

Exemple

Les objectifs de la filtration

Débarrasser l’air des polluants : champignons et bactéries allergogènes et pathogènes, des particules de fibre de verre, …

Exemple.

Chez l’homme, la desquamation constante de la peau, la respiration, l’agitation des vêtements, entraînent par seconde une génération de 10 millions de particules de plus de 0,1μm , pour une personne en mouvement actif.

Protéger les équipements des locaux (électroniques, photographies,…) contre les poussières pour augmenter leur durée de vie et diminuer leur maintenance.

Protéger l’installation de ventilation elle-même. Sans filtration, des dépôts apparaissent dans les conduits, leurs joints, dans les bouches de distribution, sur les batteries d’échange, les ventilateurs, les registres et les sondes de régulation. L’accumulation de poussières peut provoquer la prolifération de champignons, bactéries, …

Exemple.

une installation de ventilation, située dans une ville industrielle, pulse un débit d’air neuf de 36 000 m³/h. La teneur en poussière de l’extérieur est de 0,25 mg/m³ (0,1 mg/m³ pour une ville classique). Le débit de poussière est donc de 9 g/h. En 12 mois de fonctionnement continu, l’installation a aspiré près de 80 kg de poussière dont la majorité s’est déposée dans les composants de l’installation (batteries, boues dans les humidificateurs, gaines, bouches de soufflage et peintures des plafonds).

Batterie protégée par un filtre de performance insuffisante.

Éviter la propagation d’incendie par les poussières et les risques d’explosion.

Protéger les terrasses et toitures en n’évacuant pas les particules directement vers l’extérieur.

Les filtres à couche poreuse

Fonctionnement

Dans ces filtres, l’air à épurer traverse une couche poreuse ou fibreuse dans laquelle il abandonne ses poussières. C’est le mode de filtration de l’air actuellement le plus répandu, tant pour la préfiltration « de protection » que pour la filtration de « confort », de salubrité (immeubles, bureaux), de haute et de très haute efficacité (salles blanches, salles d’opérations « stériles »).

Dans ce type de filtre, l’interception des poussières se fait par :

Tamisage (ou effet de crible)

Il faut que les pores de l’élément filtrant aient des dimensions inférieures à celles des particules : ce peut être un amas de particules arrêtées par le filtre qui constitue un tamis filtrant vis-à-vis des particules plus fines se présentant ultérieurement.

Impact (ou effet d’inertie)

Les particules lourdes ne peuvent pas accompagner le courant d’air quand celui-ci s’incurve autour d’une fibre. Elles s’attachent alors à la fibre à l’endroit de l’impact.

Interception (ou effet de barrage)

Les petites particules légères accompagnant le courant d’air seront interceptées si leur centre passe à une distance de la fibre inférieure à leur rayon. Ainsi, un média filtrant offrant un bon effet d’interception doit contenir un grand nombre de fibres fines, de même diamètre moyen que celui des particules à séparer.

Diffusion

Les particules dont le diamètre est inférieur à 1 μm ont un mouvement vibratoire dû aux mouvements des molécules d’air. Elles se fixent sur les fibres si elles entrent en contact avec elles. La probabilité d’impact croissant quand la vitesse, le diamètre des particules et le diamètre des fibres diminuent (l’amplitude du mouvement est de 7,4 μm pour une particule de 1 μ m et de 37 μm pour une particule de 0,1 μm).

Forces électrostatiques

Les forces électrostatiques peuvent prendre naissance soit sur les poussières soit sur les filtres. Elles provoquent l’agglomération des poussières entre elles et facilitent leur filtration. Pour favoriser ce principe de filtration, les fibres du filtre sont polarisées.

Attention : une erreur fort répandue consiste à penser que la filtration, c’est principalement un effet de tamisage et que le maillage de fibres doit être de plus en plus fin à mesure que la dimension des particules à arrêter diminue. Il n’en est rien. L’effet de tamisage n’a qu’une importance accessoire pour l’efficacité du filtre, encore qu’il puisse, dans le cas d’un filtre mal conçu, atténuer sa longévité (accroissement de perte de charge par effet de surface).

Filtre en cours de colmatage (agrandissement).

Classification

L’efficacité d’un filtre est synthétisée de façon précise par une série de grandeurs dépendant des caractéristiques de l’air entrant : température et humidité, teneur en poussières, granulométrie des poussières, nature et structure physique des poussières. Concrètement, cela se traduit par une classification des performances en fonction des particules à arrêter.

Les filtres sont classés en fonction de leur capacité à arrêter des particules de plus en plus petites. La dénomination de leur classe dépend de la méthode de mesure utilisée pour les essais. Par exemple, GRA signifie « méthode gravimétrique », OPA, « méthode opacimétrique ». Les filtres faisant l’objet d’un essai « DOP » atteignent 100 % d’efficacité par les méthodes opacimétrique et gravimétrique. Ce sont les filtres absolus.

Voici la correspondance de classification entre différentes normes de mesure (américaine, belge et européennes). Ce sont les principales dénominations que l’on retrouve dans la documentation des fabricants.

Filtres grossiers.

Filtres fins.

Filtres absolus.

Correspondance entre les filtres.

Efficacité

On classe les filtres à couche poreuse en fonction de leur efficacité :

Filtres à basse efficacité (classes G1 à G3)

Les filtres à chocs ou labyrinthe sont composés de profilés en quinconce qui interceptent les particules de graisse, principalement :

Par effet d’inertie : à chaque virage autour d’un profilé, les particules sont projetées en dehors du flux d’air.

Par condensation des particules sur les surfaces « froides ». Dès lors, le rendement s’accroît avec une diminution de la vitesse de l’air. Le filtre à choc est donc l’outil optimal pour la filtration de l’air dans des zones humides, genre laverie ou lave-casseroles.

Les filtres à treillis correspondent à des filtres plans composés d’un treillis de fils d’acier.Ils s’encrassent plus facilement que les filtres à choc et sont moins facilement nettoyés.

Ces types de filtres sont généralement utilisés pour effectuer une préfiltration.

Filtre à treillis métallique et filtre à choc.

Filtres à moyenne efficacité (classes G1 à G4)

La surface filtrante est composée de fibre de verre grossière ou de fibre synthétique maintenue dans des cadres en carton ou métallique. Les filtres peuvent être plan ou légèrement plissés pour augmenter la surface filtrante, donc la longévité. On trouve également des médias en mousse de polyuréthane ou polyester expansée, utilisée sous forme de couches planes ou des tricots en fil d’acier galvanisé ou inoxydable, montés dans des cadres.

Ils fonctionnent principalement par l’effet d’inertie des particules.

Filtre plan.

Filtres à haute efficacité (classes F5 à F9)

Ces filtres sont composés soit d’un papier-filtre plissé en cellulose ou en fibres de verre, soit de poches (on parle de filtres à poches) disposées dans un cadre sous forme de sacs flottants qui leur donnent une surface de filtration pouvant aller jusqu’à 27 fois la surface frontale.

Les filtres à poches ont une forte capacité de colmatage et un coût d’exploitation peu élevé.

Ils fonctionnent principalement par effet d’interception et de diffusion.
Ils sont largement utilisés pour la filtration de l’air dans les systèmes de ventilation.

Filtre à poches et filtre à dièdre.

Filtres à très haute efficacité ou absolus (classes H10 à H14)

Le milieu filtrant est constitué de papiers de fibres de verre maintenues par un liant, pour les plus hautes efficacités, ou bien d’un mélange de fibres de cellulose et de fibres minérales. Ces papiers sont plissés sur toute la profondeur du filtre. Chaque pli est parfois maintenu par un séparateur ondulé. La surface de filtration peut atteindre 100 fois la surface frontale pour les filtres dits absolus.

Dans ces filtres, c’est l’effet de diffusion qui devient prépondérant.

Filtres absolus.

Cas particulier : Filtres à nettoyage automatique

Il existe des filtres plans à déroulement automatique, en fonction de la perte de charge qu’ils engendrent.

Il existe également des filtres nettoyés automatiquement : les éléments filtrants sont montés sur une chaîne sans fin et viennent tremper successivement dans un bac où se fait leur nettoyage avant de reprendre place dans le courant d’air à filtrer. Le mouvement de rotation qui est très lent, peut être à commande manuelle et intermittent, ou mieux, mécanique et continu.

Il existe aussi des filtres en tricots métalliques ou plastiques nettoyés de façon cyclique par lavage à l’aide de rampes de pulvérisation d’eau.

Filtre à déroulement automatique.

Les filtres à surfaces de choc huilées

Dans ce type de filtres constitués par des empilages de tôles gaufrées, on donne aux filets d’air un tracé sinusoïdal entre deux surfaces humectées d’huile, afin que les effets de force centrifuge contraignent les poussières à venir se coller contre les parois. Le filtre est divisé en petits éléments dont le nettoyage s’effectue par trempage pendant quelques secondes dans un bac rempli d’huile. Afin de conserver une perte de charge constante à l’ensemble du filtre, on remplace en général un ou plusieurs éléments sales par jour de façon à ce que tous les éléments aient été nettoyés en une quinzaine de jours.

L’on peut classer dans cette catégorie des filtres où la tôle est remplacée par des feuilles de matière plastique percée de trous et gaufrée : le haut pouvoir diélectrique de la matière choisie peut ajouter un effet électrostatique de captation. L’huilage n’est pas indispensable, mais le pouvoir de captation est alors diminué.

Les filtres pour cuisine

Même si les principes de filtration restent identiques, les filtres utilisés dans les cuisines collectives pour les hottes ou les plafonds filtrant représentent une familles à part entière !

Les filtres pour cuisine doivent en effet pouvoir filtrer les graisses, les odeurs et les fumées émises lors de cuissons.

Techniques

Pour en savoir plus sur les appareils de traitement d’air spécifiques aux cuisines collectives

Les filtres à charbon actif

C’est un charbon traité qui a une structure poreuse très développée donc un pouvoir adsorbant important.

Ils sont utilisés pour la désodorisation dans le traitement de l’air des bureaux et des laboratoires.

Il est peu efficace pour les vapeurs de graisses. On a donc pas intérêt à l’utiliser pour le traitement principal de l’air d’extraction en cuisines collectives. Il peut cependant servir en finition pour éliminer les odeurs.

Filtre à charbon actif.

Résumé du domaine d’application des principaux filtres

Recommandations ASHRAE
Filtres grossiers
50 – 74 % GRA	installations de climatisation pour l’industrie textile batteries de chauffage, humidificateurs et ventilateurs installations de ventilation sans critère de pureté de l’air
75 – 84 % GRA	groupes de ventilation, batteries de chauffage, rideaux d’air chaud, climatiseurs de fenêtre ventilation des cabines haute tension, des garages, halls d’usine, sans critère de pureté d’air préfiltre pour filtres fins climatisation des véhicules
> 85 % GRA	installations avec déshumidification armoires de climatisation préfiltre pour installation de climatisation préfiltre pour filtres fins rideaux d’air pour magasins d’alimentation cuisines
Filtres fins
40 – 69 % OPA	installations de chauffage et de climatisation pour écoles, cuisines, salles d’archives, ateliers de mécanique de précision ventilation des machineries ascenseurs rideaux d’air chaud pour magasin d’alimentation chauffage à air chaud des églises des halls de sport climatisation des restaurants et salles de réception magasins d’alimentation
70 – 89 % OPA	installations de climatisation et de ventilation des laboratoires, salles de soins des hôpitaux, bureaux, abattoirs, théatres centrales téléphoniques, ateliers d’optique, studios de radio-télévision, salles d’ordinateur
90 – 98 % OPA	installations de climatisation pour salles blanches, salles d’opération et de stérilisation, vestiaires d’accès à ces salles, laboratoires de radiologie, animaleries, laboratoires pour produits pharmaceutiques, laboratoires d’optique et d’électronique, laboratoire de recherche
Filtres absolus
85 – 94 % OP	installations de climatisation desservant des laboratoires de mesure de haute précision, laboratoires photographiques salles d’opération, de stérilisation salles blanches et postes de travail stériles industrie horlogère
95 – 99 % OP	salles d’opération et de stérilisation salles blanches et postes de travail stériles industrie pharmaceutique centrales nucléaires
> 99,97 % OP	salles d’opération et de stérilisation postes de travail stériles salles blanches avec flux laminaire laboratoires bactériologiques, isotopiques

Recommandations SICC (Société suisse des ingénieurs en chauffage et climatisation)
Éléments à filtrer	Classe suivant EN 779	Applications
Insectes, fibres textiles, cheveux, sable, cendres, pollen, ciment	G1 G2	Utilisations simples (protection contre les insectes)
	G3 G4	Préfiltre et filtre pour les installations de protection civile Évacuation de l’air des cabines de peinture, des cuisines Protection anti-pollution pour les climatiseurs (par exemple de fenêtre) Préfiltre pour les classes de filtration F6 à F8
Pollen, ciment, particules salissantes (poussière), germes, poussières chargées de bactéries	F5	Filtre sur l’air neuf des locaux à faible exigence (ateliers, garages, entrepôts)
	F5 F6 F7	Préfiltre et filtre pour les centrales de traitement de l’air Filtre final dans les installations de climatisation pour magasins, bureaux et locaux de fabrication Préfiltre pour classes F9 à H12
Fumées d’huile et de suie agglomérées, fumée de tabac, fumée d’oxyde métallique	F7 F8 F9	Filtre final dans les installations de climatisation pour bureaux, locaux de fabrication, hôpitaux, centrales électriques, locaux ordinateurs Préfiltre pour filtres absolus et filtres à charbon actif
Germes, bactéries, virus, fumée de tabac, fumée d’oxyde métallique	H10 H11 et H12 H13 et H14 U15 et U16	Filtre final pour locaux à haute exigence, laboratoires, alimentation, pharmacies, mécanique de précision, industrie optique et électronique
	H11 et H12	Filtre final pour salles blanches
Vapeur d’huile et suie en formation, particules radioactives	H13 et H14 U15 et U16	Filtre final pour salles blanches Filtre final pour salle d’opération Filtre final pour évacuation d’air des installations nucléaires

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Identifier une surchauffe liée aux corps de chauffe

Corps de chauffe très peu inertes

Les ventilo-convecteurs très peu inertes chauffent l’ambiance uniquement par convection.

Chaque demande de chauffage (généralement commandée par un thermostat d’ambiance) entraîne une montée en température très rapide de l’air ambiant. Inversement, la chute de la température sera rapide dès la commande d’arrêt du thermostat.

Cette situation conduit à des fluctuations de température (alternance de périodes fort chaudes et fort froides) qui sont d’autant plus importantes que :

la puissance de l’émetteur est surdimensionnée par rapport aux besoins réels (puissance à vérifier donc),
le différentiel du thermostat (différence de température commandant l’enclenchement et le déclenchement de l’appareil) est grand.

Evolution dans le temps de la température intérieure en fonction du différentiel de température du thermostat et du degré de surdimensionnement des émetteurs.

Une première amélioration peut ainsi consister en la diminution de la vitesse du ventilateur, ce qui aura pour effet de diminuer la puissance émise.

Corps de chauffe très inertes

Les émetteurs très inertes, c’est-à-dire comportant une masse chaude très importante (dalle pour le chauffage par le sol, grand volume d’eau et fonte pour certains radiateurs) ne peuvent diminuer suffisamment rapidement leur puissance d’émission lorsque des apports gratuits importants apparaissent (ensoleillement, occupants).

Exemple : le chauffage par le sol.

La chaleur y est véhiculée par de l’eau à une température de 40 à 50°C. Par la circulation de cette eau, c’est l’entièreté de la masse du sol (dalle de béton, carrelage) qui est portée à température et qui rayonne sa chaleur vers l’ambiance, avec une température moyenne de surface de l’ordre de 24° C.

Lorsque le soleil apparaît dans le local, il est impossible de refroidir immédiatement cette masse. La température dans le local va donc augmenter. Heureusement, l’émission de chaleur se réduit lorsque la température de l’air ambiant se rapproche de la température de surface du sol. Cependant la masse du sol étant déjà chaude, sa capacité d’absorber une partie du rayonnement solaire incident est fortement amoindrie. L’impact direct du soleil sur la température ambiante en sera donc plus important.

C’est pourquoi, le chauffage par le sol est déconseillé dans des locaux soumis à des apports de chaleur gratuits importants.

Le surdimensionnement des corps de chauffe

Lorsque l’installation de chauffage est régulée de façon centrale (par exemple en fonction de la température extérieure ou en fonction d’un thermostat d’ambiance situé dans un local témoin), un confort identique sera atteint dans tous les locaux si les émetteurs possèdent un degré de surdimensionnement semblable par rapport aux besoins.

Exemple.

les radiateurs d’un bâtiment ont été dimensionnés suivant la méthode erronée des cubages. Lorsque le confort est atteint dans les locaux en bout d’aile ayant deux ou trois murs extérieurs, les locaux centraux ayant une paroi extérieure seront surchauffés.

De même, un changement de répartition des locaux, par déplacement des cloisons, peut entraîner une surpuissance de chauffage dans certains et un manque de puissance dans d’autres.

Évaluer

Cette problématique peut aussi être à la base d’un manque de chaleur dans les locaux comportant plus de parois extérieures.

Pour estimer le surdimensionnement ou le sous-dimensionnement d’un émetteur, cliquez ici !

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Améliorer une installation « air-eau » : ventilos, éjectos, poutres et plafonds froids…

Adopter une température de pulsion de l’air neuf qui ne « casse » pas l’énergie

A priori, on peut penser que la température de pulsion de l’air neuf devrait être neutre dans le bilan thermique du local et ne pas interférer avec la régulation des ventilos. On rencontre ainsi une pulsion proche des 21°C toute l’année. Effectivement, au niveau du bilan thermique du local le bilan est neutre. Mais pas au niveau global du bâtiment !

En effet, ce choix implique qu’en mi-saison de l’énergie soit « cassée ». Si la température extérieure est de 14°C par exemple, il y a des chances que le local soit déjà en régime « refroidissement ». On va dès lors chauffer l’air neuf de 14 à 21°, et simultanément évacuer l’énergie excédentaire du local, via le ventilo-convecteur par exemple. Il aurait mieux valu pulser directement cet air à 14°C dans le local.

Mais 14°C est une pulsion de température trop faible qui risque de créer de l’inconfort au niveau des occupants.

En fonction de la bouche de pulsion d’air présente et du confort qu’elle engendre, il faudra établir une stratégie qui conduise à un optimum énergétique. En plein hiver, si tous les locaux sont chauffés, la température de pulsion peut être de 21° ou supérieure. Mais dès que la température extérieure génère le refroidissement de certains locaux, la consigne devrait être abaissée jusqu’au minimum compatible avec le confort des utilisateurs : 16°C… 18°C… ?. Ceci induit un réglage de la température en sortie des échangeurs du caisson de traitement d’air à 14°C… 16°C…, puisque ventilateur et parois du conduit apporteront 1°C environ chacun.

En cas de rénovation, on choisira des bouches à taux d’induction élevé afin de pouvoir abaisser cette température de pulsion.

Concevoir

Pour en savoir plus sur le choix des bouches de pulsion et d’extraction.

Reste une difficulté : le local inoccupé dont l’occupant a arrêté le ventilo en quittant le local. C’est le débit d’air de ventilation qui va assurer la température de base durant son absence. Et au retour de l’occupant, le local sera fort froid… Cela ne paraît cependant pas remettre en question le principe d’une pulsion à 16°C car l’occupant a le loisir de remettre son local en température très rapidement dès son retour grâce à l’absence d’inertie du ventilo-convecteur (transfert rapide par l’air) et à la possibilité de positionner le ventilo en grande vitesse. Et si l’occupant n’apprécie pas la petite période d’inconfort qui en résulte, il y a beaucoup de chances qu’il ne soit pas du genre à arrêter son ventilo en quittant le local !

En période de relance, stopper l’air neuf

En période de relance, avant l’arrivée des occupants, la régulation centrale peut faire fonctionner le bâtiment en circuit fermé, sans apport d’air neuf.

Récupérer la chaleur au condenseur de la machine frigorifique

S’il y a simultanéité de besoins de chaud et de froid dans le bâtiment (local informatique refroidi en hiver, par exemple), il peut être alors intéressant d’étudier la récupération de la chaleur au condenseur de la machine frigorifique.

Améliorer

Pour plus de détails sur la récupération de chaleur au condenseur de la machine frigorifique.

Valoriser les possibilités de la régulation

D’une manière générale, la dépense pour des équipements nouveaux est généralement justifiée, d’autant plus si l’installation date d’une « autre époque ». La gamme de choix des systèmes de contrôle est assez large aujourd’hui sur le marché, si bien que l’on peut acheter sur mesure. Via un réseau de communication, l’unité centrale optimisera la gestion des équipements afin qu’elle colle au mieux aux besoins, sans gaspillage.

Une régulation tout ou rien crée des trains de chaleur/froid et des dépassements de consigne, et ce phénomène est accentué si la température de l’eau est très élevée : une régulation par vannes 2 ou 3 voies modulantes est plus confortable.

Pour ramener de l’eau glacée à la plus haute température possible à l’évaporateur (ce qui améliore le rendement de l’échangeur), il est préférable de travailler à débit variable, et donc de privilégier les vannes 2 voies.

Lorsque la vanne se ferme parce que la consigne est atteinte, le ventilateur crée une impression de froid désagréable parce qu’il continue à brasser de l’air ambiant, perçu comme froid : sur les ventilateurs à trois vitesses, on régulera de telle sorte que l’arrêt de la production de chaleur se fasse à basse vitesse (si thermostat sur la reprise d’air) ou à l’arrêt (si thermostat d’ambiance).

En période d’été, il est possible que la température ambiante soit au petit matin aux alentours de 18°C : la régulation devrait empêcher l’installation de chauffage de fonctionner afin de pouvoir profiter en journée du réservoir thermique des parois (équipements et occupants auront tôt fait de remonter la température) (-> élargir la zone neutre si on ne dispose pas d’une gestion centralisée des équipements).

Envisager l’arrêt automatique d’une unité terminale en fonction d’un détecteur de présence temporisé, monté en série dans le circuit de commande, dans les locaux à utilisation intermittente. Une telle régulation est évidente dans les hôtels, mais le capteur de présence est remplacé par la gestion des réservations de chambre.

Il existe aujourd’hui des superviseurs de petits et moyens systèmes de conditionnement d’air qui permettent d’optimaliser le fonctionnement de l’installation sans devoir investir dans une GTC (Gestion Technique Centralisée) complète.

Travailler avec une température de l’eau glacée qui ne provoque que peu ou pas de condensation

Lorsque le régime d’eau glacée est trop bas par rapport aux besoins (en mi-saison), l’air du local est inutilement déshumidifié, ce qui est coûteux en énergie et inconfortable. La température peut être modifiée entre l’hiver ou la mi-saison (besoins faibles de refroidissement) et l’été.

Évaluer	Pour accéder à une comparaison chiffrée entre deux installations à régimes d’eau glacée différents.
Améliorer	Pour plus de détails sur l’adaptation des températures de la boucle d’eau glacée.

Soigner la diffusion de l’air

Lorsque les ventilo-convecteurs sont encastrés en allège ou dans une armoire, on vérifiera si l’air pulsé est correctement canalisé vers la grille du meuble de façon étanche.

À défaut, une partie de l’air sera court-circuité vers la grille de reprise, à l’intérieur du meuble. Ceci diminue la puissance du ventilo et perturbe sa régulation.

Recyclage partiel de l’air.

Sélectionner et entretenir les filtres des unités terminales

Choisir des filtres de qualité minimum EU 2.

Les nettoyer tous les 6 mois; à défaut, le bruit augmente et la puissance diminue.

Si l’installation de ventilo-convecteurs est du type à 3 tubes…

Une installation de ventilo-convecteurs à 3 tubes (1 départ chaud, 1 départ froid et 1 retour commun) est très énergivore par son principe, puisque du mélange entre eau froide et eau chaude est fréquent, au moins en mi-saison. Une analyse particulière doit avoir lieu pour améliorer ce système. Idéalement, il faudrait pouvoir la gérer comme une installation à 2 tubes, avec une régulation organisant le « change over » avec souplesse.

Question : avec la régulation numérique d’aujourd’hui, pourrait-on s’inspirer du fabricant qui réalise une installation « chaud ou froid » à partir d’une installation 2 tubes en Débit de Réfrigérant Variable ? Bien sûr, ce système est beaucoup moins inerte et peut se permettre de chauffer 10 minutes les locaux en demande de chaleur pour passer ensuite pendant 20 minutes aux locaux en demande de froid ! Si une telle souplesse n’est pas possible avec une installation à eau, il est cependant envisageable que le « tuyau de retour » ne soit utilisé que par l’un ou par l’autre (sans accepter de mélange). En mi-saison, en fonction d’une analyse par le régulateur, le matin et le temps de midi seraient consacrés à la relance (chaud), le restant de la journée étant consacré à fournir du froid, par exemple. L’inertie des bâtiments où ce type de système est inséré devrait permettre de franchir les périodes d’arrêt.

Pour aider à ce type de fonctionnement, un compromis pourrait être trouvé à partir du schéma de régulation ci-dessous : une seule température d’eau est envoyée dans le réseau qui fonctionne comme une installation 2 tubes, mais le réseau d’air neuf est progressivement réchauffé lorsque la température extérieure descend. Ainsi, pour la période critique de mi-saison, le local défavorisé reçoit un peu de chaleur via le réseau d’air. Le local en demande de refroidissement conserve l’apport d’eau glacée. Jusqu’au moment où tout bascule (l’air de ventilation est froid et l’eau est chaude). C’est un compromis puisque de l’énergie est cassée par ce système, mais en moindre quantité que dans un fonctionnement 3 tubes.

Si vous êtes confrontés à ce type de problème, nous serions très heureux de participer à une réflexion sur les techniques de rénovation possibles. Si vous avez rénové une installation à 3 tubes, nous serions heureux de faire écho ici de votre solution. Merci d’avance.

Pour aller plus loin, et tout particulièrement en cas de rénovation importante de l’installation, on consultera les critères de conception de qualité repris ci-dessous :

Concevoir	Choix d’une installation de ventilos-convecteurs.
Concevoir	Choix d’une installation de plafonds froids.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Poutres froides

Poutre dynamique, à gauche, et poutre statique, à droite.

Principe de fonctionnement

La poutre froide convective se présente sous la forme d’un échangeur de grande longueur. Il est placé nu ou habillé pour être intégré à un faux plafond. Les poutres sont parcourues par de l’eau qui varie entre 15 et 19°C selon les besoins de refroidissement. On ne peut descendre plus bas suite au risque de condensation de la vapeur d’eau contenue dans l’ambiance.

L’échange se fait principalement par convection naturelle.

On distingue cependant deux types de fonctionnement :

Les poutres « actives », ou poutres à induction

L’air neuf hygiénique est injecté par des petites tuyères, créant un appel d’air secondaire venant du local. La convection dans l’échangeur est ainsi renforcée.

Photo poutres "actives".

Schéma poutres "actives".

Peut-on comparer ce système à un éjecto-convecteur ?

Oui, dans la mesure où l’induction par effet Venturi est identique.
Non, la comparaison est abusive diront certains, car les vitesses d’air injecté sont nettement plus faibles (pour éviter de créer du bruit !) et l’augmentation de puissance par rapport au système statique n’est pas énorme (de 10 à 30 %). La pression régnant dans le conduit d’air neuf est de 150 à 200 Pa.

Le taux d’air neuf varie entre 1 et 2,5 Volume/heure. Il apporte environ un tiers de la puissance frigorifique totale.

Par le même système, le chauffage des locaux est possible en hiver, même si l’apport de chaleur en partie supérieure du local entraîne une stratification non négligeable des températures !

Exemple d’application.

Bureau paysager…

… équipé de poutres dynamiques.
Le tube central apporte l’air hygiénique, les conduites de cuivre apportent l’eau froide.

Les poutres passives, à convection naturelle :

Il s’agit d’un échangeur travaillant par simple convection naturelle : l’air chaud du local monte, arrive au dessus de la poutre, traverse l’échangeur, se refroidit et redescend, puisque plus lourd…

Photo poutre passive.

Il est important de respecter les espaces nécessaires au bon fonctionnement d’une poutre. Ainsi, si la poutre est intégrée dans un faux plafond, celui-ci devra être ajouré pour laisser passer l’air de convection.

L’apport d’air neuf est dans ce cas indépendant du fonctionnement de la poutre.

Technologies

Les technologies utilisées sont très similaires entre elles. Les poutres se distinguent essentiellement

par leur habillage (poutre carénée ou poutre intégrée dans un faux plafond),
par leur intégration dans le local et/ou dans son faux plafond, avec l’objectif de favoriser la convection de l’air,
par la distribution de l’air neuf dans la poutre, pour les poutres à induction.

Par exemple, certains modèles n’injectent l’air primaire que d’un seul côté :

Installation

On distingue essentiellement les poutres autonomes qui se placent sous le plafond comme des luminaires,

et les poutres qui sont intégrées, voire cachées dans les faux plafonds.

Différentes formules sont possibles pour que l’air de l’ambiance circule au travers de l’échangeur :

> une plaque de faux plafond très perforée à côté de la poutre,

> un faux plafond avec des lames très espacées,

> une poutre en alternance avec les luminaires,…

Idéalement, la poutre doit être située parallèlement à la fenêtre et du côté du couloir. C’est ainsi que le mouvement de circulation de l’air se fera le plus naturellement (boucle convective qui descend le long du couloir et remonte le long de la fenêtre). Et pourtant, dans 90 % des cas, on rencontre des poutres perpendiculaires à la fenêtre ! C’est sans doute une question d’esthétique vis-à-vis des luminaires…

Attention à celui qui travaille en dessous !

Il est possible, par exemple, de l’intégrer au dos d’une armoire, sur le mur opposé à la fenêtre.

Régulation

Le circuit des poutres est alimenté au régime aller-retour de 15°C – 17°C.

Contrôle de la condensation

Différentes dispositions seront prises pour limiter le risque de condensation

limitation de la température de départ de l’eau pour les réseaux intégrés dans la dalle de plafond,
contrôle de l’humidité relative à proximité du plafond et coupure de l’alimentation en eau, pour les réseaux en faux plafonds,
contrôle des conditions extérieures pour anticiper les fluctuations d’humidité à l’intérieur du local.

Dans un bâtiment avec fenêtres ouvrantes, l’alimentation du plafond en eau doit pouvoir être interrompue par un contact de feuillure.

Schémas de principe

La régulation de l’alimentation en eau des poutres vise classiquement au maintien de la température de consigne, mais aussi au contrôle de l’absence de condensation sur les tuyauteries.

Sur base de la mesure de la température de l’air ambiant et de son humidité relative, le régulateur détermine le point de rosée de l’ambiance et limite la température de l’eau à un niveau de 1 à 1,5°C supérieur à ce point de rosée.

Cette protection peut également être assurée par un détecteur de condensation placé à la surface du tube d’entrée : si l’humidité relative de l’air à la surface du tube approche de la condensation, un contact est actionné; la vanne est fermée et, éventuellement, la pompe est arrêtée.

Cette pompe peut également être mise à l’arrêt

si la température ambiante est inférieure à sa consigne,
si le contact de feuillure placé sur les ouvrants des châssis signale une fenêtre ouverte.

Schéma de raccordement hydraulique

Le raccordement hydraulique et la régulation des poutres froides sont similaires à ceux mis en place pour les radiateurs ou les convecteurs : une régulation par vannes trois voies modulante pour chaque départ de zone homogène.
Par exemple, pour l’implantation ci dessous :

On peut prévoir :

Prédimensionnement

Puissance

Pour les poutres froides statiques, la puissance peut atteindre 70 à 200 W/m linéaires, en fonction de la température ambiante, de la température de l’eau froide et de la largeur de la batterie.

Pour les poutres dynamiques, la puissance est fonction des paramètres suivants :

températures d’eau froide (in/out),
température ambiante,
débit d’air primaire,
taux d’induction.

Sur base

d’un débit d’air primaire correspondant à 50 m³/h par m de poutre,
soit environ 3 renouvellements d’air/heure, si on considère un mètre linéaire de poutre pour 6 m² au sol,
d’un écart de température (ambiance – eau froide) de 10°C.

La puissance de refroidissement est de l’ordre de 435 W/m, y compris le refroidissement dû à l’air primaire. Cette puissance permet donc d’assurer un refroidissement correspondant à une charge calorifique dans le local d’environ 75 W/m².

Mais certains constructeurs atteignent, à débit d’air égal, des puissances de refroidissement jusqu’à 110 W/m2.

Emplacement

Pour les systèmes passifs, le placement des unités et la dimension correcte de la reprise d’air sont très importants. Si on ne prête pas suffisamment attention à ces deux points, la puissance attendue ne sera pas atteinte.

On sera également attentif à l’emplacement de l’apport d’air neuf et à son interaction avec les poutres passives.

Source : Conférence de Mr P.A. Delattre – Tracrebel Development Engineering – journée ATIC du 25.09.98

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir les appareils tout en un

Nous avons vu que fax, imprimante et photocopieur sont basés sur une technologie commune :

Un scanner traduit les informations visuelles en données numériques, les informations numériques sont transférées sur papier grâce au toner qui se fixe par chauffage.

Il est donc logique que les fabricants aient lancé sur le marché des appareils appelés « multifonctions » qui combinent les fonctions de fax, d’imprimante, de photocopieur et de scanner.

Ils sont généralement proposés sous forme d’option. C’est-à-dire qu’il est possible d’implémenter l’appareil pour qu’il devienne l’équipement « à tout faire ». Ils peuvent être dotés des fonctions R/V (recto-verso) et travaillent en réseau.

Avantages

Énergétiquement, ce type d’appareil semble intéressant. En effet, par rapport à un nombre de fonctions identique, la consommation est divisée par trois, la production de chaleur également.

Cependant, on peut imaginer qu’il ne soit pas heureux de combiner un fax avec d’autres fonctions. En effet, ce dernier doit généralement rester 24 heures sur 24 en attente de messages, tandis qu’une imprimante et un copieur peuvent au minimum être mise hors tension en dehors des heures de travail (durant 16 h par jour). La combinaison fax-imprimante peut s’envisager si :

Les moments de fonctionnement sont semblables.
Le système est équipé d’un mode veille performant, c’est-à-dire avec une consommation minime et une relance immédiate.

Dans le cas contraire, il est préférable d’utiliser un fax indépendant ayant une faible puissance de maintien en stand-by.

Notons qu’il est possible de combiner un PC et un fax. L’utilisation du fax ne se fera alors que dans le sens de l’envoi de messages. Le gain réalisé se situe principalement au niveau du temps et du papier puisque les messages sont directement transférés du PC au fax récepteur.

Au delà de l’aspect purement énergétique, les appareils « multifonctions » améliorent également le confort de travail par une diminution importante du bruit et de l’encombrement.

Leur prix est en chute libre. A caractéristiques identiques, ils deviennent moins chers que la somme des équipements individuels équivalents. Ils bénéficient en plus d’une maintenance plus facile à gérer car le nombre d’équipements diminue.

Inconvénients

Les appareils « multifonctions » ne peuvent assurer qu’un service à la fois. Par exemple, une grosse impression rendra les autres fonctions inopérantes pendant un temps assez long.

La panne d’un élément rend les 4 fonctions inopérantes.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Dalle active

Principe

Le principe de base consiste à intégrer des tuyauteries dans la dalle de chaque étage, parcourues par de l’eau froide. Cette technique est réversible, les conduites peuvent être parcourues par de l’eau chaude en hiver (non conseillé).

On retrouve différente dénomination pour ce principe : concrete core activation, active slab, slab cooling, thermal active building system (TABS),…

Du fait de la grande surface d’émission et de la masse des dalles « actives », le système se caractérise par :

Des régimes de températures d’eau élevés en refroidissement et très bas en chauffage.

Une inertie thermique très importante pouvant être exploitée comme stockage (principalement de frigories).

Schéma principe dalle active.

La puissance frigorifique et calorifique dépend du régime de température utilisé, de l’espacement entre conduites, de la profondeur de celles-ci, de la composition de la dalle et de la température ambiante. Dans des conditions usuelles (T° ambiante : 25 °C, T° d’eau à l’entrée de la dalle : 18 °C) la puissance en froid est de 40 à 50 W/m² dans les meilleurs cas, à comparer aux 80 à 90 W/m² des plafonds froids traditionnels et aux 100 à 120 W/m² des ventilo-convecteurs. En mode chaud (T° ambiante : 21°C, T° d’eau à l’entrée de la dalle : 36°C) la puissance est de 60 à 80 W/m².

Exemple on retrouve ci-dessous, l’influence de la composition de la dalle sur les puissances de chauffage/refroidissement.

Situation de base

	Soit une dalle de béton de 30 cm, recouverte d’un tapis de 1,5 cm (lambda = 0,15).
En mode refroidissement
	T° départ d’eau = 16°C T° retour d’eau = 20°C T° ambiante = 26°C (!) T° surface supérieure = 23,1°C T° surface inférieure = 22,6°C Puissance totale refroidissement : 57 W/m² 37 W/m² vers le bas et 20 W/m² vers le haut.
En mode chauffage
	T° départ d’eau = 28°C T° ambiante = 20° CT° surface supérieure = 21,6°C T° surface inférieure = 23,7°C Puissance totale de chauffage : 40 W/m² dont 22 W/m² vers le bas et 18 W/m² vers le haut

Situation avec une dalle flottante

Si une dalle flottante (et son matériau résilient intermédiaire…) est disposée sous le tapis, les puissances évoluent comme suit :

en froid : 8 W/m² vers le haut et 40 W/m² vers le bas.
en chaud : 6 W/m² vers le haut et 23 W/m² vers le bas.

Situation avec un faux plancher

	Soit une dalle de béton de 30 cm recouverte d’un faux plancher et d’un tapis.
En mode refroidissement
	T° départ d’eau = 16°C T° retour d’eau = 20°C T° ambiante = 26°C (!) T° surface supérieure = 24,9°C T° surface inférieure = 22,4°C Puissance totale refroidissement : 47 W/m², 40 W/m² vers le bas et 7 W/m² vers le haut.
En mode chauffage
	T° départ d’eau = 28°C T° ambiante = 20°C T° surface supérieure = 20,6°C T° surface inférieure = 23,8°C Puissance totale de chauffage : 29 W/m² dont 23 W/m² vers le bas et 6 W/m² vers le haut La lame d’air joue son rôle d’isolant…

On constate donc que l’effet isolant de la finition au sol augmente la puissance de chauffage ou de refroidissement émise vers le bas (plus importante en froid qu’en chaud, le froid descend naturellement). Par contre que la finition soit une dalle flottante ou un faux plancher la puissance en chaud ou en froid est fortement diminuée, la dalle active perd toute son efficacité. On voit donc l’intérêt de bien choisir la finition du futur bâtiment.

Aspects technologiques

Mise en œuvre

Il existe différentes techniques proposées par les constructeurs. Les photos ou schémas ci-dessous sont placés dans un but d’illustration et non pas pour promouvoir davantage l’un ou l’autre système.

Les tuyauteries peuvent être placées au centre des dalles de béton de telle sorte qu’elles ne subissent aucun effort de traction ou de compression. Mais, d’après un constructeur, ce critère est peu important, les tuyaux (nettement plus souples que le béton) pouvant sans problèmes reprendre ces modifications de longueur. Le critère majoritaire est la répartition entre le chaud et le froid si les 2 services sont assurés : la puissance en froid et le temps de réponse peuvent être augmentés si les tuyaux sont abaissés aux 2/3 de la dalle, par exemple.

De toute façon, elles restent non accessibles face à un éventuel trou de foreuse.

Trois techniques de mise en œuvre sont possibles :

In situ : elle consiste à directement dérouler la conduite et à le ligaturer sur un treillis spécifique ou le ferraillage existant de la dalle. Plus couteuse par sa main d’œuvre plus importante, cette technique est utilisée pour des tracés hydrauliques difficiles avec courbe. Elle sera donc généralement réalisée sur des surfaces moins importantes que celles couvertes à l’aide des autres techniques.

Module préfabriqué : les conduites sont déjà fixées en usine sur un treillis ou sur le ferraillage en fonction des exigences de participation à la reprise de charge de la dalle. Les dalles arrivent donc sur chantier par module et sont assemblées selon le plan de calepinage, afin d’atteindre la surface du circuit voulue.

En prédalle : comme son nom l’indique, les conduites sont placées et livrées sur une prédalle.

Une coordination doit impérativement être réalisée aussi bien sur chantier qu’à la phase conception. Le bureau d’étude en stabilité doit intégrer la présence de conduites dans la dalle selon les informations fournies par le fabricant, et ce dernier doit connaitre les spécificités de la dalle nécessaire au calcul de la puissance de refroidissement. Sur chantier, les différents corps de métier doivent être avertis de la présence de conduite dans la dalle.
Les conduites de la dalle active doivent être placées après la pose du système électrique. Les canalisations d’eau froide et d’eau chaude à proximité des conduites de la dalle active doivent être calorifugées.

Une attention particulière doit être portée pour les emplacements des joints de dilatations et aux endroits de reprises de charges. On évitera donc de placer les tubes de dalle active en périphérie de dalle et au niveau des jonctions entre plancher et mur. Des fourreaux doivent être employés pour le passage des joints de dilatation de la dalle.

Lors de toutes les opérations de montage, les tubes doivent être maintenus en pression (3 bars à 6 bars), lors du transport, du stockage, de la mise en place, du coulage et lors du séchage du béton. Cette pression doit pouvoir être vérifiée à tout moment par un manomètre. Si les tubes sont déjà sous eau et que le bâtiment peut être soumis au gel, il est impératif de prendre toute les précautions pour éviter le risque de gel dans les tubes. Si de l’antigel est utilisé, celui-ci doit être vidangé avec de l’eau propre avant la mise en service du bâtiment.

Raccordement

Plusieurs modules/conduites peuvent être reliés entre eux à l’aide des raccords spécifiques afin de former un seul circuit. Quelle que soit la technique utilisée, il est recommandé de limiter la longueur par boucle à 130 m et les pertes de charge à 300Pa. Cette limite de 130 m compte tenu des espaces entre conduites et de la limite de bord de dalle équivaut à +/- 45 m² de plancher.

Les modules peuvent être raccordés sur collecteur ou sur une boucle de Tichelmann. Un accessoire spécifique doit être employé pour traverser la dalle et se connecter au collecteur.

Schéma raccordement.
Raccordement sur collecteur.

départ
retour
vanne d’équilibrage
collecteur
vanne d’arrêt

Schéma raccordement.
Raccordement sur boucle de Tichelmann.

départ
retour
vanne d’équilibrage
vanne d’arrêt

Le système à trois connecteurs permettant de différencier les zones en chaud ou en froid.

Variante

Il est possible également de refroidir par les murs latéraux.

Ce système s’utilisera pour des cas bien spécifiques, en effet tout comme la dalle active, il est nécessaire de laisser les murs équipés des conduites de refroidissement accessibles. On privilégiera la dalle active au mur actif, car il est plus facile de ne pas mettre de faux plafond que de ne pas mettre d’armoire. Le mur actif sera pertinent si la surface de la dalle est insuffisante pour donner la puissance nécessaire, par exemple pour des petits locaux hauts et étroits.

Acoustique des locaux

Le souhait de laisser la masse thermique accessible à l’ambiance (pas de moquettes épaisses ni de faux plafonds) peut créer un éventuel inconfort acoustique, du moins dans les bureaux paysagers.

En effet, une part importante du plafond doit être maintenue ouverte. Une telle diminution de surface pour le traitement acoustique de la pièce peut difficilement être compensée. D’autres surfaces d’absorption doivent être trouvées (panneaux mobiles, armoires avec panneaux intégrés, sous-faces des tables de travail, …).

Par exemple, les portes des armoires du bâtiment Worx à Kortrijk sont des panneaux acoustiques micro perforés :

Une campagne d’essais a été menée dans un institut de recherche suédois pour mesurer l’influence de faux plafond discontinu, morcelé en ilots flottants de petite taille, sur les échanges thermiques entre le local et la dalle active.
La campagne consistait à comparer deux configurations, un faux plafond représentant 45 % de la surface du local suspendu à deux hauteurs différentes (20 cm et 80 cm).
On constate une diminution de l’efficacité due à la présence des éléments acoustiques de 16 % lorsqu’ils sont suspendus à 20 cm et de 12 % à 80 cm. Il apparait logique que plus l’élément acoustique est suspendu bas, plus la convection de l’air autour du panneau est facilitée. De même l’efficacité acoustique est améliorée, car le son se répartit mieux autour du panneau, au contraire de panneaux trop proches l’un de l’autre qui ne permettent pas une distribution correcte autour des panneaux.

Circulation d’eau

En règle générale, on observe un débit d’eau (en régime turbulent) d’environ 10 à 15 kg/h/m² de dalle active.

Intérêt – Contrainte

Disposer d’un émetteur alimenté par de l’eau froide à haute température (environ 20°C) est particulièrement intéressant en termes de performance énergétique : non seulement les machines frigorifiques présentent alors un meilleur rendement de production, mais cela facilite également la valorisation de la fraicheur de l’environnement extérieur (free chilling, geocooling, etc.). C’est d’autant plus vrai que la dalle active présente une inertie thermique à même de valoriser la fraicheur nocturne.

Cependant, vu l’inertie thermique du système et sa faible réactivité aux variations de charge thermique (l’ensoleillement par exemple), il est plus difficile d’assurer en continu une consigne de température maximale.

Les constructeurs affirment d’ailleurs clairement qu’il ne s’agit pas à proprement parler d’un système de climatisation. Il est dès lors parfois utile d’installer un système traditionnel en complément (climatiseur dans une salle de réunions, par exemple) ou de prévoir un système de chauffage et/ou de climatisation complémentaire. Dans ce cas, la machine frigorifique peut être de faible puissance puisqu’elle charge la dalle la nuit et travaille sur le refroidissement de l’air le jour.

Une alternative pour le concepteur peut consister à mettre en place le slab cooling et la ventilation hygiénique, tout en prévoyant dès le départ la possibilité de compléter la puissance frigorifique par le réseau d’air, en cas de besoin. Pendant toute l’année, l’installation de ventilation (dont les conduits auront été prévus pour assurer un débit nettement plus élevé) fonctionnera avec une consommation très faible des ventilateurs (doubler le diamètre, c’est diviser la consommation du ventilateur par 32 !) et, en période de canicule, ce réseau donnera l’appoint souhaité.

Pour éviter le risque de condensation, l’eau circule à une température minimale de 16 °C. Nous renvoyons vers la partie régulation pour la gestion du risque de condensation.

Intégration d’un système de chauffage

De manière à limiter les coûts d’installation, on peut envisager d’intégrer le chauffage à la dalle active en complément du refroidissement.

Du fait de l’inertie importante de la dalle, le système peut être considéré comme un stockage de chaleur anticipé. Dont l’émission est difficilement contrôlable au regard de la variabilité et de l’impossibilité de prévision des apports de chaleur gratuits (occupants, soleil,…). Dès lors, il est préférable de considérer la dalle comme une source de chaleur de base à laquelle on adjoint un complément plus flexible. Par exemple, le chauffage de base sera donné par l’alimentation continue du réseau à une température très faible (de l’ordre de 28°C par -10° extérieur). La température de surface n’est alors que de 2 degrés plus élevée que la température ambiante. À comparer avec le chauffage par le sol traditionnel dont l’eau d’alimentation est de 35°C et la température de sol atteint 28°C. Une technique consiste alors à compléter ce chauffage de base par un deuxième réseau plus dense et à température plus élevée, dans la zone de bord (1 m à 1,5 m le long des façades). Comme expliqué dans les différentes techniques de dalle active, il faudra prendre en considération les contraintes plus importantes en bordure d’appuis sur les conduites de refroidissement/chauffage.

Mais le souhait de placer une « dalle flottante » (pour limiter la nuisance acoustique éventuelle créée par le bruit des pas) peut modifier le projet. On arrive alors à un choix de plusieurs solutions :

Chauffage/refroidissement de base dans la dalle et appoint de chauffage dans la chape en bordure (avec de l’eau à plus haute température;
Chauffage/refroidissement de base dans la dalle, appoint de chauffage dans la chape en bordure et chape flottante globale;
Chauffage à plus haute température dans la chape flottante et refroidissement par la dalle :

Remarque : s’il existe des parois vitrées fort importantes, il est conseillé de briser l’effet de l’air froid « coulant » le long du vitrage par la pose de montants horizontaux.

Production associée

Production de froid

La production de froid valorisera des sources d’énergie compatibles avec une température d’eau froide élevée (on ne descend pas sous les 16°C notamment pour éviter les risques de condensation).

L’eau froide peut être produite par différents moyens :

	L’eau peut être refroidie par l’air extérieur, via un échangeur placé en toiture, ou une tour de refroidissement (free-chilling). Pour profiter d’un air plus frais, il apparaît que le fonctionnement aura principalement lieu durant la nuit. D’où la nécessité de stocker le froid dans l’épaisseur de la dalle.
	Une variante de géothermie consiste à exploiter l’eau refroidie par de l’eau pompée dans une nappe phréatique, via un échangeur à plaques eau/eau. Le fonctionnement peut alors avoir lieu 24h/24.
	L’eau peut être refroidie par circulation dans le sol sous le bâtiment, via un échangeur sol/eau. La présence d’une circulation d’eau d’une nappe phréatique éventuelle autour des conduits renforce le refroidissement. La puissance frigorifique varie entre 10 et 25 W/m courant (on parle de géocooling ou géothermie). Le fonctionnement peut alors avoir lieu 24h/24.
	L’eau peut être refroidie par une machine frigorifique traditionnelle, venant en appoint d’une des sources ci-dessus, notamment pour vaincre les périodes de canicule.

Production de chaud

En chauffage, la dalle active est associée à une production dont les meilleurs rendements sont obtenus grâce à la production d’eau à basse température : principalement les pompes à chaleur, accessoirement les chaudières à condensation voire des capteurs solaires.

Régulation

Principe généraux

Une faible réactivé

La faible réactivité de la dalle impose une stratégie de régulation différente des autres systèmes. Ce que certains nomment « autorégulation » est en réalité une obligation de simplification de la régulation en supprimant les variations de température intérieure compte tenu du peu de réactivité du système.

Par exemple, si le climat désiré dans le local est représenté par une plage entre 20 °C et 25 °C, alors le système visera souvent à maintenir une température intérieure constante de 23 °C pour limiter les variations et forcer un climat intérieur étant indépendant du climat extérieur.

Différentes raisons indiquent néanmoins qu’il ne faut pas se passer totalement d’une régulation :

l’augmentation de rendement de production via des températures d’eau faibles ou élevées;
la condensation liée à de faibles températures de l’eau et/ou au taux d’humidité élevé du local;
la gestion de l’intermittence pour l’économie d’énergie;
la destruction d’énergie si la dalle est surchargée.

Un découpage par zones thermiques homogènes

Une régulation par locaux individuels avec l’activation au cœur du béton n’est pas sensée, mais le réseau doit toutefois être partagé en zones homogènes en termes d’apports (soleil, occupants, équipements) afin de pouvoir affiner la régulation compte tenu des différences.

Le software de gestion de l’installation devrait être modifiable et optimisable : les différents paramètres, les intervalles de temps et de température ne devraient pas être programmés définitivement, mais adaptables manuellement. Généralement une optimisation ou une modification des règles de paramètres devrait encore être possible après la mise en service et durant le fonctionnement.

Pour la régulation il devrait être possible de modifier les paramètres suivants :

durée de service,
température de l’eau,
débits d’eau.

Régulation des heures de service

Un avantage de l’activation au cœur du béton est qu’il suffit dans de nombreux cas de refroidir activement pendant une partie de la journée. Dans ce cas une simple mise en circuit temporaire suffit.

Il peut être avantageux d’activer uniquement en dehors des heures d’utilisation (la nuit…). Il est alors possible de profiter de tarifs de courant moins coûteux pour les compresseurs de froid, de profiter de la température extérieure nocturne pour refroidir et de diminuer la consommation de la pompe de circulation.

De même, en cas de refroidissement supplémentaire via une installation à air, la machine de refroidissement ne doit pas être dimensionnée en fonction de la somme des besoins (activation au cœur du béton + installation à air), mais d’après le plus grand besoin.

Il faut toutefois veiller à ne pas faire fonctionner trop longtemps la dalle sous peine d’entrainer un sous-refroidissement et un inconfort en été.

Service intermittent

Des analyses ont montré qu’il est possible d’arrêter les pompes de circulation sans grande diminution de productivité (la pompe est arrêtée pendant 45 min ou 30 min par heure). Sur base de calculs de simulation dynamique, la température de la pièce est quasi la même, mais les dépenses d’énergie pour les pompes sont beaucoup plus faibles.

Pendant l’arrêt de la circulation (30 ou 45 min par heure), la chaleur dans le béton continue à circuler vers l’espace des tuyaux refroidis. Lors d’un nouveau démarrage du débit d’eau, une capacité de refroidissement proportionnellement plus importante se met en place grâce à la différence de température plus élevée eau-béton. Les variations de température dans le cœur du béton ne se répercutent presque pas jusqu’à la superficie des pièces en raison de l’inertie. C’est pourquoi la capacité de réfrigération reste sensiblement la même et que les interruptions dans le transport de chaleur/de froid n’ont pratiquement pas d’influence sur la pièce.

Gestion du risque de condensation

Avec un système de refroidissement dans la dalle, celle-ci étant plus froide que l’ambiance, il existe un risque de condensation sur la paroi. La condensation peut avoir pour conséquence le développement de moisissures sur certaines surfaces si la condensation se reproduit régulièrement. Si elle intervient sur un sol, le sol mouillé eut être glissant et donc dangereux pour les occupants.

Le risque de condensation est néanmoins limité vu le régime de température employé dans la dalle active. En cas de risque avéré, une déshumidification de l’air neuf hygiénique sera organisée dans le groupe de traitement d’air.

Comment réguler ?

Afin de réguler correctement une dalle active, il faut garder en tête que sa caractéristique principale est le déphasage entre la distribution de l’énergie et sa diffusion dans le local. On doit donc tenir compte de l’effet tampon et choisir le moment le plus efficace pour faire fonctionner la production. La complexité de régulation d’une dalle active nécessiterait de pouvoir prédire le climat extérieur et les charges internes afin d’optimiser le confort intérieur. C’est pourquoi on déconseillera le chauffage d’un bâtiment à l’aide de ce système tandis qu’on l’acceptera comme mode de refroidissement en fonction des possibilités de production à très haut rendement (freechilling et geocooling).

Pour réguler une dalle active, on peut jouer sur deux éléments :

Le débit d’eau;
La température de départ de l’eau.

La régulation doit à la fois permettre de maintenir le climat intérieur désiré et le faire de la manière la plus économique possible, sans détruire de l’énergie. La régulation dépendra donc également du mode de production de l’énergie.
Par exemple :

Il est possible de brûler du gaz à tout moment de la journée, mais des panneaux solaires ne peuvent rien alimenter durant la nuit.

Il est possible de refroidir en journée à l’aide d’un géocooling alors qu’avec un freechilling, on préférera refroidir durant la nuit.

Exemples

Ci-dessous on retrouve des exemples de conditions de régulation proposées par divers concepteurs. La diversité de propositions reflète les difficultés de régulation de ce système.

Exemple	Mode	Mise en marche du circulateur	Débit d’eau	Température de départ de l’eau
1.	Été	ON si T_{ext moy 48 h >}16 °C et de 20 h à 6 h	Constant : 13 kg/h/m²	Constant : 18 °C
2.	Été	ON tout le temps	Variable : 0 – 14 kg/h/m² de manière à maintenir Tsurface dalle = 20 °C	Constant : 15 °C
3.		ON si T_{ext moy 48 h >}14°C	Variable : 0 – 14 kg/h/m² de manière à maintenir T_{surface dalle} = 22 °C entre 7 h et 19 h et 19°C entre 19 h et 7 h	Constant : 15 °C
4.		ON si :	Variable : 0 – 14 kg/h/m² de manière à maintenir T_{surface dalle} = 23 °C	Variable :
	Été	– T_{ext moy 48 h >}14 °C		19 °C
	Hiver	– T_{ext moy 48 h <}12 °C		25 °C
5.	Été	ON si T_{ext >}15 °C	Constant : 12 kg/h/m²	Variable : loi d’eau 22 °C si Text = 15 °C 17 °C si Text = 30 °C
6.		ON tout le temps	Constant : 10 kg/h/m²	Variable :
	Été	– du 21/06 au 20/09		20 °C (de 21 h à 7 h)
	Automne Printemps	– du 21/09 au 20/12 et du 21/03 au 20/06		20 °C (de 17 h à 6 h)
	Hiver	– du 21/12 au 20/03		26 °C (de 6 h à 9 h)
	Un appoint en chaud et froid est disponible à l’aide de ventilo-convecteurs. Ils sont alimentés en eau chaude (50 °C) ou froide (7 °C) de 6h à 19h sur base d’un change-over en fonction de la demande du plus grand nombre.

Chaque exemple ci-dessus présente des lacunes en termes d’efficacité et pourrait être amélioré ; montrant par là qu’il n’y a, à l’heure actuelle, pas de solution de régulation universellement reconnue.

Voici différents commentaires pouvant être émis à propos de ces exemples :

Exemple 1 – Commentaires

En fonction des demandes du bâtiment, il est probable que refroidir quand la température moyenne des deux derniers jours dépasse 16 °C ne soit pas suffisant pour apporter le confort entièrement à l’aide de la dalle active. En effet, si on observe ci-dessous le parallèle entre la demande de refroidissement d’un bâtiment de bureau et la température extérieure à Uccle durant une année moyenne (Meteonorm), on remarque qu’un besoin de refroidissement existe quand la température extérieure moyenne sur 48 h est de 12 °C (avril, mai, septembre, octobre).

Exemple 2 – Commentaires

Faire fonctionner le circulateur de la dalle active en permanence n’est pas optimal en termes de consommation d’électricité. De plus, maintenir la surface de la dalle à 20 °C entraine un risque important de sous refroidissement de l’ambiance et donc un inconfort ou une destruction d’énergie si une fourniture de chauffage le compense.

Exemple 3 – Commentaires

Maintenir la surface de la dalle à 19 °C durant la nuit entraine un risque important de sous refroidissement et donc une destruction d’énergie si on relance le chauffage le matin. Toutefois, il n’est pas sûr de pouvoir atteindre une telle température compte tenu de l’inertie du système. Le temps d’arriver à cette consigne (19 °C), il est possible qu’elle ait changé (22 °C).

Exemple 4 – Commentaires

Chauffer et refroidir avec une dalle active présente un grand risque de destruction d’énergie. Le traitement continu empêche de profiter d’une période de mi-saison où le bâtiment serait confortable sans être refroidi ni chauffé.

Exemple 5 – Commentaires

Une régulation sur base de la température extérieure instantanée est incohérente par rapport au déphasage entre la distribution de l’énergie dans la dalle et son émission dans le local.

Exemple 6 – Commentaires

Les besoins d’énergie d’un bâtiment ne dépendent pas directement d’une date. Le climat varie chaque année. Il semble donc peu cohérent de réguler un système de chauffage et de refroidissement uniquement sur base d’un calendrier. Il faudrait au minimum réguler le mode de fonctionnement sur base de la température extérieure moyenne sur les deux derniers jours.

La pompe de la dalle active fonctionne quand la température de départ de l’eau n’est pas traitée et entraine une consommation électrique non négligeable tant que l’eau n’est pas totalement à température homogène. Il pourrait être intéressant de limiter le fonctionnement de la pompe de circulation sur base d’une durée maximale après arrêt du traitement de la température de départ de l’eau.

La durée de refroidissement via la dalle est plus courte en été qu’en automne et printemps (le reste restant identique). La quantité d’énergie à fournir en été est pourtant plus importante.

En hiver, la dalle est chargée de 6 h à 9 h alors que les ventilo-convecteurs sont en fonctionnement. L’énergie fournie à la dalle risque donc d’être source de surchauffe, car elle sera émise dans le local après qu’il ait déjà été chauffé par les ventilo-convecteurs. De plus, un risque de destruction d’énergie est présent puisque le bâtiment sera refroidi lorsque la majorité des ventilo-convecteurs passeront en demande de froid pour combattre la surchauffe due à la surcharge de chaud dans la dalle. Il faut donc tenir compte du déphasage et charger la dalle avec le décalage temporel correspondant.

Il faut empêcher l’émission de froid via les ventilo-convecteurs quand la dalle active est (ou était) en mode chaud ; Ainsi qu’empêcher l’émission de chaud via les ventilo-convecteurs quand la dalle active est (ou était) en mode froid et leur adjoindre une courbe de chauffe.

Le risque de destruction d’énergie et d’inconfort est d’autant plus grand que les occupants pourront régler à leur convenance la consigne (min et max) des ventilo-convecteurs.

Proposition de régulation de la température de l’eau

Sur base de l’analyse des exemples précédents, voici une proposition de régulation basée sur un débit fixe et le réglage de la température de départ de l’eau dans la dalle.

La régulation de la température de l’eau a plusieurs objectifs :

Favoriser un haut rendement de production d’énergie;
Fournir le confort attendu dans le bâtiment.

Postulats :

En mode « refroidissement », le rendement de production augmente généralement avec l’augmentation de la température d’eau.

Il est difficile de prédire les besoins futurs d’un bâtiment. En effet, il est impossible de prévoir à la fois, le climat extérieur (température et ensoleillement) et l’usage du bâtiment (occupants et équipements) de manière à prédire les besoins d’énergie à fournir au bâtiment.

Il n’y a pas de corrélation directe entre l’énergie à fournir et la température extérieure. En effet, si on regarde le graphe ci-dessous, on remarque que les besoins d’énergie ne sont pas constants pour une même température extérieure (exemple d’un bâtiment de bureau).

Objectif d’une régulation de la température de départ de l’eau dans le cas d’un refroidissement par dalle active

Compte tenu de ces postulats, il semble donc inutile de prévoir une loi d’eau fonction de la température extérieure dans le but d’adapter le climat intérieur du bâtiment. Le seul intérêt est donc de veiller à favoriser un haut rendement de production d’énergie. Il est donc préférable de privilégier une température d’eau proche de la température intérieure.
Pour le choix de la température de l’eau, il faut donc pouvoir dissocier les solutions sur base du contexte particulier des différents projets. On peut ainsi citer deux exemples :

Le cas d’une source froide pratiquement gratuite (seule la pompe de circulation consommant de l’énergie) à l’aide de sondes géothermiques ou d’une rivière.

Le cas d’une production d’eau froide à l’aide d’un compresseur si la source froide (par exemple l’air extérieur) n’est pas toujours suffisamment froide.

Dans le premier cas, on comprendra que le choix de la température de l’eau doit se faire de manière à minimiser le temps de fonctionnement des pompes puisque ce sont les seules consommations d’énergie. On pourra alors par exemple, travailler à température plus basse sur un temps plus court.

Dans l’autre cas, il s’agira de trouver un équilibre entre un temps de fonctionnement pas trop long et une température d’eau suffisamment élevée pour permettre une production d’eau froide à haut rendement.

Pistes de solution

Pour illustrer cette recherche d’équilibre, voici des pistes de solution issue de simulations thermiques dynamiques d’un immeuble de bureau refroidi par dalle active alimentée par de l’eau froide produite par un groupe de production d’eau glacée (source : MATRIciel) :

Compte tenu du mode de refroidissement, il est préférable de fonctionner la nuit de 22 h à 6 h quand la température extérieure est la plus faible donc le rendement de production est le plus élevé. Il faut veiller à ne pas commencer trop tôt, car la température peut être encore élevée en soirée et on risque de refroidir trop longtemps.

Il est également préférable de refroidir uniquement quand la température moyenne extérieure dépasse une limite de 10 à 14 °C – 12 °C semblant un optimum, mais celui-ci peut varier suivant les bâtiments (cfr le graphique, présenté précédemment, montrant la demande de refroidissement en regard de l’évolution de la température moyenne des deux derniers jours).

On observe qu’une loi d’eau fonction de la température extérieure n’est pas intéressante, car si on se limite à ces conditions de fonctionnement, la température extérieure varie peu et on finit par avoir une loi d’eau dont l’inclinaison est très faible. Une température constante est donc privilégiée en mettant l’importance sur le temps et le moment du fonctionnement.

Il ressort des résultats de l’étude qu’utiliser une température de départ de 18°C est généralement trop froid et entraine un sous-refroidissement tandis qu’une température de départ de 22°C n’est pas suffisante en terme de confort et entraine un risque de surchauffe plus important.

Ainsi l’optimum intervient quand on envoie de l’eau à 20 °C de 22 h à 6 h quand la température moyenne extérieure (sur 48h) dépasse 12 °C.

Toutefois, si le confort n’était pas atteint, il est possible :

De compenser le manque de refroidissement durant la nuit par un fonctionnement en journée uniquement quand la température moyenne extérieure (sur 48 h) dépasse, par exemple, 18 °C ;

D’augmenter le fonctionnement durant la nuit en déchargeant la dalle dès que la température moyenne extérieure (sur 48 h) dépasse 10 °C (au lieu de 12 °C).

Enfin, il est également possible de réguler sur base de la température moyenne de l’eau dans le circuit avec une consigne finalement proche de celles proposées pour la température de départ étant donné qu’avec le débit imposé, la différence de température entre le départ et le retour est relativement faible.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir l’autoclave

Forme de la cuve

Energétiquement parlant, la forme extérieure de la cuve est un élément intéressant à développer. A première vue, la question suivante paraît stupide :

« Pour un volume de chambre de stérilisation et de double enveloppe donné, quelle est la forme extérieure la plus déperditive : le cylindre ou le parallélépipède rectangle ? »

Faisons rapidement le calcul.

On a :

le volume utile de chambre V_utch = (1 x 1 x 1) [m³] (H x L x P);
le côté de la chambre C_ch = 1 [m]
le volume de double enveloppe V_de = 0.05 [m³];

Hypothèses :

on ne tient pas compte des épaisseurs de paroi.

On cherche à savoir quelles sont les surfaces de déperdition de la double enveloppe dans chacun des cas :

> pour le parallélépipède

le côté C_de est déterminé par la relation suivante: C_de² x P – V_de = V_utch

C_de x 1 = (V_de+ V_ch)^1/2= (1 + 0.05)^1/2 = 1,025 [m]

la surface déperditive est donnée par la relation suivante: S_de = 4 x C_de x 1

S_de = 4 x 1,025 = 4,1 [m²]

> pour le cylindre

le côté C_de est déterminé par la relation suivante :π x D_de² / 4 x 1 – V_de = V_ch
le volume de la chambre, compte tenu de la perte de volume due à la forme cylindrique de la paroi interne par rapport au volume parallélépipédique :

V_ch = π x D_ch^² / 4 x P = π x 2 / 4 = 1,57 [m]

avec D_ch = C_ch x 2^1/2 = 2^1/2

le diamètre de la double enveloppe :

D_de = ((V_de+ V_ch) x 4 / π)^1/2= ((1,57 + 0.05) x 4 / π)^1/2 = 1,44 [m]

la surface déperditive est donnée par la relation suivante : S_de = π x D_de x P

S_de = 3,14 x 1,44 = 4,5 [m²]

Pour une même déperdition, le rapport entre les deux surfaces déperditives est de 4,1 / 4,5 = 0,9.

Configuration cylindrique

(+)

l’enveloppe cylindrique supporte mieux la mise sous pression des parois;
si la paroi interne cylindrique de la cuve n’influence que très peu le volume utile de la charge à stériliser, l’enveloppe extérieure cylindrique offre moins de surface déperditive que la parallélépipédique (réduction de 11 % des pertes calorifiques);
…

(-)

si la paroi interne cylindrique de la cuve influence le volume utile de la charge (chargement horizontal dans des paniers DIN parallélépipédiques), l’enveloppe cylindrique offre plus de surface déperditive que la parallélépipédique (9 %);
mise en œuvre plus compliquée;
…

Configuration parallélipipédique

(+)

Pour une même capacité utile de stérilisation, le simple choix d’une double enveloppe parallélépipédique plutôt que cylindrique réduira les déperditions calorifiques de 9 %.
mise en œuvre technique plus simple;
…

(-)

la tenue à la pression interne des enveloppes parallélépipédiques est moins bonne que des cylindriques et nécessite de placer des raidisseurs;
de part la présence de renforts sur la paroi extérieure, l’enveloppe est plus difficile à isoler thermiquement;
…

Isolation de la cuve

Au niveau du constructeur, l’isolation des parois de la double enveloppe est conditionnée par le risque de brûlure au contact des parois chaudes. On parle régulièrement de températures de paroi de 45 à 50 °C. Cette valeur de température permet au constructeur de calculer l’épaisseur d’isolant à placer sur l’enveloppe extérieure.

Exemple.

Soit un stérilisateur effectuant un cycle à 134 °C. On peut considérer que le métal conduit très rapidement la chaleur et établisse une température de paroi extérieure de l’ordre de 134°C.

Calculs

Pour en savoir plus sur le calcul de la température de paroi.

Si dans le module de calcul on introduit une épaisseur d’isolant de 2 cm de laine minérale, la température de paroi est de l’ordre de 44 °C.

Dans la pratique, le constructeur isolera les parois extérieures au minimum, juste pour éviter les risques de brûlure. Sur le plan énergétique, il pourrait faire mieux en augmentant l’épaisseur d’isolant afin de réduire les déperditions qui risquent d’être importantes au vu de l’exemple suivant.

Exemple.

Un constructeur annonce des déperditions en régime stable pour un stérilisateur de 8 STE (8 paniers stériles de 600x300x300 mm), effectuant un cycle normalisé selon la norme EN 285; soit 6 kg d’ustensiles par panier et 134 °C – 4 minutes lors de la phase plateau de stérilisation, de l’ordre de :

2100 W de la ligne de distribution de vapeur, de la double enveloppe, …
500 W au niveau des portes fermées et 1 400 W portes ouvertes.
800 W au niveau du générateur de vapeur.

Les déperditions annoncées sont importantes sachant que ce même constructeur annonce une épaisseur d’isolant de laine minérale comprise entre 3 et 8 cm.

En introduisant différentes valeurs d’épaisseur d’isolant dans le module de calcul des déperditions d’un volume simplifié cylindrique ou parallélépipédique avec les données suivantes :

Un volume de 6,2 m³ (valeur approchée du volume de la chambre de stérilisation dans l’ambiance technique sans compter les portes qui donnent dans l’ambiance de travail).
La paroi interne est portée à une température de 134 [°C].
L’ambiance autour du cylindre doit rester à 28 [°C].
Le coefficient d’échange superficiel a été pris égal à 10 [W/K.m²] (source AICVF).

On en retire sur le graphique suivant les valeurs des températures des parois et les déperditions :

Calculs

Pour en savoir plus sur le calcul de la température de paroi,

On en déduit que pour une épaisseur de 2 cm de laine minérale les déperditions sont de l’ordre de 1 213 [W] pour une température de paroi externe de 44 [°C].

Le constructeur annonçant des épaisseurs d’isolant (3-8 cm) et des déperditions (2 100 W) plus importantes que celles déterminées par le module de calcul, il est nécessaire d’être prudent dans le choix des paramètres :

De la surface de déperdition (une enveloppe parallélépipédique est renforcée par des raidisseurs qui agissent comme autant d’ailettes de déperdition et empêchent une isolation correcte de l’ensemble de la surface).
Du coefficient d’échange superficiel qui varie beaucoup selon que l’ambiance de l’espace technique est ventilée de manière forcée ou pas.

De plus, beaucoup de tuyauteries et de vannes sont connectées à la cuve de stérilisation et augmentent artificiellement la valeur de la surface déperditive. Ces équipements techniques, dans la pratique étant difficiles à isoler, il ne faut pas s’étonner d’arriver à des puissances de déperdition de l’ordre de 2 100 [W].

L’impact de l’épaisseur de l’isolant est important et influencera le choix de la ventilation de l’espace technique. En général, ce sont des espaces surchauffés, mal ventilés, jouant à terme des tours à l’électronique de régulation des stérilisateurs. Pour cette raison, la réaction habituelle est de prévoir une extraction vers l’extérieur.

Pensez d’abord à prévoir une isolation correcte des équipements !

Ensuite, pourquoi ne pas prévoir dans le projet une valorisation des calories produites par les déperditions résiduelles par leur réinjection durant les périodes froides dans des espaces à proximité ne nécessitant pas une qualité d’air semblable à celle d’une stérilisation centrale (quais fournisseurs par exemple).

Malheureusement, pendant les périodes chaudes (mais heureusement limitées), les calories devront être extraites de la zone technique vers l’extérieur.

Isolation des portes

Les portes, que ce soit du côté propre ou stérile, sont des parois déperditives qui risquent dans la plupart des cas de nuire au confort des occupants; elles conduisent souvent à la revendication de climatisation des zones de travail. Mais il est difficile, dans ce cas, de demander au constructeur d’augmenter son épaisseur d’isolant et, par conséquent, son épaisseur de porte (d’autres contraintes techniques limitent la marge de manœuvre).

La limitation des déperditions sera plutôt recherchée dans la gestion des temps d’ouverture des portes. En effet :

Le constructeur, pris dans l’exemple ci-dessus, évalue les déperditions au travers des portes à 500 W par stérilisateur. Dans le cas d’une stérilisation centrale équipée de 4 stérilisateurs, les déperditions montent à une valeur de 2 000 W été comme hiver.
Lorsque les portes sont ouvertes, le constructeur annonce une envolée des déperditions de 500 W à 1 400 W par stérilisateur.

On voit bien la nécessité, lors du projet de conception, de prévoir dans le cahier des charges la possibilité via une commande spéciale au niveau de l’automate de refermer les portes le plus rapidement possible après la sortie de la charge stérile.

Tout dépend aussi de la surcharge de travail des utilisateurs. On voit régulièrement en zone stérile des portes ouvertes pendant un certain temps car personne n’est disponible pour décharger l’autoclave. Une amélioration consiste à placer un déchargement automatique avec fermeture directe des portes après la sortie de la charge.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Machine frigorifique à compression [Froid alimentaire]

L’installation frigorifique, vue de l’extérieur

Côté utilisation

Dans les installations de réfrigération, la machine frigorifique permet d’évacuer vers l’extérieur la chaleur excédentaire des applications telles que les chambres et les meubles frigorifiques, les ateliers de boucherie, … qui subissent en permanence des agressions thermiques dues :

aux apports internes au magasin tels que les éclairages, l’occupation, la proximité de four à pain, …

via l’enveloppe du magasin, aux apports externes en température, humidité, ensoleillement, …

En pratique, la machine frigorifique agit de telle sorte que le bilan chaud-froid soit à l’équilibre et que la température de consigne soit maintenue au sein des applications sans interrompre, à un seul moment, la chaîne du froid.

La technique la plus simple consiste à extraire la chaleur des ambiances à réfrigérer au moyen d’un fluide frigorigène. En général, l’échange thermique entre les denrées et le fluide frigorigène s’effectue au travers d’un évaporateur par :

Par conduction au travers d’une plaque métallique (présentoir à poisson par exemple).
Par convection naturelle de l’air entourant les denrées (vitrines à produits laitiers, …).
Par convection forcée de l’air mis en mouvement par des ventilateurs (meubles frigorifiques ouverts ou fermés).

Convection naturelle.
Conduction au travers d’une plaque inox (étal à poissons).
Convection forcée.

Côté production et distribution

Pour le groupe frigorifique, on distingue deux modes principaux d’action :

Soit le fluide frigorigène refroidit l’air en passant directement dans la batterie de refroidissement : on parle de « système à détente directe » parce que l’évaporateur de la machine frigorifique est placé directement dans l’enceinte à refroidir. Ce type de configuration est le plus courant que ce soit dans les commerces de détail, les moyennes et les grandes surfaces.

Installation en détente directe pour les supermarchés par exemple.

Installation en détente directe pour les commerces de détail.

Soit, l’installation frigorifique prépare de l’eau froide glycolée à …- 10 °C par exemple… ou du CO₂(généralement appelée « boucle frigoporteur« ), fluide frigoporteur qui alimentera la batterie de refroidissement de l’enceinte à refroidir.

Installation par boucle frigoporteur (eau glycolée par exemple pour les installations importantes.

La distribution du froid revêt toute son importance pour les grandes installations (supermarché, hypermarchés) nécessitant une charge frigorifique importante.
Une distribution de taille importante en détente directe :

représente un risque au niveau des fuites de quantité non négligeable de fluide frigorigène;
ne demande pas d’investissements importants;
…

Une distribution de taille importante avec boucle de fluide frigoporteur :

Pour tous les types de fluide frigoporteur secondaire, réduit avantageusement la quantité de fluide frigorigène ayant une influence sur la couche d’ozone et l’effet de serre, vu qu’il est confiné dans un circuit primaire à faible charge.
Pour l’eau glycolée, est très coûteuse à l’investissement puisqu’il nécessite un réseau de conduites de diamètre et des débits d’eau importants vu que le transfert de chaleur de l’eau glycolée est faible (de l’ordre de 20 KJ/kg).
Pour le CO₂, est très coûteuse à l’investissement vu qu’il nécessite pour des applications à -10°C, par exemple, des équipements résistant à des pressions de l’ordre de 26 bar dans des espaces publics (dans l’enceinte même du magasin).
…

Côté évacuation de la chaleur

Bien sûr, « produire du froid » sous-entend évacuer de la chaleur. Aussi, à l’extérieur du bâtiment, souvent en toiture, on trouvera un équipement chargé de refroidir :

soit le fluide frigorigène directement : c’est le condenseur de l’installation frigorifique.
soit de l’eau, qui elle-même sert à refroidir le fluide frigorigène : c’est la tour de refroidissement (plus souvent utilisé en climatisation).

On distingue trois types de condenseur :

Le condenseur à air classique

Un ventilateur force le passage de l’air extérieur entre les ailettes du condenseur assurant un échange de chaleur du fluide frigorigène circulant dans les tuyaux vers l’air. La chaleur de condensation des fluides frigorigènes étant importante, les débits d’air peuvent être conséquent et les consommations des ventilateurs non négligeables.

Le condenseur évaporatif

Ce type de condenseur, est basé sur le principe des tours de refroidissement fermées, à la différence près que le fluide frigorigène est directement refroidi sans passer par l’intermédiaire d’un circuit d’eau secondaire. Dans le condenseur évaporatif, une seule partie de l’eau pulvérisée est évaporée. Il combine donc l’échange thermique par chaleur sensible et chaleur latente.

Le condenseur adiabatique

Il se différencie du condenseur évaporatif par sa fonction de pré-refroidissement adiabatique de l’air entrant (on s’arrange pour que toute l’eau imbibée dans les « matelas » s’évapore en refroidissant l’air. Cet air, à son tour, vient refroidir le fluide frigorigène par chaleur sensible.

Pour davantage d’informations :

Techniques

Pour connaître la technologie des condenseurs.

L’installation frigorifique, vue de l’intérieur

Le transfert de chaleur, entre intérieur et extérieur, ne peut se faire que si un équipement rehausse le niveau de température entre le milieu où la chaleur est prise (air ou eau) et le milieu où la chaleur est évacuée (air extérieur), c’est le rôle de la machine frigorifique.

Elle se compose au minimum des 4 éléments suivants :

1 évaporateur
1 condenseur
1 compresseur
1 détenteur

Voici le fonctionnement de chacun de ces composants.

Tout est basé sur les propriétés physiques du fluide frigorigène

La machine frigorifique est basée sur la propriété des fluides frigorigènes de s’évaporer et de se condenser à des températures différentes en fonction de la pression.

Pour expliquer le fonctionnement, nous prendrons les caractéristiques du R 22 parce c’est le fluide encore le plus couramment utilisé en froid alimentaire. Mais ce n’est plus celui que l’on choisira dans les installations nouvelles.

A la pression atmosphérique

Le R22 est liquide à – 45 °C et se met à « bouillir » aux alentours de – 40 °C.

Si du fluide R 22 à – 45 °C circule dans un serpentin et que l’air à 20 °C passe autour de ce tuyau, l’air se refroidira : il cédera sa chaleur au fluide qui lui s’évaporera. C’est le rôle de l’évaporateur de la machine frigorifique.

A la pression de 13 bars

Cette fois, le R 22 ne va « bouillir » qu’à 33 °C. Autrement dit, si de la vapeur de fluide à 13 bars et à 65 °C circule dans un serpentin et que de l’air à 20° C passe autour de ce tuyau, le fluide se refroidira et à partir de 33 °C, il se liquéfiera, il se condensera. En se condensant, il va libérer énormément de chaleur. C’est le rôle du condenseur de la machine frigorifique.

Si l’on souhaite donc que le fluide puisse « prendre » de la chaleur : il doit être à basse pression et à basse température sous forme liquide, pour lui permettre de s’évaporer.
Si l’on souhaite qu’il puisse céder sa chaleur : il doit être à haute température et à haute pression, sous forme vapeur, pour lui permettre de se condenser.

Pour réaliser un cycle dans lequel de la chaleur est extraite d’un côté et donnée de l’autre, il faut compléter l’installation par 2 éléments :

Le compresseur, qui comprime le gaz en provoquant l’augmentation de température jusqu’à + 65 °C.
Le détendeur, qui, au départ d’un fluide à l’état liquide, « lâche » la pression : le fluide se vaporise partiellement et donc se refroidit. Le liquide retombe à la température de – 40 °C (bien sûr, on choisira – 40 °C pour faire de la congélation, et entre 0°C et + 5 °C pour de la climatisation).

Si ces différents équipements sont bouclés sur un circuit, on obtient une machine frigorifique.

En pratique, suivons le parcours du fluide frigorigène dans les différents équipements et repérons le tracé de l’évolution du fluide frigorigène dans le diagramme des thermodynamiciens, le diagramme H-P, enthalpie (ou niveau d’énergie) en abscisse et pression en ordonnée.

Dans l’évaporateur

Le fluide frigorigène liquide entre en ébullition et s’évapore en absorbant la chaleur du fluide extérieur. Dans un deuxième temps, le gaz formé est encore légèrement réchauffé par le fluide extérieur, c’est ce qu’on appelle la phase de surchauffe (entre 7 et 1).

Fonctionnement de l’évaporateur.

Dans le compresseur

Le compresseur va tout d’abord aspirer le gaz frigorigène à basse pression et à basse température (1). L’énergie mécanique apportée par le compresseur va permettre d’élever la pression et la température du gaz frigorigène. Une augmentation d’enthalpie en résultera.

Fonctionnement du compresseur.

Dans le condenseur

Le gaz chaud provenant du compresseur va céder sa chaleur au fluide extérieur. Les vapeurs de fluide frigorigène se refroidissent (« désurchauffe »), avant l’apparition de la première goutte de liquide (point 3). Puis la condensation s’effectue jusqu’à la disparition de la dernière bulle de vapeur (point 4). Le fluide liquide peut alors se refroidir de quelques degrés (sous-refroidissement) avant de quitter le condenseur.

Fonctionnement du condenseur.

Dans le détendeur

La différence de pression entre le condenseur et l’évaporateur nécessite d’insérer un dispositif « abaisseur de pression » dans le circuit. C’est le rôle du détendeur. Le fluide frigorigène se vaporise partiellement dans le détendeur pour abaisser sa température.

Fonctionnement du détendeur.

Fonctionnement complet

Le cycle est fermé, le fluide frigorigène évolue sous l’action du compresseur dans les quatre éléments constituant la machine frigorifique.

Cycle frigorifique élémentaire.

L’ensemble du cycle peut être représenté dans le diagramme enthalpie-pression. Sous la courbe en cloche se situent les états de mélange liquide-vapeur; à gauche de la cloche, le fluide est à l’état liquide (il se « sous-refroidit »), à droite, le fluide est à l’état vapeur (il « surchauffe »).

Diagramme enthalpique du cycle frigorifique.

Un fonctionnement de la machine frigorifique en équilibre permanent

Le cycle réel de fonctionnement d’une machine frigorifique se stabilise à partir des températures du milieu qu’il faut refroidir, de l’air extérieur où la chaleur est rejetée, et des caractéristiques dimensionnelles de l’appareil.

Ainsi, la température d’évaporation se stabilisera quelques degrés en dessous de la température du fluide refroidi par l’évaporateur. De même, la température de condensation se stabilisera quelques degrés au-dessus de la température du fluide de refroidissement du condenseur.

Or, les besoins de froid évoluent en permanence et la température extérieure varie toute l’année !

Tout cela va bien sûr entraîner une modification du taux de compression et une variation de la puissance absorbée. En fonction du régime d’évaporation et de condensation, le compresseur aspirera un débit masse plus ou moins grand de fluide frigorigène définissant ainsi la puissance frigorifique à l’évaporateur et calorifique au condenseur.

Exemple

Afin d’imaginer ces évolutions, partons d’un cas concret.

Évaporateur

Evolution des fluides dans l’évaporateur.

Le meuble frigorifique fonctionne au régime 0 – 5 °C. L’échange de chaleur s’effectue en deux phases :

ébullition du fluide;
surchauffe des vapeurs.

La température d’évaporation qui s’établit est de – 5 °C. Dans le cas du R134a, ceci correspond à une basse pression de 1,4 bar (lecture du manomètre), soit 2,4 bar absolu (comparé au vide).

Condenseur

Evolution des fluides dans le condenseur.

Le condenseur est directement refroidi par l’air extérieur. Supposons que celui-ci entre à 30 °C dans le condenseur. L’échange de chaleur s’effectue en trois phases :

désurchauffe des gaz chauds provenant du compresseur,
condensation du fluide,
sous-refroidissement du liquide.

La température de condensation qui s’établit est de 40 °C. Dans le cas du R 134a, ceci correspond à une haute pression de 9,1 bar, soit 10,1 bar absolu.

Analysons le comportement du compresseur sur base des caractéristiques nominales données par le fournisseur.

Extrait d’un catalogue de compresseurs.

On constate que pour une température d’évaporation de – 5 °C et pour une température de condensation de 40 °C,

la puissance électrique absorbée par le compresseur sera de 6 kW,
la puissance frigorifique donnée à l’évaporateur sera de 17 kW.

Remarque : en réalité, une adaptation de quelques pour cent devrait avoir lieu, car le constructeur fournit des indications pour un fonctionnement normalisé de son appareil (surchauffe de 0K, sous-refroidissement de 25 K selon DIN 8928 et bientôt la CEN) mais ceci dépasse la portée de ces propos.

Supposons à présent que le condenseur soit mal entretenu. L’échange de chaleur se fait moins bien, la température au condenseur augmente, le compresseur va travailler davantage et va augmenter la pression de sortie des gaz. Une nouvelle température de condensation va s’établir : supposons qu’elle atteigne une température de 50°C. Comme la température du liquide s’élève à l’entrée du détendeur, la température d’évaporation s’élève également de 1 ou 2°. Le diagramme constructeur prévoit une augmentation de la puissance électrique absorbée : 6,5 kW, pour une puissance frigorifique diminuée : 14,2 kW…

Le « rendement » de la machine s’est dégradé :

AVANT : (17 kW produits) / (6 kW absorbés) = 2,8.
APRES : (14,2 kW produits) / (6,5 kW absorbés) = 2,1.

On dira que « l’efficacité énergétique » de la machine frigorifique a diminué de 25 %. À noter que l’on serait arrivé au même résultat si la température extérieure s’était élevée de 10°.

L’efficacité énergétique ou COP-froid

Un climatiseur est énergétiquement efficace s’il demande peu d’énergie électrique au compresseur pour atteindre une puissance frigorifique donnée.

En comparant les offres, on établit le rapport entre puissance frigorifique fournie et puissance électrique absorbée par le compresseur.
Remarques.

Il ne faut pas confondre COPfroid et COPchaud ! Le COPchaud est le rapport entre l’énergie thermique délivrée au condenseur et l’énergie électrique demandée par le compresseur (c’est un terme qui vient de l’évaluation du rendement d’une pompe à chaleur). Alors que le COPfroid part de la chaleur captée à l’évaporateur. La confusion étant fréquente, il n’est pas inutile lorsque l’on compare le rendement des machines dans les documentations de constructeurs, de vérifier ce qui se trouve derrière l’appellation COP.
Il est intéressant de s’inquiéter également de l’efficacité globale de la machine frigorifique installée, c’est à dire du rapport entre le froid produit et l’ensemble de toutes les consommations électriques engendrées, y compris les ventilateurs aux échangeurs, les pompes… Une machine frigorifique, avec une efficacité excellente, placée sur le toit d’un immeuble de plusieurs étages, peut voir son efficacité fortement chuter si la machine est placée en cave et que le condenseur est refroidi via un gainage d’air traversant les étages ! La consommation du ventilateur sera importante dans le bilan final.
Il est très important de se rendre compte que l’énergie mécanique des ventilateurs et des pompes se dégradera en chaleur. Cette chaleur vient en diminution de la puissance frigorifique pour les éléments du côté froid. Ce n’est donc pas seulement le COP ou l’EE qui se dégradent par la consommation électrique supplémentaire, c’est aussi la puissance frigorifique qui diminue.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Gestion centralisée de l’éclairage

Principe de gestion centralisée

La sensibilité par rapport à l’utilisation rationnelle de l’énergie (URE) est très variable d’un occupant à l’autre. Force est de constater que la priorité de l’occupant est légitimement d’assurer son confort visuel ! Néanmoins, un gros effort reste à accomplir dans sa conscientisation à autogérer son éclairage en vue de réduire la consommation d’électricité. En effet :

En période d’occupation, pour les locaux qui ont un accès à la lumière naturelle, il n’est pas toujours nécessaire d’y associer un éclairage artificiel.

En période d’inoccupation, l’éclairage de confort visuel doit être éteint.

A la décharge de l’occupant, en période d’occupation diurne, une gestion simple dans notre chère Belgique s’apparente souvent à un parcours du combattant. En effet, la gestion de l’occupation est très souvent liée à :

La gestion du flux lumineux en fonction de la lumière naturelle. Chez nous, la variabilité du niveau d’éclairement de la lumière naturelle est très importante à l’est, l’ouest et au sud. Elle est plus stable au nord. Le contrôle du flux lumineux dans un local occupé avec fenêtre est la plupart du temps en manuel (interrupteur ON/OFF ou avec gradateur ou « dimmer »). Lorsque la luminosité au niveau de la baie vitrée varie beaucoup dans le temps, sans changer quoi que ce soit au niveau de l’éclairage, l’inconfort visuel devient vite important : l’occupant ne se lève pas toutes les 2 minutes pour allumer et éteindre !

La gestion d’une protection solaire.

Là où la complexité devient importante, c’est lorsqu’il faut gérer le confort lumineux en même temps que le confort thermique et le confort respiratoire comme par exemple la gestion de l’éclairage avec la gestion :

de la protection solaire en fonction du niveau d’irradiation solaire de la baie vitrée ;
de la boîte VAV (Variable Air Ventilation) de contrôle de débit de ventilation d’une salle de réunion en fonction de la présence d’occupant ou pas dans celle-ci ; la détection de présence étant assurée par le détecteur servant à l’éclairage du local ;
…

Y arriver, sans l’aide d’automatisme de complexité variable, est souvent une source de démobilisation des occupants vis-à-vis de leur responsabilisation énergétique (URE). C’est une des raisons pour laquelle les gestionnaires de bâtiments de moyenne et de grande taille investissent dans « l’immotique« . En effet, à cette échelle de bâtiment, l’investissement peut se révéler plus rentable que pour un bâtiment de petites dimensions.

Gestion globale de l’éclairage

Gestion classique

Une installation d’éclairage traditionnelle raccorde les luminaires et les commandes par un réseau de câbles défini une fois pour toutes.

Commande traditionnelle.

Gestion par bus de communication

Les récents développements ont ouvert de nouvelles possibilités : tous les équipements sont connectés en parallèle sur un même bus de communication, chaque lampe, chaque interrupteur ayant une adresse informatique propre.

Commande par bus de communication.

L’architecture de ces nouveaux systèmes se caractérise par:

un contrôle local par groupes des luminaires, librement défini par l’utilisateur (zones distinctes) ;
une gestion centralisée de l’éclairage (management).

La gestion centralisée de l’éclairage reçoit des signaux provenant de différentes sondes, par exemple de cellules photoélectriques ou de détecteurs de présence.

Ce type d’installation permet un enregistrement préalable (dans la mémoire de l’unité de gestion) de scénarios lumineux, comme par exemple la mise en service automatique de différents groupes de luminaires, à certaines heures de la journée.

De par le développement exponentiel de « l’immotique » des standards se sont développés. En commande et gradation des luminaires, les standards DALI et KNX s’imposent.

(+++) Avantages
Très grande flexibilité au niveau de la commande des luminaires. Il n’y a plus de lien entre le circuit de puissance et le circuit de commande. Les circuits verticaux dans les cloisons peuvent être réduits ou n’existent plus. Dans certaines configurations, les commandes ne se font plus par câble, mais par un signal infrarouge ou radio (technologie EnOcean par exemple). En cas de modification des locaux, d’un déplacement des parois par exemple, il suffit de recomposer les groupes de luminaires commandés par simple programmation de l’unité centrale de gestion (on modifie les adresses des luminaires commandés par l’interrupteur) ; aucune modification des câbles et des connexions électriques n’est nécessaire.

Permets d’enregistrer beaucoup d’informations utiles pour la gestion énergétique et la maintenance des sources lumineuses (heures de fonctionnement, habitudes des utilisateurs, consommation énergétique et détection des dérives, …). Ces informations, exploitées correctement, conduiront à des économies d’énergie supplémentaires, ainsi qu’à un meilleur confort visuel.

(—) Inconvénients
Systèmes exigeant un investissement initial élevé. Les circuits de puissance et de commande sont séparés, ce qui demande un grand nombre de connexions et donc un câblage sur chantier important.

Le protocole DALI

Rien à voir avec Salvador ! DALI est un protocole de communication dédié exclusivement à la gestion d’éclairage.

DALI (Digital Addressable Lighting Interface) est une interface standard développée et soutenue par différents grands constructeurs de ballasts électroniques. DALI permet de gérer, commander et réguler numériquement une installation d’éclairage par l’intermédiaire d’un bus de communication deux fils communément appelé « ligne DALI ».

Fini, en théorie, les soucis de compatibilité d’équipement !

En effet, quels que soient les composants de l’installation d’éclairage :

un détecteur de présence,
une cellule photo électrique,
un bouton poussoir,
un interrupteur gradable à mémoire,
un ballast électroniques,
…

et pour autant qu’ils possèdent l’appellation DALI, toutes marques confondues, ils sont capables de communiquer entre eux via la ligne DALI.
Mais qu’apporte exactement DALI ?
> Une gestion flexible de l’éclairage par :

un adressage individuel des ballasts électroniques, et par conséquent des luminaires,
la facilité de découper les espaces en zone indépendante,
la simplicité de programmation, de modification de programmation sans devoir intervenir physiquement sur l’installation.

> Un confort et une simplicité :

de mise à disposition de multiples scénarios de commande et de gestion pour l’utilisateur et le gestionnaire technique,
de mise en œuvre pour le maître d’œuvre.

> Une compatibilité avec les systèmes domotiques et les GTC (Gestion Technique Centralisée).

Exemple.

Soit 5 groupes de luminaires reliés entre eux par un bus de communication DALI :

Les alimentations 220 V des luminaires peuvent être indépendantes l’une de l’autre. Vu que chaque luminaire a sa propre adresse , ils peuvent être commandés séparément ou en groupe à partir du boîtier de commande DALI via le bus DALI.

Le boîtier de commande est programmable comme un automate traditionnel avec des fonctions:

de temporisation;
d’horloge;
de commande directe;
…

Les entrées sont reliés aux organes de commande tels que les boutons poussoirs, les sondes photométriques, les télécommandes, …

Les sorties se font sur le bus de communication DALI et commandent ou régulent les ballasts des luminaires.

Dans le cas de locaux avec vitrage, chaque luminaire peut être régulé séparément en fonction de sa position dans le local et suivant l’apport externe de lumière naturelle.

Cette régulation s’opère à partir :

d’une sonde photométrique unique via le bus de communication;
ou directement à partir d’une sonde placée sur le luminaire et communiquant avec le ballast DALI.

Le protocole KNX

Une proportion de plus en plus grande de constructeurs, gravitant autour de l’éclairage et de sa gestion, adhère à un protocole commun de communication ; c’est le KNX (ISO-IEC 14543-3), le successeur du bus EIB (European Installation Bus).

Il s’agit d’un protocole de communication commun à différents équipements tant au niveau de l’éclairage comme les boutons-poussoirs, les détecteurs de présence, … qu’au niveau HVAC (Heating Ventilation, Air Conditioning) comme les vannes motorisées, les moteurs de protection solaire, …

Bus caractéristique EIB/KNX.

Les différents adhérents peuvent, par ce biais, bénéficier d’un moyen de communication commun utilisant un outil de configuration commun ETS (nécessiter d’acheter la licence).

Cela permet une gestion globale de l’éclairage, due l’ HVAC et de la thermique du bâtiment.

Gestion globale de l’éclairage, du HVAC et de la thermique du bâtiment

Une gestion plus globale de l’éclairage, des équipements HVAC et de la thermique du bâtiment peut être réalisée avec des technologies issues des automates programmables industriels. Ceux-ci sont souples et adaptables à toutes sortes de problématiques, tel que l’on en rencontre en automation industrielle :

Ils sont meilleur marché à capacité d’entrées/sorties égales grâce à leur fabrication en grande série.

Leur protocole de communication a été standardisé, si bien qu’il est possible de connecter des marques différentes. Souvent, aucune interface de communication n’est nécessaire entre les équipements et l’automate.

L’évolution et le remplacement de certains composants de l’installation n’impliquent pas la remise en cause de toute l’installation existante.

Cette solution possède cependant sa propre limite : étant ouverte à de multiples applications, elle n’est pas préprogrammée pour la gestion de l’éclairage et des autres équipements. Cela suppose donc une connaissance du langage de programmation de l’automate et une recherche pour la mise au point du programme : on peut faire appel à des intégrateurs.

Études de cas

Découvrez ces exemples de gestion de l’éclairage : les moulins de Beez et l’éclairage d’une salle omnisports.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Ventilateurs

Types de ventilateur

Classification 1 : en fonction de la direction de l’air pulsé

Les ventilateurs axiaux ou hélicoïdes : l’air est aspiré et propulsé parallèlement à l’axe de rotation du ventilateur.

Les ventilateurs radiaux ou centrifuges : l’air est aspiré parallèlement à l’axe de rotation et propulsé par force centrifuge perpendiculairement à ce même axe. Il existe des ventilateurs à aubes recourbées vers l’avant (à aubages avant), à aubes recourbées vers l’arrière (à aubages arrière) ou à aubes radiales. Il existe aussi des ventilateurs centrifuges à deux ouïes d’aspiration. Ces roues plus larges, parfois composées de deux roues simple ouïe accolées, aspirent l’air de chaque côté de la roue.

Les ventilateurs tangentiels : l’air est aspiré et refoulé perpendiculairement à l’axe de rotation.

Ventilateur axial et ventilateur centrifuge.

Classification 2 : en fonction de la pression

Ventilateur basse pression	Δp < 1 500 Pa
Ventilateur moyenne pression	1 500 Pa < Δp < 3 600 Pa
Ventilateur haute pression	3 600 Pa < Δp < 10 000 Pa
(Compresseur)	(Δp > 10 000 Pa)

Les ventilateurs axiaux ou hélicoïdes

Les ventilateurs axiaux ou hélicoïdes permettent des débits importants mais ne peuvent en général assurer des différences de pression importantes que si la vitesse périphérique des pales est importante. Ils sont alors souvent bruyants. Des progrès récents permettent cependant à certains constructeurs d’obtenir des caractéristiques semblables aux ventilateurs centrifuges avec des niveaux de bruit à peine plus élevés. Ces ventilateurs sont en outre très simples à implanter et de faible coût.

Il n’y a pratiquement pas de limite dans les débits pouvant être atteints par ce type de ventilateur.

Ventilateur de conduit et ventilateur de paroi.

Il existe des ventilateurs axiaux :

De brassage sans enveloppe.
De paroi ou de fenêtres avec enveloppe. C’est principalement ce type de ventilateur qu’on appelle « hélicoïde ».
À enveloppe, avec hélice seule, distributeur (amont) et hélice, hélice et redresseur (dispositif placé en aval permettant d’augmenter le rendement), 2 hélices contre-rotatives (la première hélice joue le rôle de distributeur mobile et la deuxième de redresseur mobile).
À pales mobiles dont l’orientation peut être modifiée soit automatiquement en cours de fonctionnement, soit manuellement.

À toutes les variantes, on peut encore ajouter des pavillons et des diffuseurs.

On distingue ensuite les ventilateurs suivant le rapport de moyeu. On appelle rapport de moyeu le rapport entre le diamètre du moyeu de l’hélice et le diamètre extérieur de l’hélice. Plus le rapport de moyeu est grand, plus le ventilateur est capable de délivrer des pressions élevées.

Désignation	Rapport de moyeu	Gain de pression
Ventilateur basse pression	0,25 – 0,40	300 Pa
Ventilateur moyenne pression	0,40 – 0,50	3 000 Pa
Ventilateur haute pression	0,50 – 0,70	10 000 Pa

Les ventilateurs hélicoïdes haute pression sont parfois composés de deux ventilateurs en séries tournant en sens inverse. On parle alors de ventilateurs « contre-rotatifs ».

Profil de fonctionnement

La courbe caractéristique de ces ventilateurs présente une zone d’instabilité dans la zone des faibles débits (pompage), zone de travail qu’il faut éviter. Les problèmes de pompage apparaissent plus facilement lorsque plusieurs ventilateurs sont placés en parallèle ou au démarrage contre un circuit fermé.

Pour les débits plus élevés, la pression chute rapidement avec le débit. Ceci a pour intérêt de permettre d’importantes variations de pression sans modifier le débit. Ceci n’est pas possible avec un ventilateur centrifuge.

La puissance absorbée par un ventilateur hélicoïde diminue de façon semblable à la pression lorsque le débit augmente (à débit nul, la puissance absorbée est généralement plus élevée que dans la plage normale d’utilisation).

Courbes caractéristiques d’un ventilateur hélicoïde
avec ou sans pavillon à l’aspiration.

Remarque.

Les fabricants ne représentent pas tous les performances dans les mêmes conditions du fait des multiples possibilités d’équipements, telles que : diffuseurs, redresseurs, pavillons, etc. Il faut donc toujours bien vérifier dans quelles conditions sont données les caractéristiques pour pouvoir effectuer des comparaisons valables.

Rendement

Les ventilateurs hélicoïdes peuvent avoir des rendements très élevés (jusqu’à 90 %) mais sont très sensibles aux conditions d’alimentation, c’est-à-dire au profil de vitesse de l’air en amont du ventilateur.

Exemple

Type de ventilateur	Rendement
Ventilateur de paroi ou de conduit sans aubes directrices	40 à 65 %
Avec angle de calage des aubes variable mais sans aubes directrices	70 à 78 %
Avec angle de calage des aubes variable et avec aubes directrices	75 à 85 %
Ventilateurs contre-rotatifs à angle de calage des aubes variable	80 à 90 %

Possibilités de réglage

Les ventilateurs hélicoïdes peuvent être réglés par :

la variation de l’angle de calage des pales, au montage, à l’arrêt ou même en marche,
la variation du calage des aubes d’un inclineur placé en amont de la roue,
le réglage du débit d’un registre placé en aval.

Courbes caractéristiques et rendement d’un ventilateur hélicoïde
en fonction de la variation de l’angle de calage des pales.

Niveau de puissance sonore

Un ventilateur hélicoïde bien conçu peut avoir un niveau sonore proche des ventilateurs centrifuges. Un mauvais dessin peut cependant les rendre nettement plus bruyants. D’autres caractéristiques peuvent augmenter le bruit du ventilateur :

l’absence de pavillon à l’aspiration lorsqu’il fonctionne à l’air libre,
un grillage de protection placé en amont du ventilateur.

Puissance sonore d’un ventilateur hélicoïde avec ou sans pavillon à l’aspiration.

Domaines d’application

Les ventilateurs axiaux sont utilisés là où il n’existe pratiquement pas de canalisation. Ils peuvent aussi être insérés dans des conduits, là où se posent des problèmes d’encombrement.

Ventilateur hélicoïde de conduit et ventilateur hélicoïde mural.

Insertion d’un ventilateur hélicoïde dans un conduit.

Les ventilateurs centrifuges

À diamètre de roue égal, les ventilateurs centrifuges ont une capacité de débit inférieure aux ventilateurs hélicoïdes mais permettent des différences de pression nettement plus élevées. Si on veut augmenter le débit, il faut utiliser une roue double avec deux ouïes d’aspiration.

Il existe des ventilateurs centrifuges :

À aubes inclinées vers l’avant, appelés aussi « à action » ou « en cage d’écureuil » : la roue de ces ventilateurs comprend un nombre important d’aubes de faible hauteur. Elles sont inclinées dans le sens de rotation de la roue.
À aubes inclinées vers l’arrière, appelés aussi « à réaction » : la roue de ces ventilateurs comprend un nombre réduit d’aubes de plus grande hauteur. Elles sont inclinées dans le sens inverse de la rotation de la roue.
À aubes radiales : la roue de ces ventilateurs est composée d’aubes droites. Ce dernier type de ventilateur a un très mauvais rendement et est peu utilisé dans les installations de ventilation et de conditionnement d’air. Étant, de par sa forme, relativement insensible à l’encrassement, on l’utilise principalment dans l’industrie pour assurer le transport pneumatique de produits légers comme les copeaux, les poussières, …

Roue de ventilateur centrifuge à aubes inclinées vers l’arrière
(double ouïe).

Roue de ventilateur centrifuge à aubes inclinées vers l’avant
(double ouïe).

Profil de fonctionnement

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

	Roue à pales couchées vers l’arrière	Roue à pales couchées vers l’avant
Type de courbe caractéristique	pentue	plate
Pour une grande variation de pression (par exemple fermeture d’un clapet d’étranglement, encrassement des filtres)	faible variation de débit et de la puissance absorbée	grande variation de débit et de la puissance absorbée

Rendement

Le rendement des ventilateurs à aubes inclinées vers l’avant ont un rendement maximum (60 à 75 %) inférieur aux ventilateurs à aubes inclinées vers l’arrière (75 à 85 %).

Possibilités de réglage

Les ventilateurs centrifuges se prêtent bien à un réglage du débit par création d’une rotation préalable de la veine d’air entrant dans la roue au moyen d’un aubage orientable dit « inclineur » ou « aubage de prérotation« . Cette technique disparaît cependant progressivement au profit de la variation de vitesse par convertisseur de fréquence.

Réglage du débit d’un ventilateur centrifuge par aubage de prérotation placé sur l’ouïe d’aspiration : à chaque valeur de l’inclinaison des aubes pouvant pivoter autour de leur axe, correspond une nouvelle valeur de la prérotation de l’air et deux nouvelles courbes de pression et de puissance.

Les roues centrifuges peuvent aussi être utilisées avec un registre réglable placé si possible en aval. Celui-ci introduit une perte de charge supplémentaire et modifie le point de fonctionnement de l’installation. La puissance va diminuer rapidement avec le débit, contrairement aux roues hélicoïdes.

Niveau de puissance sonore

Les ventilateurs centrifuges sont réputés plus silencieux que les hélicoïdes. Un ventilateur centrifuge de rendement médiocre peut cependant être plus bruyant qu’un hélicoïde spécialement conçu pour allier silence et rendement.

Pour un ventilateur centrifuge aspirant à l’air libre, il est souhaitable d’adapter un pavillon bien dessiné à son ouïe d’aspiration si son enveloppe n’en comporte pas à la construction. Son grillage de protection ne doit pas créer de sillages importants (bruits de sirène à l’entrée de la roue).

Comparaison entre les ventilateurs à aubes inclinées vers l’avant et à aubes inclinées vers l’arrière

Comparaison de deux ventilateurs de même taille (roues de diamètre 900 à double ouïe d’aspiration),
c’est-à-dire deux roues centrifuges pouvant être disposées dans une même enveloppe.

Pour un même point de fonctionnement (débit 60 000 m³/h et pression 1 000 PA) :

Pour un même point de fonctionnement, la roue avec aubes vers l’avant nécessite toujours une plus faible vitesse de rotation.

Le bruit produit par la roue avec aubes vers l’avant sera donc moins intense.

Lorsque la perte de charge varie dans le circuit aéraulique, la variation de débit qui en résulte est nettement plus importante pour les roues inclinées vers l’avant. Leur point théorique de fonctionnement doit donc être calculé avec beaucoup de rigueur. En effet, si la résistance réelle est inférieure à la résistance calculée, le ventilateur débitera nettement plus que prévu et sa consommation sera supérieure aux prévisions.

De plus, pour ces ventilateurs, une brusque diminution des pertes de charge va augmenter rapidement la puissance sur l’arbre. Le moteur s’en trouvera surchargé et grillera.

Le rendement de la roue avec pales vers l’avant est en général moins bon si bien que la puissance à l’arbre est supérieure.

Pour ce type de roue, la puissance absorbée augmente rapidement avec le débit. À l’inverse, elle varie relativement peu pour les pales inclinées vers l’arrière.

Pour une même pression (1000 PA) :

A l’inverse des roues inclinées vers l’arrière, la roue avec aubes vers l’avant ne demande pratiquement pas de variation de vitesse pour obtenir une augmentation importante de débit.

Comparaison de deux ventilateurs choisis pour fonctionner à leur rendement maximum

Par contre, si au stade du projet on peut choisir entre les deux types de roues, il faut effectuer la comparaison pour le meilleur rendement. Dans ce cas, le ventilateur à aubes recourbées vers l’arrière devra le plus souvent être d’une ou deux tailles plus grandes que l’autre.

Si on les compare pour même un point de fonctionnement, le ventilateur de deux tailles plus grand (évidemment aussi un peu plus cher) présente de gros avantages :

il absorbera une puissance nettement moindre;
tournant dans ce cas à plus faible vitesse, il devient moins bruyant que son homologue à aubes vers l’avant.

Domaines d’application

Aubes droites	Industrie textile, maritime, …
Aubes inclinées vers avant	Groupes de conditionnement d’air et là où le prix et l’encombrement sont primordiaux.
Aubes inclinées vers l’arrière	Applications industrielles où de grandes pressions statiques sont nécessaires. Partout où rendement, qualité, économie et énergie sont primordiaux. Partout où un débit fixe doit être maintenu coûte que coûte (salles blanches avec flux laminaire, …).

Les ventilateurs tangentiels

Il existe deux types de ventilateurs tangentiels :

Avec aubes directrices dans l’âme et sans aubes, mais avec une enveloppe spécialement formée.

Le principal défaut de ce type de ventilateur est son mauvais rendement qui ne dépasse pas 60 %. Il est malgré tout typiquement utilisé dans les appareils où la place disponible est très limitée tels que :

ventilo-convecteurs,
climatiseurs,
rideaux d’air.

Les extracteurs de toiture

Les extracteurs de toiture sont conçus pour s’adapter facilement sur le couronnement des conduits. Ils sont destinés à l’extraction de l’air vicié, soit directement, soit via un conduit vertical. On parle généralement de « tourelle d’extraction ». Ces tourelles peuvent être équipées d’une roue centrifuge ou hélicoïde et présentent donc les mêmes caractéristiques que ces deux grandes familles.

Extracteur de toiture : caisson fermé et ouvert.

Les critères de qualité d’un tel ventilateur sont :

la qualité du refoulement qui empêche toute retombée d’air vicié et de recyclage vers le bâtiment,
la résistance aux intempéries (étanchéité à la pluie),
le niveau de bruit, tant vers l’extérieur que vers l’intérieur,
le rendement.

Le rejet de l’air vicié dans l’atmosphère se fait de deux manières :

soit horizontalement,
soit verticalement.

Au niveau du bruit, le rejet vertical est toujours préférable au rejet horizontal car les ondes sonores sont plus facilement dispersées dans l’atmosphère.

Extracteurs de toiture .

Tourelle de pulsion.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Améliorer la distribution [chauffage central]

Isoler les tuyauteries et les vannes

La présence de conduites non isolées véhiculant de l’eau chaude au travers de locaux non chauffés (cave, chaufferie, vide ventilé, …) est inadmissible, sachant que le coût de l’isolation sera toujours remboursé en moins d’un an par les économies d’énergie.

Exemple.

Perte de 20 m de tuyauterie non isolée DN 50 (2″), à 80°C, dans une chaufferie à 20°C :

Puissance perdue = 130 [W/m] x 20 [m] = 2,6 [kW]

Énergie perdue (si la circulation fonctionne toute l’année = 2,6 [kW] x 8 760 [h/an] / 0,8 = 28 470 [kWh/an] ou 2 847 [litres fuel ou m³ gaz] (0,8 est le rendement saisonnier de la chaudière).

Le coût de cette perte est de l’ordre de 53 [€/an] (à 0,375 [€/litre fuel]) par mètre de tuyau non isolé.

Ce surcoût est à comparer au coût de l’isolation des conduites : 8 .. 9 €/m. Cette isolation permettrait de réduire la perte de 80 .. 90 %.

Ceci conduit à un temps de retour de la pose d’isolant de quelques mois.

L’épaisseur d’isolant économiquement la plus intéressante dépend de la température du fluide véhiculé, du temps de fonctionnement de l’installation et du diamètre de la tuyauterie.

Calculs

Pour calculer les pertes de vos tuyauteries de chauffage et comparer l’intérêt énergétique et financier de différentes solutions d’isolation.

Isoler les vannes est également très rentable. Cette action est cependant rarement entreprise et suscite souvent la méfiance des responsables techniques. L’argument avancé est que la présence d’isolant masque provisoirement l’apparition de fuites et les dégâts encourus risqueraient alors d’être plus importants.

Ce raisonnement est cependant à relativiser :

Toute vanne ne présentant pas de faiblesse visible, doit être isolée au moyen de coquilles ou de matelas facilement démontable. Une surveillance régulière est alors aisément réalisée.

Il ne faut évidemment pas isoler une vanne qui présente déjà des défauts d’étanchéité, mais de toute façon ces vannes devraient d’office être remplacées car toute fuite et rajout d’eau est source de corrosion interne pour l’installation.

Isolation des vannes de chauffage dans un hôpital.

Concevoir

Isolation des réseaux de distribution.

Équilibrer la distribution

Un manque de débit dans certains locaux est souvent le résultat d’un déséquilibre de l’installation : certains circuits ou corps de chauffe présentant moins de pertes de charge (les plus proches de la chaufferie) court-circuitent une partie du débit destiné à d’autres zones.

Équilibrer une installation consiste alors à freiner l’eau dans les circuits favorisés, afin qu’elle ne privilégie aucun chemin : la difficulté de passage est alors la même dans chacune des boucles de distribution.

Les mauvaises solutions

Il est utopique, surconsommateur, voire dangereux de croire que l’on peut régler les problèmes d’équilibrage en agissant sur la régulation ou sur les circulateurs. Rien ne peut remplacer l’équilibrage correct de l’installation.

Actions sur la régulation

La première réaction des responsables de bâtiment face à un déséquilibre et un inconfort dans une zone du bâtiment est de modifier la régulation en augmentant les courbes de chauffe ou carrément en supprimant les ralentis nocturnes. Ces solutions sont évidemment à proscrire car extrêmement consommatrice :

Augmenter la température moyenne du bâtiment de 1°C, c’est 7 % de surconsommation !
Supprimer le ralenti nocturne, c’est de 10 à 30 % de surconsommation !

Augmenter le débit du circulateur commun

Augmenter le débit du circulateur commun se traduira par une augmentation du débit dans tous les circuits dans le même pourcentage. Autrement, les circuits défavorisés se rapprocheront de leur débit correct, mais les circuits favorisés passeront en surdébit, avec une surconsommation du circulateur et peut-être des problèmes acoustiques.

Augmenter le débit du circulateur du circuit défavorisé ou placer une pompe relais

C’est la solution la plus dangereuse qui risque de priver un circuit jusqu’alors sans problème.

Placer des vannes thermostatiques

Le placement de vannes thermostatiques peut constituer une solution partielle à un déséquilibrage de l’installation en limitant le débit des émetteurs trop favorisés.

En effet, lorsque la température augmente dans les locaux favorisés, les vannes thermostatiques réduisent le débit dans les corps de chauffe, ce qui rétablit un débit correct dans le reste de l’installation.

Toutefois, au démarrage de l’installation, toutes les vannes étant ouvertes, le handicap de la zone défavorisée reste entier : elle devra attendre que les premiers locaux ait atteint une température de surchauffe pour recevoir un débit suffisant. Ce qui est quelque peu aberrant. En outre, à ce moment, la période de relance définie par la régulation centrale sera peut-être passée et les locaux enfin alimentés correctement n’atteindront leur température de consigne que bien plus tard dans la journée (voire jamais).

De plus cette solution peut être accompagnée de problèmes acoustiques.

En conclusion, voilà bien une solution partielle qui réduira le gaspillage, mais n’aurait-il pas mieux valu consacrer l’investissement à une véritable opération d’équilibrage, par exemple en plaçant et en réglant des vannes thermostatiques avec organe de préréglage du débit.

Placer et régler des vannes d’équilibrages

C’est le seul moyen de réaliser un véritable équilibrage.

Au retour des circuits

Pour ajuster la répartition du débit entre les différents circuits, il faut placer des vannes d’équilibrage, au pied de chaque colonne et au retour de chaque branche sur laquelle les radiateurs sont raccordés. Il est à noter que l’équilibrage au pied des colonnes, avant de s’attaquer aux émetteurs, apporte déjà de grandes améliorations du confort.

Placement de vannes d’équilibrage au pied des colonnes et au départ des circuits.

Sur les émetteurs

Il faut aussi répartir le débit entre les radiateurs d’une même branche du circuit. Pour cela, ceux-ci doivent être équipés de tés de réglage.

Té de réglage du débit d’un radiateur.

Il existe également des corps de vanne thermostatique avec « té de réglage » incorporé : une bague de réglage permet de freiner de façon permanente le débit du radiateur, indépendamment de l’action de l’élément thermostatique.

Corps de vanne thermostatique avec préréglage du débit.

Cette solution est souvent plus pratique car :

Elle permet de combiner dans une seule vanne les fonctions d’équilibrage et de contrôle de la température.

Le réglage est souvent plus simple que pour les tés de réglage avec lesquels on ne sait trop bien combien de tours de correction il faut appliquer.

En cas d’enlèvement du radiateur (travaux de peinture, …), le réglage du té sera perdu car il sert de vanne d’isolement, ce qui ne sera pas le cas du préréglage de débit de la vanne thermostatique.

Exemple.

Pour que la vanne thermostatique fonctionne correctement, le fabricant recommande une chute de pression dans la vanne de 0,1 bar (10 kPa ou 1 mCE).

Pour un radiateur de 1 kW (dimensionné en régime 90/70, soit un Δt de 20°C et un débit nécessaire de 1 [kW] / 1,16 [kW/m³.°C] / 20 [°C] = 43 [l/h]) et une perte de charge de la vanne de 0,1 bar, l’abaque ci-dessus indique que la vanne doit être préréglée sur une position comprise entre 3 et 4.

Le débit correct de chaque radiateur est ainsi réglé et les vannes thermostatiques travaillent dans des conditions adéquates.

Faire équilibrer l’installation par des professionnels

Idéalement pour réaliser un équilibrage précis, il faut que les vannes, au minimum sur les colonnes et les branches du circuit, soit munies de prises de pression différentielle permettant de mesurer le débit.

Vanne d’équilibrage à placer sur un circuit de distribution. En mesurant et en réglant la perte de charge de la vanne, on ajuste le débit irriguant le circuit à sa juste valeur.

Des tés de réglage avec prise de débit possible seront très utiles. Dans une installation neuve, le surcoût de l’installation d’organes d’équilibrage avec mesure directe du débit par rapport à des systèmes sans possibilité de mesure, ne dépasse pas les frais inhérents à une ou deux interventions supplémentaires sur chantier requises pour les ajustements d’organes de faible coût.

Le placement de vannes automatiques (ou régulateurs de pression différentielle) qui permettent le maintien d’une différence de pression constante au pied de chaque colonne facilite également l’équilibrage car le réglage correct de la vanne n’est plus influencé par le réglage des circuits voisins, ce qui est le cas avec les vannes à réglage fixe. Le surcoût de ces vannes est ainsi compensé par la facilité de réglage.

Equilibrage au moyen de régulateurs de pression différentielle. Une vanne est placée sur la conduite de départ et la conduite de retour. La vanne automatique mesure la différence de pression entre le départ et le retour de chaque colonne et règle son ouverture pour maintenir cette dernière constante. Ce type de vanne remplace également efficacement les soupapes de pression différentielle couramment utilisées dans les circuits comprenant des vannes thermostatiques.

Il faut cependant être conscient que le placement de toutes ces vannes demande un investissement important et que l’appel à des spécialistes confirmés sera presque toujours nécessaire et indispensable étant donné la complexité de l’opération. Il faut aussi connaître les débits nominaux calculés lors de la conception.

Heureusement, cela ne veut pas dire qu’il faut toujours en arriver là. Il est aussi possible d’améliorer une situation soi-même, en travaillant par tâtonnement.

Équilibrage par tâtonnement

Souvent, les seuls éléments de réglage dont on dispose sur une installation sont ces tés de réglage (sans eux, on peut oublier toute action). On peut tenter d’améliorer la situation en refermant ceux-ci dans les locaux favorisés et en ouvrant ceux des locaux à problème.

Réglage d’un té : dévisser le capuchon et au moyen d’un tournevis, modifier la position du réglage. Attention, il faut bien repérer la position de départ et compter le nombre de tours effectués pour éventuellement revenir à la position de départ en cas d’insatisfaction.

Si on dispose en plus d’organes de réglage sur les différentes branches, il existe une méthode accessible mais aussi fastidieuse que l’on peut tenter de mettre en œuvre. Elle ne nécessite pas de mesure de débit au niveau des vannes d’équilibrage.

Étape 1

Établir le schéma hydraulique de l’installation.
Mettre toutes les vannes thermostatiques hors service et les bloquer au débit maximal grâce à leur limitation de course.
Toutes les vannes de réglage des radiateurs seront ouvertes complètement.
Les circulateurs à vitesse variable doivent être bloqués sur leur vitesse nominale.

Étape 2

Déterminer la différence de température ΔT entre l’eau de départ et l’eau de retour nécessaire en fonction des conditions extérieures. Cette différence de température doit être identique pour chaque circuit et chaque radiateur.

Exemple.

Si l’installation a été calculée pour une différence de température de 20°C entre le départ et le retour (par exemple, dimensionnement en régime 90/70 ou 70/50), on considère qu’à – 10°C extérieur la différence de température entre aller et retour (ΔT) est en régime de 20°C (point 1). Si la température extérieure est de 18°C on considère que ΔT est nulle (point 2).

On trace la droite entre les points 1 et 2 qui donne le ΔT à obtenir pour n’importe quelle température extérieure.

Étape 3

Réglage de l’ouverture de la vanne de réglage en fonction de la différence de température DT entre le départ et le retour d’un circuit.

Régler toutes les vannes de réglage des colonnes à la moitié de leur course (point (1)).

Mesurer le ΔT au pied de chaque colonne (si les circuits ne possèdent pas de mesure de température, un thermomètre de contact sur le tuyau est suffisant).

Si ΔT est supérieur au ΔT calculé, on ouvre la vanne à 75 % (point (2)) et si ΔT est inférieur au ΔT calculé, on ferme la vanne à 25 % (point (3)).

Il est nécessaire de permettre à l’installation de retrouver un régime stable (plusieurs heures) avant de procéder à une nouvelle mesure de température. En fonction du nouveau ΔT on ouvrira ou fermera encore les vannes en prenant comme référence le milieu de chaque intervalle créé sur le graphe ci-dessus.

Étape 4

Le réglage des colonnes donne déjà de bons résultats. Si des problèmes apparaissent encore localement, la même technique sera appliquée aux différents circuits d’une colonne et par après sur chaque radiateur du circuit (en mesurant la température entre l’entrée et la sortie du radiateur).

Mesure de température de départ et de retour d’un radiateur au moyen d’un thermomètre de contact.

La méthode présentée ici prendra plusieurs jours et sera d’autant plus difficile que chaque réglage perturbera les circuits déjà réglés. C’est pour cela que la méthode par mesure des débits est la plus facile.

En outre elle ne pourra pas être mise en œuvre en mi-saison du fait de trop faibles ΔT, difficilement mesurables. L’idéal est d’entreprendre ceci par grand froid (température extérieure < 0°C’ et pas de soleil).

Exemple. Une expérience pilote menée en France sur 8 immeubles à appartements a montré qu’un équilibrage, réalisé par la société de maintenance, suivant la méthode « de la température de retour » a permis de rétablir le confort tout en diminuant en moyenne la consommation de 9%, grâce à un abaissement des courbes de chauffe de 3 à 6°C.

Site	Nombre de logements	Variation de la consommation	Type d’équilibrage
1	230	-15%	Pieds de colonne
2	25	-12%	Pieds de colonne
3	240	-23%	Total
4	360	-5%	Pieds de colonne
5	100	-13%	Pieds de colonne
6	70	-4%	Pieds de colonne
7	230	-7%	Pieds de colonne
8	90	-22%	Total

Source : « Chaud, Froid, Plomberie », janvier 2004.

Cas particulier du déséquilibre récent

Une insuffisance de chaleur peut apparaître dans des anciennes parties de circuit suite à une extension du réseau (repiquage). Il est alors nécessaire d’équiper l’extension d’une vanne de réglage de manière à freiner le débit dans celle-ci et rétablir ainsi un débit correct dans l’ancien circuit.

Une insuffisance de chaleur peut apparaître suite au placement de vannes thermostatiques dans une partie du circuit. L’impact de ces vannes qui augmentent les pertes de charge doit être compensé en freinant le débit dans les zones sans vanne thermostatique. L’augmentation globale de la résistance de l’ensemble du réseau impose alors, parfois l’augmentation de la hauteur manométrique du circulateur.

Réduire le débit des circulateurs

Arrêter les circulateurs en été

La toute première action est d’arrêter les circulateurs lorsque les chaudières sont mises à l’arrêt en été. Cette action peut se faire manuellement. Les régulations modernes intègrent cette fonction, en prévoyant une remise en route régulière pour éviter que le circulateur ne reste bloqué à la relance de la saison de chauffe (fonction de « dégommage »). Ceci ne demande pas d’investissement.

On peut aller plus loin, en se disant que lorsque la température extérieure atteint une certaine valeur (par exemple, 15°C), le chauffage devient inutile dans le bâtiment.

Exemple.

A Uccle, la température extérieure est supérieure ou égale à 15°C, en moyenne durant 2 040 heures par an dont 400 heures se situent durant la saison de chauffe, entre le 15 septembre et le 15 mai.

Si la température de non-chauffage est de 14°C (bâtiment mieux isolé, avec plus d’apports internes), cette température est dépassée pendant 500 heures durant la saison de chauffe.

Exemple.

Si la puissance installée des circulateurs des différents circuits est de 5 kW, il est possible d’économiser, en coupant les circulateurs lorsque la température extérieure atteint 15°C :

5 [kW] x 2 040 [h/an] = 10 200 [kWh/an] ou 1 138 [€/an] (à 11,16 cents €/kWh (les températures > 15°C apparaissent surtout en journée)), si l’installation fonctionne normalement toute l’année,

5 [kW] x 400 [h/an] = 2 000 [kWh/an] ou 223 [€/an] (à 11,16 cents €/kWh), si l’installation est coupée en dehors de la saison de chauffe.

La commande de l’arrêt des pompes par une horloge et/ou un thermostat extérieur nécessite un investissement de l’ordre de 125 .. 250 €. Il se justifie pour une puissance des circulateurs supérieure à 500 W.

Notons que lorsqu’un circulateur est remplacé, il faut vérifier que l’installateur a raccordé sa commande au régulateur de chauffage.

Réduire la vitesse des circulateurs surdimensionnés

Bien des circulateurs sont surdimensionnés. Il en résulte

une surconsommation électrique,
parfois des problèmes hydrauliques et de l’inconfort

Évaluer	Pour en savoir plus sur l’évaluation du surdimensionnement des circulateurs.
Évaluer	Pour en savoir plus sur les problèmes d’inconfort liés à l’hydraulique.

Si les pompes possèdent différentes vitesses commutables (pompes à 2 ou 3 vitesses avec sélecteur ou couvercle de bornier pouvant être monté en diverses positions), une réduction de vitesse peut être opérée manuellement soit de façon permanente, soit en fonction de la saison. Cette amélioration ne coûte rien et peut être faite à l’essai. Si des plaintes apparaissent la situation d’origine peut facilement être rétablie.

Circulateur à 3 vitesses réglables manuellement.

Exemple.

Voici les caractéristiques d’un circulateur à trois vitesses dont les points de fonctionnement sont :

Sélection de la vitesse	1	2	3
Vitesse [tr/min]	1 840	2 300	2700
Débit [m³/h]	6,5	8	10
Hauteur manométrique [m CE]	3	4	5,6
Puissance électrique max [W]	360*	400	480
Puissance électrique estimée [W]	324*	360	432

* Remarques :

La réduction des puissances affichées par le constructeur n’évolue pas aussi fortement que la loi théorique de similitude le prédit (fonction du cube du rapport des vitesses). Ceci s’explique par la dégradation du rendement électrique du moteur.

Il est difficile de connaître la puissance réellement absorbée par un circulateur en fonctionnement. Une bonne approximation est 90 % de la puissance électrique mentionnée sur la plaque signalétique du circulateur.

On peut estimer l’économie réalisable en améliorant la gestion de ce circulateur. On fait l’hypothèse qu’au départ, il fonctionne 8 760 h/an à la vitesse 3.

–	Heures de fonctionnement à vit 3	Heures de fonctionnement à vit 2	Heures de fonctionnement à vit 1	Consommation électrique [kWh/an]
Situation initiale	8 760	–	–	3 784
Arrêt l’été (123 jours/an)	5 808	–	–	2 509
Arrêt si T_ext > 15°C (400 h/an)	5 408	–	–	2 336
Réduction de vitesse permanente à la vitesse 2	–	5 408	–	1 947
Réduction à la vitesse 1 si T_ext> 5°C (3 900 h/an)	–	1 508	3 900	1 807

–	Facture électrique [€/an] à 6,5 cents €/kWh	[€/an]	Économie par rapport à l’action précédente [€/an]
Situation initiale	245	–	–
Arrêt l’été (85 jours/an)	163	82	82
Arrêt si T_ext> 15°C (400 h/an)	151	94	12
Réduction de vitesse permanente à la vitesse 2	126	119	25
Réduction à la vitesse 1 si T_ext> 5°C (3 900 h/an)	117	128	9

Comme on le voit dans l’exemple ci-dessus, on peut aussi imaginer que la circulation passe automatiquement à vitesse réduite ou soit coupée à certains moments de l’année où les besoins énergétiques sont moindres.

Par exemple, lors du ralenti nocturne, si la mise au ralenti se fait par abaissement de la température d’eau (méthode par ailleurs dépassée), toutes les vannes thermostatiques de l’installation vont s’ouvrir, créant un surdébit (également générateur de bruit) d’autant plus aberrant qu’il n’y a pas de besoin. Il en de même lorsque le ralenti se fait par coupure complète de l’installation (fermeture des vannes mélangeuses). La commande de mise au ralenti pourrait dès lors aussi agir sur le circulateur.

La commutation automatique des vitesses des pompes existantes exige des éléments complémentaires au niveau de la régulation et du câblage du moteur et de la commande (les fabricants de pompe peuvent fournir des boîtiers permettant d’accéder aux différents bobinages des moteurs, de manière à réaliser les commandes au niveau du tableau électrique). L’investissement est donc important : de l’ordre de 500 .. 750 €.

Dès lors, on peut aussi envisager une diminution manuelle de la vitesse de tous les circulateurs, en mi-saison par exemple.

Remplacer les circulateurs surdimensionnés

La réduction de vitesse n’est pas possible sur tous les circulateurs. Dès lors, il peut être intéressant de procéder directement au remplacement d’un circulateur existant surdimensionné.

Exemple.

Considérons un bâtiment nécessitant une puissance de chauffage de 200 kW. Pour fournir cette puissance en travaillant avec des installations dimensionnées en régime 90°/70°, le circulateur doit fournir un débit de :

Débit demandé par le circulateur = 200 [kW] / 1,16 [kW/m³/h.°C] / (90 [°C] – 70 [°C]) = 8,6 [m³/h] ou 0,0024 [m³/s]

Pour ce débit, le bureau d’études, à l’origine de l’installation a surestimé les pertes de charge de l’installation (90 [kPa] au lieu de 60 [kPa]). Le débit réellement fourni par le circulateur choisi est n’est pas de 8,6 [m³/h] mais de 12 [m³/h] (ou 0,0033 [m³/s]) pour une perte de charge de 85 [kPa].

Points de fonctionnement de l’installation réel et calculé par le bureau d’études. Le circulateur choisi rencontre moins de résistance que prévu. Son débit augmente donc.

La puissance électrique absorbée par circulateur existant est de (pour un rendement global du circulateur de 34 % (moteur compris)) :

Puissance électrique du circulateur existant = 0,0033 [m³/s] x 85 000 [Pa] / 0,34 = 825 [W]

En choisissant un nouveau circulateur dimensionné correctement, on peut diminuer la puissance absorbée à :

Puissance électrique du nouveau circulateur = 0,0024 [m³/s] x 60 000 [Pa] / 0,34 = 420 [W]

(en imaginant que l’on choisisse un circulateur dont la courbe caractéristique passe exactement par le point de fonctionnement souhaité).

Si on considère que le circulateur tourne 5 800 [h/an], l’économie réalisée s’élève à :

Économie = (825 [W] – 420 [W]) x 5 800 [h/an] x 6,5 [cents €/kWh] = 153 [€/an]

Pour un nouveau circulateur standard dont le coût est de l’ordre de 300 .. 400 [€].

Remplacer un circulateur surdimensionné avant la fin de sa vie est donc rentable.

Au minimum, il faut penser au redimensionnement des circulateurs lors d’un remplacement par nécessité. Il faut à tout prix éviter que, lors d’un remplacement forcé, la sélection du nouvel équipement se limite à choisir un circulateur présentant les mêmes dimensions afin de pouvoir s’insérer sans difficulté dans l’emplacement libéré par l’appareil défectueux.

Calculs

Pour redimensionner un circulateur à partir des températures départ et retour du circuit et calculer l’intérêt de son remplacement.

Placer des circulateurs à vitesse variable

Remplacer un circulateur par un circulateur redimensionné suivant le calcul proposé ci-dessus, demande d’ouvrir toutes les vannes thermostatiques. Il reste également une certaine incertitude quant aux hypothèses de dimensionnement qui avaient été prises à l’époque de la conception de l’ancienne installation (température extérieure minimale, régime de température choisis, …).

C’est ici que le placement d’un circulateur avec variateur de vitesse va trouver toute sa justification : en le plaçant, il sera possible de diminuer progressivement la vitesse (sans modifier la température de l’eau), jusqu’à atteindre celle qui assurera une distribution uniforme, sans pénaliser le dernier radiateur du réseau (juste avant que les premières plaintes n’apparaissent). Sur base des expériences réalisées en Suisse, dans 9 cas sur 10, la vitesse chutera de plus de moitié !

Attention cependant il ne faut jamais remplacer un circulateur manifestement surdimensionné par un circulateur à vitesse variable de la même puissance. En effet, régler la vitesse du nouveau circulateur à une valeur trop faible entraîne une chute de rendement importante. De plus, non on ferait un investissement inutilement élevé.

Même un nouveau circulateur à vitesse variable doit donc faire l’objet d’un dimensionnement.

Circulateur à vitesse variable.

L’économie réalisée par rapport à l’ancien circulateur sera supérieure au cas du remplacement par un circulateur à vitesse fixe (3 vitesses) car le circulateur à vitesse variable permettra un ajustement plus précis du débit. Le gain supplémentaire sera d’autant plus important que les caractéristiques de l’installation existante sont peu connues.

Le circulateur à vitesse variable permet en outre des économies supplémentaires dans les installations équipées de vannes thermostatiques (installations avec radiateurs dont les locaux ont des besoins non homogènes) ou équipées de vannes 2 voies de régulation (installations avec ventilos-convecteurs).

En effet, lorsque sous l’effet d’apports de chaleur gratuits, les vannes thermostatiques se ferment, la pression dans le réseau augmente. Pour éviter cela et l’influence de ce réglage sur l’ensemble des vannes (les vannes sifflent), on place traditionnellement en tête de circuit une soupape différentielle qui « court-circuite » une partie du débit.

Soupape de pression différentielle by-passant une partie du débit lorsque des vannes thermostatiques se ferment dans l’installation.

Cette soupape différentielle peut avantageusement être remplacée par un circulateur à vitesse variable qui maintiendrait une pression constante ou dégressive dans le réseau lorsque les vannes thermostatiques se ferment.

Techniques

Pour en savoir plus sur le réglage du débit des circulateurs à vitesse variable.

Il est difficile d’estimer le gain supplémentaire que l’on peut ainsi réaliser. En effet, cela dépend de la réduction totale de débit résultant du fonctionnement des vannes thermostatiques (ou de vannes 2 voies de régulation, pour les ventilos convecteurs) et qui est fonction de la quantité d’apports gratuits dont bénéficient les différents locaux. Pour fixer les idées nous nous baserons sur un exemple :

Exemple.

considérons un bâtiment nécessitant une puissance de chauffage de 200 kW (débit nécessaire : 8,6 m³/h pour une hauteur manométrique de 6 mCE ou 60 000 Pa), répartie en deux façades nord et sud. Un seul circuit dessert l’ensemble de l’immeuble et des vannes thermostatiques sont installées sur les radiateurs de la façade sud pour tenir compte de l’ensoleillement.

Si on choisit un circulateur traditionnel à 3 vitesses, la vitesse réelle ne correspondra jamais exactement au point de fonctionnement souhaité.

Courbes caractéristiques du circulateur à 3 vitesses choisi : en bleu, le point de fonctionnement calculé et en rouge, le point de fonctionnement réel en fonction de la vitesse de circulateur choisie.

Pour satisfaire les besoins, le circulateur sera réglé en vitesse 3 et absorbera une puissance électrique de l’ordre de 540 W. Son débit réel sera de 9,6 m³/h au lieu des 8,6 souhaités.

Par contre, si on choisit un circulateur à vitesse variable, la vitesse peut être réglée pour obtenir le point de fonctionnement souhaité.

Courbes caractéristiques du circulateur à vitesses variable (remarque : on y constate la vitesse réglable en fonctionnement de nuit « min »)

La puissance absorbée par le circulateur est de l’ordre de 420 W.

Sur la saison de chauffe, le premier gain réalisé est de :

(540 [W] – 420 [W]) x 5 800 [h/an] = 696 [kWh/an] ou environ 45 [€/an] (à 6,5 [cents €/kWh] (heures pleines et heures creuses))

Sans compter l’imprécision inévitable sur l’estimation des caractéristiques du circulateur à 3 vitesses (« on va prendre un peu plus gros, on ne sait jamais ») qui veut que celui-ci consommera encore plus.

Que rapporte en plus la régulation de la vitesse du circulateur en fonction de la fermeture des vannes thermostatiques ?

En première approximation, on peut se dire que durant 1 000 h/an (durée d’ensoleillement durant la saison de chauffe), les vannes thermostatiques de la façade sud peuvent se fermer, réduisant ainsi de 50 %, le débit nécessaire de l’ensemble du réseau (dans le cas d’une école, les vannes se fermeront quand une classe sera remplie …).

Si en fonction de la fermeture des vannes, le circulateur diminue sa vitesse tout en réduisant linéairement la pression du réseau, sa puissance absorbée passera de 420 [W] à environ 220 [W], ce qui permet une économie de :

(420 [W] – 220 [W]) x 1 000 [h/an] x 11,16 [cents €/kWh] = 22 [€/an] (au tarif moyen en heures pleines)

L’économie supplémentaire réalisée grâce au circulateur à vitesse variable s’élève donc à minimum :

45 [€/an] + 22 [€/an] = 67 [€/an]

pour un surcoût d’environ 300 €.

Si on globalise l’économie réalisable par le remplacement du circulateur surdimensionné de l’

exemple précédent par un circulateur à vitesse variable, on obtient :

Réduction de la puissance à charge nominale : de 825 à 420 [W], soit une économie de 153 [€/an].
Régulation du débit en fonction des besoins : économie de 22 [€/an].
Économie totale : 175 [€/an].

Pour un coût du circulateur à vitesse variable d’environ 800 €. Le temps de retour de cette opération est donc de 4,6 ans.

Prix des circulateurs de la marque « x » (à titre indicatif).

Études de cas

Le remplacement des circulateurs par des circulateurs à vitesse variable peut également être dicté par des problèmes d’inconfort lié au surdimensionnement des circulateurs.

Ce fut le cas au Centre de Hemptinne.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir un système d’humidification

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Le besoin d’humidifier est-il réel ? Il est nécessaire si une ventilation est organisée dans les locaux. Mais il est superflu dans une cafétéria, une salle de restaurant, une salle d’archives, un musée …	Évaluer
Le débit d’air neuf hygiénique a-t-il été évalué correctement ? (tout excès d’air entraîne une consommation d’énergie et d’eau excédentaire).	Evaluer
Est-il possible d’organiser un recyclage partiel de l’air extrait et donc un recyclage de l’humidité de l’air (dans une installation « tout air ») ? Le conseil minimal serait d’au moins prévoir l’ajout futur d’un humidificateur si cela s’avère nécessaire (constat de non-respect de la consigne, changement de norme, défaut du récupérateur d’humidité etc.).	Voir partie « Préalable : le besoin d’humidification »
Faut-il imposer une consigne d’humidité relative intérieure permanente ou imposer un seuil minimal d’humidité au dessus duquel le taux d’humidité peut flotter ?	Voir partie « Préalable : le besoin d’humidification »
L’hygrométrie est-elle variable d’un local à l’autre ? L’attribution des locaux pourrait être ultérieurement modifiée ? Ne doit-on pas privilégier une humidification individuelle par local ?	Voir partie « Préalable : le besoin d’humidification »
Le choix du matériel et de la régulation :
Une analyse comparative des coûts énergétiques a-t-elle été faite ?	Voir partie « Critère de choix : la consommation énergétique »
Une analyse comparative des consommations en eau a-t-elle été faite ?	Voir partie « Critère de choix : la consommation en eau »
Les précautions liées à la maintenance des humidificateurs, tout particulièrement pour les appareils à recyclage ou à évaporation, ont-elles été prises ? Une vidange automatique est-elle prévue ?	Voir partie « Critère de choix : la qualité hygiénique »
Comment sera régulé le débit de déconcentration ?	Voir partie « Critère de choix : la consommation en eau »
Aura-t-on la possibilité de stopper le fonctionnement en fonction d’un seuil de température extérieure (par exemple 5°C, ajustable par l’exploitant en fonction des exigences de confort) ?	Voir partie « Critère de choix : la régulation »

Préalable : le besoin d’humidification

Autrefois, l’air n’était pas humidifié…

Force est de constater que nous vivons généralement chez nous dans une ambiance non humidifiée de manière artificielle. Nous pouvons néanmoins indiqué que dans une maison, l’humidification principale de l’air se fait naturellement par la salle de bain et la cuisine. Dans un bâtiment de bureaux, le besoin d’humidification est plus important car ces pièces d’eau ne sont pas présentes.

Cependant, aujourd’hui, une ventilation est organisée dans nos bâtiments, et un besoin réel d’humidification existe alors en hiver. Il est lié à l’apport d’air neuf hygiénique. L’air extérieur froid, une fois réchauffé, est un air sec. Dans les bureaux, pour assurer un bon confort thermique, l’air est porté à un taux d’humidité relative minimum de 40 %.

Cette humidification est énergétiquement coûteuse et il est utile d’en limiter l’intensité.

L’analyse des besoins

Le besoin d’humidification est directement lié au taux de renouvellement d’air puisque c’est l’air neuf qu’il faut humidifier en hiver. Il y a donc lieu de définir précisément les besoins réels en apport d’air neuf.

Évaluer

Pour en savoir plus sur l’évaluation de la qualité de l’air, cliquez ici !

À noter que certains locaux ne nécessitent pas d’humidification : une salle de restaurant, une cafétéria, une salle d’archives, un musée…

Si un local nécessite un taux de renouvellement horaire de 5, sans obligation de contrôler le taux d’humidité, alors que les autres locaux n’ont besoin que d’un taux de 1 mais avec nécessité d’humidifier, il peut être intéressant de concevoir deux installations différentes.

Il sera utile de définir le niveau d’humidification : du « tout centralisé » au départ des circuits si les besoins semblent homogènes, vers le « tout décentralisé », chaque local ayant des besoins différents.

Contrôle de l’humidité strict où humidification minimale de base ?

Il est fréquent de trouver dans les cahiers des charges une demande de « maintien des locaux à 21°C et 50 % HR ».

Cette simple phrase peut générer des consommations non négligeables et inutiles.

Le contrôle strict du taux d’humidification n’est-il pas nécessaire uniquement au niveau du local informatique ? D’une manière générale, on vérifiera si l’humidification décentralisée d’une zone limitée dans le bâtiment ne pourrait pas suffire. Le restant du bâtiment étant humidifié au niveau de la centrale de traitement d’air neuf ou mixte « neuf-repris » avec une humidification minimale (par exemple, un taux d’humidité réglé sur 35 % en sortie de centrale et un arrêt total de l’humidification en mi-saison et en été).

Si néanmoins un contrôle de l’humidité est choisi, l’hygrostat sera placé soit dans un local témoin non sujet à beaucoup d’infiltrations d’air (fenêtres ouvrantes, par exemple), soit dans la reprise d’air.

Attention : la mesure dans la reprise d’air est souvent faussée !

L’air extrait est légèrement plus chaud que l’ambiance (suite aux luminaires, notamment), ce qui va fausser la mesure et augmenter le taux d’humidité ambiant.

Admettons que la reprise (placée dans le faux plafond) aspire de l’air à 25°C alors que l’ambiance est à 22°C. Une consigne réglée sur 50 % HR, va générer en réalité une ambiance à 60 % HR. En effet, la sonde va régler l’humidificateur pour assurer 25°C et 50 % HR, ce qui correspond à l’humidité de 22°C et 60 % HR dans le diagramme de l’air humide…

Il faut donc tenir compte de cette stratification des températures et diminuer la consigne à, par exemple, 34% HR pour obtenir une ambiance à 40% HR.

Synoptique des technologies existantes

Techniques

Ces technologies sont décrites en détail en cliquant sur :

« Humidifier, c’est augmenter la teneur en vapeur d’eau dans l’air ».

On distingue trois types de technologies pour y arriver.

1. Pulvériser de l’eau atomisée :

les humidificateurs à gicleurs d’eau froide (ou « laveurs d’air »),
les humidificateurs rotatifs,
les humidificateurs à pulvérisation par air comprimé + eau,
les humidificateurs à ultrasons,
les humidificateurs à pulvérisation d’eau chaude.

2. Injecter de la vapeur :

issue d’un réseau de vapeur (si bâtiment équipé d’une chaudière à vapeur),
issue d’un générateur autonome (appareil de production de vapeur électrique).

3. Évaporer de l’eau chaude ou froide :

par ruissellement d’eau sur un média,
par contact à la surface d’un plan d’eau.

« Humidifier, c’est maîtriser l’énergie de vaporisation de l’eau. »

On distingue les appareils suivant l’origine de la chaleur de vaporisation. Deux techniques sont possibles et les coûts qui en résultent sont fort différents.

1. Injecter de l’eau froide dans l’air :

La chaleur de vaporisation de l’eau liquide est prise sur l’air (qui se refroidit), et le système de chauffage de l’air devra fournir cette chaleur complémentaire. On parle « d’humidificateurs à enthalpie constante »

les humidificateurs à gicleurs d’eau froide (ou « laveurs d’air »),
les humidificateurs par contact avec de l’eau froide (plaque fixe, roue, nid d’abeille),
les humidificateurs par ultrasons.

L’énergie de vaporisation est donnée par le combustible qui alimente la chaudière (fuel, gaz, …)

2. Injecter de l’eau chaude ou de la vapeur dans l’air :

La chaleur de vaporisation de l’eau est, en tout ou en partie, fournie par l’humidificateur. On parle « d’humidificateurs à enthalpie variable »

les humidificateurs à vapeur,
les humidificateurs par pulvérisation à eau chaude,
les humidificateurs par contact avec de l’eau chaude.

L’énergie est d’origine électrique (et présente donc un coût plus élevé…).

« Humidifier, c’est risquer d’introduire des micro-organismes et des sels dans l’air… »

Le contact eau-air est favorable à la propagation de bactéries. Ce sera particulièrement critique dans les installations où l’humidification est faite « à reflux » car on y retrouve les conditions favorables au développement bactérien.

On a dès lors développé des installations à pulvérisation d’eau avec un débit limité : le débit d’eau est alors totalement vaporisé (aérosols). Une fois la goutte d’eau froide évaporée, les sels contenus dans l’eau se retrouvent pulvérisés dans l’atmosphère et risquent de former des dépôts (calcium, sodium) sur les appareils (fine poussière)… C’est le cas des humidificateurs rotatifs, des humidificateurs à pulvérisation par air comprimé + eau, … De l’eau déminéralisée peu alors être utilisée.

Les humidificateurs à vapeur garantissent la stérilité du traitement et l’absence de sel dans l’air humidifié, … mais les sels se déposent dans le préparateur de vapeur, causant beaucoup de soucis à la maintenance ! De plus, le coût d’exploitation est élevé ainsi que l’impact environnement de l’humidification avec ce type de système….

Critère de choix : le coût d’investissement

Il est difficile de préciser le coût d’une installation d’humidification : la gamme d’équipements disponibles est grande et les débits d’humidification possibles également.

De plus, suivant la qualité de l’eau du réseau et le type d’humidification, il sera nécessaire ou non d’associer un traitement préalable de l’eau, avec le budget d’investissement et d’exploitation qu’il entraîne… !

On trouvera en synthèse une approche comparative des coûts d’investissements approximatifs.

Critère de choix : la consommation en eau

Le coût en eau d’une installation d’humidification peut être non négligeable. Et la tendance actuelle (augmentation du prix du m^³ d’eau) va amplifier ce coût.

Calculs

Pour calculer la consommation annuelle en eau pour une installation donnée, cliquez ici !

La situation est particulièrement critique pour les installations à recyclage d’eau. En effet, au bas de l’humidificateur, un bac recueille l’excédent d’eau. Suite à l’évaporation partielle de l’eau, la teneur en sels dans l’eau du bac augmente progressivement. Une déconcentration régulière par injection d’un débit d’eau fraîche est réalisée, avec évacuation de l’excédent vers l’égout.

En pratique, le risque est grand que le débit de déconcentration soit beaucoup trop élevé : à défaut de calcul, « par sécurité », le robinet reste souvent ouvert en permanence…

Calculs

Il est possible de procéder au calcul du débit de déconcentration effectivement nécessaire.

Pour maîtriser ce coût de l’eau, il est possible de prévoir une automatisation des périodes de déconcentration en fonction de la teneur en sels de l’eau du bac.

Au coût de l’eau, il faudra encore ajouter le coût de son traitement éventuel pour l’élimination des sels.

Exemple.

Soit un immeuble de bureaux de 4 000 m². Deux cents personnes y travaillent.

La nouvelle réglementation wallonne impose une ventilation de 2,5 m³/h.m² (bureaux communs). Une installation traitant 10 000 m³/h d’air neuf est dimensionnée (soit 10 000 m³/h x 1,2 kg/m³ = 12 000 kg/h).

Estimons les besoins en eau, en supposant que l’humidification fonctionne durant la saison de chauffe, aux conditions climatiques de la Belgique.

Les conditions d’ambiance à atteindre sont de 22°C et 50 % HR. Ce qui entraîne une humidité absolue de 8,2 gr_eau/kg_air.

On estime les apports hydriques internes du bâtiment suite à la présence des occupants, en considérant un apport en eau de 47 gr/h.pers :

(200 pers. x 47 gr_eau/h.pers) / (12 000 kg_air/h) = 0,8 gr_eau/kg_air

La régulation imposera un point de soufflage dont l’humidité absolue avoisine les :

8,2 – 0,8 = 7,4 gr_eau/kg_air

Dimensionnement de l’humidificateur :

Par température extérieure extrême de – 10°C et 90 % HR, l’humidité absolue est de 1,5 gr_eau/kg_air

Les débits maximum en eau sont donnés par :

12 000 kg/h x (7,4 – 1,5) gr_eau/kg_air= 70 800 gr/h = 70,8 kg_eau/h,

ce qui permet de sélectionner l’humidificateur.

Estimation de la consommation :

La consommation totale saisonnière en eau sera estimée en fonction :

de la durée de fonctionnement de l’installation,
de l’écart entre l’humidité absolue moyenne extérieure et le niveau d’humidité intérieure souhaité.

Pour un immeuble de bureaux, le fonctionnement est estimé à 10 h/jour, 5 jours par semaine, durant les 35 semaines de la saison de chauffe, soit 1 750 heures/saison.

En première approximation, pour Uccle, les conditions moyennes de température et d’humidité hivernales en journée (de 8h00 à 18h00) sont de 7,7°C et 76 % HR, soit 5 gr_eau/kg_air pour l’ensemble de la saison de chauffe.

Mais plus précisément, sur base du , on doit retirer 150 heures de semaine où l’humidité absolue dépassant 7,4 gr_eau/kg_air, on peut supposer l’humidificateur à l’arrêt. Reste 1 600 heures pour lesquelles l’humidité absolue moyenne est de 4,6 gr_eau/kg_air.

La demande moyenne en eau d’humidification peut donc être estimée à :

12 000 kg/h x (7,4 – 4,6) gr_eau/kg_air= 33 600 gr/h = 33,6 kg_eau/h

Autrement dit, 33,6 litres d’eau sont évaporés chaque heure, en moyenne.

Consommation saisonnière en eau d’humidification = 33,6 x 1 600 = 53 760 litres/an = 54 m³/an.

Remarques.

Cette consommation doit être augmentée de 50 à 200 %, si l’installation est à eau recyclée, avec débit de déconcentration.

Les hypothèses de départ influencent fortement le résultat du calcul qui doit être adapté à la situation particulière de chaque bâtiment.

Ce type de calcul permet de chiffrer l’intérêt de modifier les consignes de température et d’humidité. Ainsi, une température de 21° et une humidité relative fixée à un minimum de 40 % entraîne les adaptations suivantes :

21° et 40 % HR à 6,2 gr_eau/kg_air

apports internes à 0,8 gr_eau/kg_air

point de soufflage à 5,4 gr_eau/kg_air

Durée de fonctionnement de l’humidificateur : durant 1 025 heures l’humidité absolue extérieure est inférieure à 5,4 gr_eau/kg_air , l’humidité moyenne est de 3,9 gr_eau/kg_air.

> Nouvelle consommation en eau :

12 000 x (5,4 – 3,9) x 1 025 = 18,5 m³/an !

Critère de choix : la consommation énergétique

Deux sources de consommation sont présentes

l’énergie mécanique des pompes (pour la pulvérisation, par exemple),
l’énergie nécessaire à la vaporisation de l’eau.

La première est négligeable, au plus quelques % face à la seconde !

Par contre, l’énergie nécessaire pour faire passer l’eau de l’état liquide à l’état vapeur est fort élevée : c’est la chaleur latente de vaporisation. Et suivant le type d’humidificateur, le coût de cette énergie sera fort différent

Si l’humidificateur travaille à partir d’eau froide, c’est l’air qui donnera l’énergie de vaporisation. C’est donc la batterie de chauffe de l’air qui, indirectement, fournira la chaleur. Si la batterie est alimentée par de l’eau chaude, le prix de revient de la chaleur de vaporisation sera fixé par le prix du combustible en chaufferie.

Si l’humidificateur diffuse directement de la vapeur, soit la vapeur provient d’une chaudière vapeur et l’on se retrouve dans une situation similaire au point précédent, soit la vapeur est d’origine électrique et le coût de l’opération se trouve multiplié par un facteur 3 (c’est pratiquement toujours de l’électricité de jour…).

Pour faire passer 1 kg d’eau à 10° (température moyenne du réseau) à l’état vapeur, il faut fournir une chaleur de :

4,19 kJ/kg.K x 90 K + 2 257 kJ/kg = 2 634 kJ/kg, soit encore : 2 634 / 3 600 = 0,73 kWh/kg

Si on prend un coût de l’énergie électrique à 0,1 €/kWh (tarif de jour pour le régime haute tension, pointe de puissance comprise), le coût peut être estimé à 7,25 c€/kg_eau.

Pour une installation au gaz naturel ou au fuel, sur base d’un coût moyen du kWh utile (rendement compris) estimé à 3,5 c€/kWh, on obtient 2,5 c€/kg_eau.

Calculs

Pour calculer le coût énergétique annuel lié à l’humidification de l’air ambiant, cliquez ici !

Exemple suite.

en reprenant

l’estimation de la consommation en eau de 54 m^³/an vaporisés pour une installation de 10 000 m^³/h d’air neuf hygiénique, on obtient des coûts respectifs d’humidification de 3925 €/an (électrique), 1350 €/an (gaz ou fuel). Ces coûts correspondent à une consigne de 22° et 50 % HR. Ils chutent au tiers de leur valeur pour une consigne de 21° et 40 % HR.

Avec les hypothèses de l’exemple, ramené au m^², on obtient 9,9 kWh/m^² soit un budget de :

énergie électrique : +/- 1 €/m²
énergie gaz ou fuel : +/- 0,35 €/m²

Critère de choix : la qualité hygiénique

Ce critère est certainement déterminant dans le choix d’un humidificateur ! Le développement de bactéries dans les humidificateurs est un élément à ne pas négliger.

S’il fallait classer les systèmes sur base de ce seul critère, en partant du meilleur, on aurait

l’humidificateur à vapeur,
l’humidificateur à pulvérisation sans recyclage (tout le débit d’eau, ou presque, est évaporé),
l’humidificateur à pulvérisation avec recyclage (de l’eau stagne dans le bac récolteur de l’excédent),
l’humidificateur à évaporation avec recyclage (le média est humidifié en permanence…).

Bien sûr, une maintenance rigoureuse peut limiter fortement les risques de contamination de l’air. C’est pourquoi, même si les humidificateurs électriques sont fréquemment utilisés pour les petites installations, les laveurs d’air restent souvent choisis pour l’humidification des grosses installations.

Gérer

Pour en savoir plus sur les prescriptions de maintenance des humidificateurs : cliquez ici !

Pour limiter les risques de développement de germes dans les humidificateurs, ceux-ci peuvent être équipés de lampes à ultraviolets. Les lampes UV peuvent être placées sur la tuyauterie d’alimentation des cannes porte-gicleurs ou en by-pass avec pompe de circulation propre. L’installation en immersion dans le bac de rétention des eaux de ruissellement est moins conseillée. Il faudra cependant être attentif à ce qu’elles ne s’entartrent pas. L’eau d’alimentation doit donc idéalement faire l’objet d’un adoucissement préalable à son utilisation dans les humidificateurs. L’utilisation de lampes UV est préférable à l’utilisation de biocides pour éviter la pulsion d’agents irritants.


Dispositif de décontamination de l’eau avec lampe à ultraviolets : se place sur le circuit alimentant les gicleurs.	Humidificateur à évaporation équipé de lampes UV irradiant les câbles de ruissellement.

Parmi les systèmes à recyclage, on préférera les systèmes dont le bac de rétention est le plus petit possible et sans recoin, par exemple avec un fond incliné conduisant vers la prise d’eau.

Il existe également d’autre système comme le système Microniser.

Critère de choix : la régulation

Différents systèmes permettent à l’humidificateur de moduler le débit entre 0 et 100 %.

Pour les installations de conditionnement d’air

Humidificateurs à vapeur

La régulation est basée sur le schéma suivant :

En fonction de l’écart entre l’humidité relative mesurée sur l’air extrait (H2) et la valeur de consigne réglable sur le régulateur, il y a action sur l’humidificateur. Un limiteur maximal d’humidité relative de l’air soufflé (H1) limite le débit de vapeur pulvérisé. Une sonde de sécurité (H3, en option) commande directement l’arrêt de l’humidificateur.

C’est le même régulateur qui agit en cascade sur la batterie froide, pour la déshumidification éventuelle.

Ce système doit être complété par deux dispositifs de sécurité qui interdisent la pulvérisation de vapeur lors de l’arrêt du ventilateur

Le verrouillage électrique entre l’humidificateur et le ventilateur. Un pressiomètre qui vérifie le fonctionnement effectif par la mise en pression de la gaine (si la courroie du ventilateur casse, le ventilateur est électriquement en fonctionnement…)

Attention à ne pas placer les appareils de contrôle (thermomètre et hygromètre) trop prêt de la rampe. A priori, une distance de 3 m minimum est recommandée, mais cette distance dépend de la température de l’air humidifié.

Calculs

Un calcul de la distance humidificateur-sonde peut être réalisé.

Humidificateurs à pulvérisation et à évaporation

La régulation des laveurs d’air est traditionnellement basée sur le point de rosée du point de soufflage. Autrement dit, l’humidificateur fonctionne en continu et humidifie toujours l’air au maximum ( …85 %… en pratique). Le réglage de la batterie de post-chauffe se fait sur la température de l’ambiance, le réglage de la batterie de préchauffe se fait sur une température de point de rosée à la sortie de l’humidificateur, corrigée en fonction du degré d’humidité relative de l’ambiance.

Cette régulation est tout à fait correcte en hiver, mais risque de poser des problèmes en mi-saison et en été en fonction du mode de régulation : humidification excessive (même en hiver), fonctionnement simultané des batteries chaudes et froides. Ce sera le cas si le fonctionnement de l’humidificateur n’est pas asservi à une sonde d’humidité ambiante (ou de reprise) et si les batteries de préchauffe et de refroidissement sont commandées par la même consigne de point de rosée.

Quel type de régulation ?

Pour éviter ces problèmes, voici comment la régulation du groupe de traitement d’air peut être configurée en présence d’un humidificateur de type « laveur d’air » :

La batterie de préchauffe sera commandée par un régulateur en fonction de l’humidité relative de l’air repris ou de l’air ambiant, sans que l’humidité de l’air pulsé ne dépasse pour autant une valeur limite.

Les batteries de postchauffe et de refroidissement seront, elles, commandées, selon les cas, en fonction de la température de pulsion ou de la température ambiante ou de la température de reprise.
Le fonctionnement de l’humidificateur sera asservi à une sonde d’humidité ambiante ou située dans la gaine de reprise commune. Cet asservissement se fera en tout ou rien, de façon modulante ou par palier, en fonction du type d’humidificateur (avec une consigne d’humidité sera abaissée au maximum : 40%).

Pour les humidificateurs d’ambiance directe

On utilise généralement des humidificateurs par action tout ou rien (sur la pompe de gicleurs ou par étagement de rampes), l’hygrostat enclenchant l’appareil lors du dépassement d’un seuil réglable. Un hygrostat supplémentaire de sécurité est également prévu pour limiter le risque en cas de panne du premier régulateur.

Précautions générales

Asservissement au fonctionnement du ventilateur

Il est prudent d’asservir le fonctionnement de l’humidificateur à celui du ventilateur, pour éviter tout risque d’humidification des gainages lors de l’arrêt (volontaire ou non) du ventilateur.

La possibilité d’arrêter l’humidification en mi-saison

La régulation en fonction de l’humidité relative sur la reprise d’air est fiable, mais à défaut ou en plus, il est également possible de commander le fonctionnement de l’humidificateur en fonction de la température extérieure (interrupteur en série). En pratique, le critère qui consiste à « stopper l’humidification si T°_ext> 5°C » est simple et efficace. La sonde peut être placée à l’extérieur ou dans la gaine d’air frais. De toute façon, un air extérieur à 5°C est, en Belgique, en moyenne chargé de 4,5 grammes d’_eau par kg_d’air. Une fois chauffé, il atteint 20°C et 30 % HR (ce qui est déjà temporairement supportable). L’apport en eau interne des bureaux (plantes, occupants,…) amène facilement l’air à 40 % HR.

Un seuil maximal de l’ordre de 8°C peut être choisi si le bâtiment présente très peu d’apports internes en eau et/ou si l’installation travaille en « tout air » neuf (c’est-à-dire en climatisation « tout air » sans recyclage partiel de l’air extrait).

De plus, on se prémunit ainsi :

D’un dérèglement de la régulation : il arrive, rarement il est vrai, de rencontrer un caisson de traitement d’air où, en mi-saison, l’humidification est combattue par la déshumidification de la batterie de froid …!

Du fonctionnement sporadique de l’humidificateur en mi-saison, avec son cortège de développement bactérien si l’installation n’est pas automatiquement vidangée…

Si l’humidificateur est du type à pulvérisation, ou « laveur d’air », la difficulté de régulation en mi-saison de ce type d’équipement justifie davantage encore son arrêt total.

L’humidification de l’ambiance avec maintien strict des consignes

Lorsque les consignes de température et d’humidité doivent être maintenues de façon stricte (centraux informatiques), on est souvent amené à refroidir l’air ambiant (donc à le déshumidifier) et ensuite à le réhumidifier. Il s’en suit une destruction d’énergie (déshumidification et humidification).

Pour réduire cette dernière, on a intérêt à fixer la consigne d’humidité la plus basse possible, compatible avec l’utilisation du local. Par exemple, est-ce qu’il est réellement nécéssaire de maintenir 60% d’HR ? Est-ce que 50% d’HR ne pourrait pas convenir ?

De plus, il importe que la batterie de refroidissement limite la déhumidifiant en travaillant avec la température d’eau la plus élevée possible (variant en fonction des besoins).

La précision de la régulation

La précision de la régulation d’un humidificateur doit être perçue en prenant en compte l’interaction entre la température et l’humidité relative de l’air. Autrement dit, toute fluctuation de la température de l’air se répercute sur le taux d’humidité.

Ainsi, exiger une régulation de 20°C et 50 % à +/- 2 %, impose au minimum une régulation de température de 20°C à +/- 0,5° près. Et encore faudra-t-il un type d’humidificateur adéquat : une régulation centralisée par « point de rosée », par exemple, est impossible. Si une telle précision est requise, on privilégiera une humidification par local : les humidificateurs à vapeur électriques sont particulièrement bien adaptés à cette situation. Ils peuvent être précédés d’une humidification centralisée minimale de base.

Trois types de régulateurs sont disponibles : régulateur on-off, régulateur proportionnel (P) ou régulateur proportionnel-intégral (PI). Le diagramme ci-dessous (issu d’un constructeur) permet de choisir le type de régulateur et la bande proportionnelle du système en % HR, en fonction :

de la précision attendue (plus la tolérance est faible, plus on aura tendance à sélectionner un PI avec petite bande proportionnelle),

de la quantité relative d’humidité absolue à fournir (plus celle-ci est grande, plus on sélectionnera un appareil PI fiable, puisqu’on est proche de la saturation).

Si le système est en mode on-off, il travaillera généralement avec un différentiel de 5 %. On réservera dès lors les régulateurs on-off au contrôle de limite haute de sécurité.

Critère de choix : l’encombrement

Ce critère porte peu à conséquence, généralement. Si ce n’est que dans un caisson de traitement d’air, un humidificateur à pulvérisation est certainement plus encombrant qu’un humidificateur à vapeur.

Les humidificateurs à pulvérisation sans recyclage ont la propriété de pulvériser généralement des micro-gouttelettes pas toujours arrêtées par le séparateur de gouttes. Aussi, pour une installation de climatisation par conduits, une portée plus importante doit être prévue pour éviter tout risque d’humidification des premiers tronçons.

Il est utile de prendre des dispositions particulières en vue de protéger la tuyauterie d’alimentation en eau et le réservoir d’eau de l’humidificateur de tout risque de gel.

Synthèse des critères de choix

Il est possible de synthétiser les principales propriétés comme suit :

–	Frais de Maintenance	Frais d’exploitat.	Frais d’ Investissem.	Encombr.	Adaptabilité	Utilisation recommandée pour un débit d’air en m³/h
Caisson de mélange	Faible	Faible	Faible	Faible	–	> 3 000
Récupérateur rotatif	Faible	Faible	Moyen	Faible	–	> 5 000
À évaporation	Moyen	Faible	Faible	Faible	Bonne	> 2 000
À ultrasons	Faible	Faible	Moyen	Faible	Moyen	< 2 000
Laveur d’air	Elevé	Faible	Moyen	Elevé	–	> 10 000
À vapeur électrique	Faible	Elevé	Faible	Faible	Très bonne	< 3 000
À vapeur thermique	Moyen	Faible	Elevé	Elevé	–	> 10 000
Chaudière électrique à vapeur	Elevé	Elevé	Elevé	Elevé	–	> 10 000

En conclusions

Les humidificateurs à vapeur apportent toutes garanties au niveau hygiénique, mais leur coût d’exploitation est élevé suite au coût du kWh électrique : s’ils sont choisis, un dimensionnement limité aux besoins minimum s’impose. C’est une solution très souple pour un petit immeuble de bureaux.

Les humidificateurs à pulvérisation avec recyclage ou à évaporation sont économiques puisque l’apport énergétique est réalisé par la chaudière du bâtiment, mais ils sont sensibles à la prolifération bactérienne : s’ils sont choisis, une maintenance sérieuse et des mesures de contrôle de la qualité de l’air seront nécessaires. À ce titre, la maintenance de têtes de pulvérisation est plus simple que des supports sur lesquels l’eau vient s’évaporer.

Les humidificateurs à pulvérisation sans recyclage réunissent les deux qualités hygiéniques et économiques, mais l’encombrement est parfois incompatible avec l’espace disponible dans un caisson de traitement d’air. Ces techniques s’imposent pour l’humidification de grands halls (air comprimé, par ex.).

Prédimensionnement

Calculs	Le prédimensionnement du débit d’eau d’humidification nécessaire peut être réalisé sur base du débit d’air à traiter et de son degré d’humidité initial et final.
Calculs	Il est également possible d’estimer le débit d’eau de déconcentration afin de limiter cette consommation d’eau parasite.

Ensuite, pour les appareils électriques, la puissance appelée est de 750 Watts par kg/h de débit de vapeur souhaité, environ.

Techniques

D’autres détails technologiques spécifiques sont accessibles en cliquant sur :

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir l’enveloppe de la chambre froide [Concevoir – Cuisine collective]

Choix constructif

Pour la construction de la chambre, on a intérêt à utiliser les éléments de raccords préfabriqués prévus par les fabricants des panneaux isolants (par exemple les éléments d’angles) en s’assurant qu’ils suppriment tous ponts thermiques.
En effet, si on n’utilise pas ces raccords, on risque de créer des ponts thermiques tels que ceux représentés ci-dessous.

On peut également supprimer ces ponts thermiques sur site lors de la construction en procédant à quelques adaptations qui consiste à couper la tôle ou à injecter des produits isolants.
Cette opération est néanmoins plus délicate et plus difficile à contrôler.

D’autre part, il vaut mieux aussi travailler avec la modulation des panneaux par rapport à l’espace disponible.
Car il est préférable d’avoir une chambre un peu plus petite mais réalisée soigneusement avec des pièces d’origine, que d’avoir une chambre (un peu) plus grande, mais bricolée en adaptant mal les raccords entre éléments préfabriqués qui auraient été découpés sur place avec le peu de précision que l’on devine.

Choix du coefficient de transmission thermique des parois

Importance relative de l’isolation des parois

Les apports par les parois ne constituent qu’une petite part dans les apports globaux d’une chambre froide. Cette part est plus ou moins importante selon le type et l’utilisation de la chambre froide.

Si le bilan frigorifique de la chambre ou de la cellule de congélation montre que, dans la puissance frigorifique totale, il y a une part importante d’apports thermiques par les parois, il faut s’intéresser d’autant plus près à l’isolation thermique et faire attention au vieillissement de l’isolant (les isolants perdent leurs qualités au cours du temps).

C’est par exemple le cas d’une chambre de conservation de longue durée, à température constante, dans laquelle les denrées sont introduites à la bonne température.

Choix de la valeur du coefficient de transmission thermique des parois

De manière générale, la valeur à atteindre pour le coefficient de transmission thermique (k) des parois des enceintes de conservation dépend de l’écart de température à maintenir entre la température intérieure de la chambre et la température extérieure.

Elle est de l’ordre de :

0,350 à 0,263 W/m²K en stockage réfrigéré,
0,263 à 0,162 W/m²K en stockage surgelé.

Avec des parois en polyuréthane (les plus courants pour les chambres froides démontables modulables) d’une masse volumique de 30 kg/m³ et d’un coefficient de conductivité thermique (λ) de 0,028 W/mK.
Cela correspond à des épaisseurs de panneaux de

7 à 10 cm en stockage réfrigéré,
10 à 17 cm en stockage surgelé.

k [W/m²K] = 1/R; R = 1/α_int + e/λ +1/α_ext

Où :

les coefficients d’échange superficiel α_int = α _ext = 8 [W/m²xK], e = l’épaisseur de l’isolant [m]

De manière plus précise, le coefficient de de transmission thermique doit permettre :

d’éviter les condensations superficielles
d’assurer un bon rapport coûts d’exploitation/investissement

Les condensations superficielles

Pour des raisons sanitaires (crasses, moisissures), et aussi pour éviter les corrosions des parties métalliques des chambres froides et des tuyauteries, il faut éviter les condensations.

La résistance thermique doit conduire à des températures de surface extérieure qui empêchent cette condensation dans une ambiance humide.

Calculs

Si vous voulez calculer l’épaisseur nécessaire des parois pour éviter les condensations superficielles, et ce en fonction de l’orientation de la paroi, de la température extérieure, de l’humidité relative extérieure, de la température intérieure et de la valeur lambda de l’isolant.

Remarque : en général, l’épaisseur ainsi calculée sera plus faible que les épaisseurs recommandées ci-dessus. Mais cette épaisseur est calculée avec un isolant de bonne qualité et en début de vie.

Les gains annuels suite à une meilleure isolation

Les apports thermiques par les parois vont dépendre du coefficient de transmission thermique de l’isolant, de son épaisseur, de la surface extérieure (en m²) et de la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur.

Si pour une chambre donnée, on augmente l’épaisseur de l’isolant, cela a donc pour conséquence une diminution des déperditions. Ce qui a un triple effet sur les coûts :

les coûts des consommations électriques diminuent,
le coût d’investissement de l’enceinte augmente,
le coût d’investissement de la machine frigorifique diminue.

La fonction qui cumule ces trois variables, en fonction de l’épaisseur de l’isolant, possède en principe une courbe « creuse » au plus bas de laquelle on trouve l’optimum d’isolation thermique.

Pour trouver cet optimum, il faudrait connaître la variation de ces différents coûts par rapport à l’épaisseur de l’isolant. Il faudrait également faire intervenir des facteurs comme les taux d’intérêt, les taux d’inflation et la durée de l’amortissement.
Ce calcul est complexe et nous ne l’abordons pas ici.

Néanmoins, on peut calculer la diminution de pertes par les parois due à une augmentation de l’épaisseur de l’isolant et l’économie d’énergie approximative que cela engendre au niveau des consommations. Cette économie est à mettre en rapport avec le surcoût dû à l’augmentation de l’épaisseur de l’isolant (à demander à l’entrepreneur).

Calculs

Si vous voulez faire ce calcul.

Remarque.

Le vieillissement des isolants est inéluctable, bien que ce chapitre ne soit pas abordé en toute franchise par les fabricants. On voit parfois apparaître des condensations sur des parois sandwiches en PUR après une dizaine d’années d’utilisation des chambres froides.
En tout état de cause, vu les nombreux phénomènes en cause dans la dégradation des isolations thermiques au cours du temps (et notamment les nombreux percements, la détérioration des joints et les dégâts faits aux parois par les utilisateurs eux-mêmes), il est prudent de tabler sur un accroissement de la valeur lambda de 20 à 30 % sur 10 ans.

Pour compenser cet effet, on peut augmenter l’épaisseur de l’isolant pour que l’isolation reste suffisante à la fin de la durée d’amortissement des installations.

Sans cette précaution, et si les apports par les parois forment l’essentiel de la puissance frigorifique, la machine risque d’être de plus en plus sollicitée au cours du temps, ce qui raccourcit sa durée de vie, et elle aura de plus en plus de difficultés à maintenir les consignes de température intérieures.

Faut-il isoler la dalle du sol ?

La chambre froide négative avec pièce habitée en-dessous

Le sol des chambres froides négatives est en général isolé pour les chambres vendues toutes faites.

Pour les autres, le sol doit être isolé sur chantier.

En effet sans cela il y a un risque certain de condensation sur le plafond de la pièce du dessous. L’épaisseur d’isolation thermique doit donc être calculée pour éviter la condensation sur cette surface.

Calculs

Si vous voulez calculer de manière simplifiée l’épaisseur d’isolant minimale nécessaire pour le sol de votre chambre froide négative afin d’éviter la condensation sur le plafond de la pièce située sous celle-ci.

Il est également impératif d’isoler le sol au niveau efficacité énergétique. En effet, les apports thermiques par cette paroi et les consommations qui en découlent vont être importants s’il ne l’est pas, vu qu’il y a une grande différence de température entre l’extérieur et l’intérieur.

La chambre froide négative sur terre-plein

Le sol des chambres froides négatives est en général isolé pour les chambres vendues toutes faites.

Pour les autres, il est impératif, pour des raisons d’économies d’énergie, d’isoler le sol sur chantier car les apports thermiques par cette paroi et les consommations qui en découlent vont être importants s’il ne l’est pas, vu qu’il y a une grande différence de température entre l’extérieur et l’intérieur.

Exemple.

Soit une chambre froide négative (-18°C) sur terre-plein, de dimensions (largeur x profondeur x hauteur) = (2.7 x 2.4 x 2.4) m³. Le sol sous la chambre est humide à 1 m de profondeur.

Sans isolation au niveau de la dalle, les déperditions par cette surface sont de 58 W. Avec 15 cm de polyuréthane (0.028 W/mK), les déperditions par cette paroi ne sont plus que de 19 W.

D’autre part, sans isolation de sol, il existe un danger de gel du sol s’il y a présence d’eau à faible profondeur. Si le sol commence à geler, les nodules de gel vont augmenter en épaisseur et finalement soulever et déformer le sol de la chambre. Il peut également y avoir un danger de condensation ou de givrage sur le sol extérieur autour de la chambre froide et le long des parois de la chambre froide. Ce mouillage du sol peut engendrer un risque de glissement pour le personnel de manutention.

Une bonne isolation du sol évite ces problèmes.

Il est à noter que les mesures décrites ci-dessous permettent également d’écarter ces risques mais utilisées seules, ces mesures ne sont pas satisfaisantes au niveau efficacité énergétique.
Ces mesures sont :

Le drainage du sol.
Un vide sanitaire bien ventilé par de l’air à température positive et le plus sec possible. Le cas du vide sanitaire doit être étudié pour que de la condensation n’apparaisse pas au plafond du vide, ce qui serait un risque pour les armatures de la dalle qui supporte la chambre froide.
Un chauffage sous le sol (câbles électriques ou tuyaux de circulation d’eau, éventuellement connectés par un échangeur au condenseur de la machine). Dans ce cas, la puissance du chauffage doit être ajoutée aux apports par le sol.

Gonflement du sol sous une chambre froide.

Système de chauffage pour éviter le gel du sol.

Source : Défauts de la construction, Kluwer Editorial, n°B1110 – 15 et 16.

Calculs

Si vous voulez estimer la puissance chauffante à installer sous le sol d’une chambre froide négative pour éviter le gel.

Mais attention, ce tableau est à manipuler avec la plus grande prudence. En effet :

Les valeurs du lambda des sols secs et humides sont des hypothèses qui sont issues de la littérature pour des sols moyens. L’idéal serait de les vérifier pour le cas d’espèce.Certaines données à introduire ne sont pas indépendantes : la température en profondeur dépend évidemment de la température de la chambre froide, de l’importance de l’isolation thermique du plancher et de la profondeur de l’humidification du sol du terre-plein.
Cette température en profondeur est variable au cours du temps, avant de se stabiliser quand l’ensemble de la masse est mis en régime.
Cette température en profondeur peut varier entre l’hiver et l’été, surtout dans des zones situées au bord des entrepôts.
L’humidification des sols peut aussi varier au cours du temps (selon l’efficacité du drainage).
Si on ne chauffe pas la dalle, le gel pourrait se produire dans le sol, même si l’humidification du terre-plein ne monte pas jusque sous le béton du plancher.

Toutes ces raisons justifient pourquoi on doit utiliser le tableau en faisant une série de simulations raisonnables avec des données variables, pour aboutir à des valeurs maximalistes en isolation ou en chauffage.

La chambre froide positive

L’isolation des chambres froides positives est en option pour les chambres vendues toutes faites.

Pour les autres ce même choix est à faire.

Dans les 3 cas suivants, on choisit d’isoler le sol :

Si on utilise la chambre avec des mises en régime fréquentes. L’isolation du sol permet d’avoir une constante de temps beaucoup plus courte et la mise en régime en sera d’autant plus rapide, avec beaucoup moins d’énergie nécessaire.
Si on veut une homogénéité de la température aux environs du sol qui est souvent encombré par des dépôts de marchandises, ce qui conduit à des panaches de chaleur localisés.
Si le sol est en contact avec une source chaude importante (comme un four posé sur le sol près de la chambre) qui transmet de la chaleur par conduction du sol par-dessous les parois verticales de la chambre. Bien sûr, cette situation est à éviter absolument pour des raisons énergétiques.

Dans les autres cas, le choix entre un sol isolé ou non se fait en fonction :

Du danger de provoquer de la condensation sur le plafond de la pièce du dessous lorsqu’il y en a une.
Ce risque est moins important qu’avec une chambre froide négative.

Calculs

Si vous voulez calculer de manière simplifiée si un isolant de sol est nécessaire dans votre chambre froide pour éviter la condensation sur le plafond de la pièce située sous celle-ci, et dans ce cas, quelle doit être l’épaisseur de celui-ci.

De l’augmentation des consommations électriques par rapport à celles de la même chambre dont le sol est isolé.

Aspects constructifs d’un plancher isolé

L’isolation de sol génère une marche à l’entrée de la chambre. Si la chambre est petite, on peut s’en accommoder. Les chariots restent à l’extérieur de la chambre et la manutention ne nécessite que quelques pas.

Dans le cas contraire, il y a trois possibilités :

la chape isolée qui évite la différence de niveau,
le décaissé dans la dalle,
une pente devant la porte.

La chape isolée

Pour des raisons évidentes de facilité de construction et de rapidité d’utilisation après construction, il vaut mieux utiliser des panneaux isolants dont la surface supérieure est un platelage en multiplex bakélisé ou une plaque métallique antidérapante.

Les constructeurs de ces panneaux en donnent les valeurs des résistances à la compression et au poinçonnement sous charge ponctuelle.

Si ces valeurs sont dépassées par les charges que l’on veut mettre en œuvre dans la chambre en projet, il faut alors passer à la réalisation d’une dalle flottante sur l’isolation thermique.

Dans ce type de conception, il y a 3 points à respecter :

Il faut que l’isolant qui supporte le sol, soit suffisamment résistant pour porter le poids de la dalle augmenté des charges d’entreposage et de manutention.
Il faut que la compressibilité de l’isolant sous cette charge soit inférieure à une certaine valeur. Le C.S.T.C. (dans sa revue trimestrielle n°1/2, 1988, pg. 50) propose (d_L – d_B) inférieur ou égal à 3 mm, avec :
- d_L : épaisseur de livraison sous charge de 25 kg/m²,
- d_B : épaisseur sous charge de 200 kg/m² après une sollicitation temporaire d’environ 2 minutes sous 5 000 kg/m². Bien entendu, ces dispositions sont valables pour des charges réparties de l’ordre de 300kg/m². Elles sont donc à adapter aux vraies charges de la chambre projetée. Mais elles ne devraient de toute façon pas être diminuées.
Il est évident que la compressibilité de l’isolant dépend de sa masse volumique. Le C.S.T.C. préconise dans le cas du polyuréthane (PUR), une masse volumique minimale de 30 kg/m³.
Remarquons que la masse volumique influence la valeur lambda de l’isolant : masse volumique plus élevée => lambda plus élevé, donc moindre qualité isolante.

Sans les précautions ci-dessus, l’affaissement de l’isolation sous la charge de la dalle de sol, se traduirait par des problèmes périphériques de joints avec les parois verticales, et aussi par des différences de niveau aux endroits de passage vers l’extérieur.

La dalle de sol doit être armée, l’armature calculée selon les charges.Le béton doit être le plus sec possible au moment de sa mise en œuvre, pour éviter l’éclatement du béton en cas de mise en régime trop rapide. L’idéal est d’attendre 3 semaines avant d’entamer le refroidissement.

Exemple de plancher isolé d’une chambre froide négative.

Le décaissé dans la dalle

Le décaissé est délicat à réaliser. Il demande une bonne préparation au niveau de la conception et une bonne coordination de l’exécution, si plusieurs entreprises successives doivent intervenir.

On prendra grand soin à réaliser l’obturation des joints à l’extérieur, au pied des parois, pour éviter que de l’eau n’aille se faire piéger dans la fosse, sous l’isolant.

C’est notamment pour cette raison que cette fosse doit être raccordée à l’égout.

L’étanchéité des parois

Pourquoi la chambre doit-elle être étanche à l’air et à la diffusion de vapeur ?

L’étanchéité à l’air et à la diffusion de vapeur va permettre de limiter :

Les apports thermiques.
Les entrées d’air humide et de vapeur. Ces entrées sont provoquées par la différence de pression (on ne peut pas facilement rouvrir la porte d’un congélateur ménager qu’on vient de fermer) et de température entre l’extérieur et l’intérieur.

L’humidité va se condenser dans les chambres froides positives, ou va se congeler dans les chambres froides négatives.
Dans les deux cas, cela entraîne des ennuis à plus ou moins court terme :
1. Mouillage de l’isolation thermique qui perd ses qualités isolantes.
2. Apparition de glace en expansion avec danger de déformation des panneaux, pour les chambres froides négatives.

Cela entraîne la dégradation des propriétés de la chambre à terme et donc un vieillissement accéléré.

Comment rendre la chambre étanche

La réalisation des joints doit être soignée.

Un pare-vapeur qui doit être placé du côté où la pression de vapeur est la plus élevée, c’est-à-dire ordinairement du côté le plus chaud. En principe, c’est la feuille métallique du panneau isolant préfabriqué, qui joue le rôle de pare-vapeur.Mais ce pare-vapeur doit être placé d’une manière continue et sans percements. Quelques trous dans le pare-vapeur réduisent son efficacité d’une manière dramatique.

Tout percement des parois dans les chambres doit être rebouché soigneusement par une matière imperméable à la vapeur (mousse à cellules fermées).

Les portes doivent posséder des joints souples qui doivent obturer très correctement les espaces entre la porte et son encadrement dormant. Un défaut de ces joints, ou une déformation de la porte, entraîne, surtout dans le cas des chambres négatives, l’apparition de glace sur les bords du cadre dormant. Cette glace empêche les joints de bien jouer leur rôle et, en plus, elle peut arriver à provoquer la déformation de la porte qu’on force en fermant. C’est le cercle vicieux.

Mesures supplémentaires à prendre avec une bonne étanchéité

La bonne étanchéité des chambres et des portes, entraîne des conséquences importantes :

Les entrées d’air ne se font plus que par les ouvertures de portes et il peut être nécessaire de contrôler la qualité de l’air pour les travailleurs qui sont enfermés dans les chambres (certaines denrées « respirantes »,de même que les travailleurs dégagent du CO₂). Il faudrait donc, dans ce cas, assurer le renouvellement de l’air par un système de ventilation mécanique contrôlée.

Pour les grandes chambres froides négatives, la dépression causée par le refroidissement rapide de l’air introduit par une ouverture de porte, provoque une poussée de l’air extérieur sur toutes les parois de la chambre; ce qui peut créer des déformations dans les panneaux verticaux et le plafond voire leur effondrement, surtout pour des plafonds dont les panneaux ont des portées très grandes sans être efficacement supportés par une structure.
C’est pourquoi il faut prévoir des soupapes de décompression qui permettent des passages d’air pour équilibrer les pressions à tout moment. Cela permet d’ouvrir les portes sans problème (voir l’exemple de la porte du congélateur ménager ci-dessus).
Bien entendu, si de l’air extérieur chaud et humide passe à travers les soupapes vers l’intérieur de la chambre, on devra éviter le gel des soupapes (froides), en les chauffant par une résistance électrique. Il faut donc prévoir une arrivée de courant pour brancher ces soupapes.
Mais il peut aussi se produire des surpressions dans les chambres froides négatives.
Là encore, les soupapes de décompression vont jouer leur rôle en laissant sortir l’air intérieur pour éviter de mettre la chambre en surpression par rapport à l’extérieur, ce qui occasionnerait des déformations des parois vers l’extérieur.
Il est essentiel que les clapets de ces soupapes soient toujours bien libres pour tout mouvement de l’air, soit vers l’extérieur, soit vers l’intérieur.

La porte et « ses accessoires »

La porte de par ces ouvertures apporte des quantités importantes de chaleur et constitue donc un poste important dans le bilan thermique d’une chambre.

De même, elle est à l’origine de quantités considérables de vapeur d’eau.

Dans les chambres positives, une partie de cette vapeur, entraînée par l’air chaud qui monte, se condense en eau sur les parties froides intérieures des parois au-dessus des portes, ce qui peut créer des égouttements gênants.
Dans les chambres froides négatives, une partie de cette vapeur d’eau se fait piéger sous forme de givre au-dessus des portes. Au départ, ce givre a une masse volumique assez faible (+ 200 kg/m³) et prend beaucoup de volume en s’accumulant à chaque ouverture. Au cours du temps, ce givre va se densifier en glace et prendre de plus en plus de poids, ce qui conduit à des masses importantes, collées à la structure au-dessus des portes. A la longue, cela peut entraîner des déformations, si la structure n’est pas assez forte pour supporter ces masses de glace.

Il faut donc régulièrement aller briser la glace si la chambre travaille en continu. Si la chambre froide est arrêtée de temps en temps pour nettoyage, la fonte de cette accumulation de glace, produira beaucoup d’eau et prendra du temps.

Ainsi, les temps d’ouverture doivent être réduits autant que possible. Quand on travaille à l’intérieur de la chambre ou quand on y fait des allées et venues, il est recommandé de refermer la porte contre son ébrasement, même sans l’encliqueter.

Des accessoires peuvent aider à limiter les effets négatifs des ouvertures de portes :

Un système de fermeture automatique.

Des lamelles plastiques d’obturation des baies.

Des portes vitrées isolées permettent de trouver les aliments avant d’entrer et de ne pas perdre de temps à chercher dans la chambre froide, portes ouvertes. Ce qui représente une économie d’énergie mais également une amélioration du confort pour les travailleurs.
Les vitrages doivent être en plexy pour éviter les bris de vitre.Le coefficient d’isolation thermique est inférieur à celui du reste de la porte mais il doit être suffisant pour éviter l’apparition de condensation.
En ce qui concerne les surconsommations énergétiques, les surfaces de ces vitrages sont souvent petites et sont donc négligeables dans l’ensemble.

Il existe des alarmes qui sonnent tant que la porte est ouverte, ce qui pousse la personne à sortir au plus vite (bien que le froid devrait suffire…!!)

Dans le même ordre d’idée, une chambre froide positive peut avantageusement servir d’espace tampon entre la chambre froide négative et l’extérieur.

La capacité thermique de la chambre

Associée à l’isolation thermique, la capacité thermique de la chambre froide détermine sa constante de temps.

La constante de temps de la chambre frigorifique permet d’estimer, en première approximation, la façon dont elle va se comporter en régime transitoire (c’est-à-dire entre deux paliers de température).

Une constante de temps courte indique que l’on aura des variations rapides de température, et une constante de temps longue, indique l’inverse.

Le choix entre une constante de temps longue (ou une inertie thermique importante pour une isolation déjà choisie) et une constante de temps courte (ou une inertie thermique faible pour une isolation thermique déjà choisie) se fait en fonction de :

la volonté de maintenir les marchandises à bonne température
la fréquence des mises en régime de la chambre froide

La volonté de maintenir les marchandises à bonne température

Les responsables des cuisines collectives vivent avec l’inquiétude de pannes des installations frigorifiques qui peuvent avoir des conséquences importantes sur l’utilisation des denrées stockées, dans le souci de respecter l’arrêté royal relatif à l’hygiène générale des denrées alimentaires.

Bien que les contrats de maintenance puissent prévoir des délais d’intervention très courts, il n’empêche qu’en cas de panne de l’installation, le maintien des aliments stockés le plus longtemps possible, aussi près que possible de la température de stockage, doit être un critère supplémentaire pour le choix de l’inertie thermique de la chambre (et de l’épaisseur d’isolant).

Le stockage d’énergie frigorifique dans une chape de sol refroidie peut ralentir la montée en température de la chambre parce que sa constante de temps est très longue (24 heures et plus) et que sa capacité thermique est importante. De plus, vu que le coefficient de conductivité thermique d’une chape est élevé, la prise d’énergie frigorifique dans la chape n’en sera que meilleure, ce qui tendra à stabiliser la température. Ceci plaide en faveur de la présence d’une chape placée par-dessus l’isolation des chambres froides, même pour les chambres froides positives.

Évidemment, la présence d’une quantité importante de denrées stockées refroidies jouera le même rôle, mais au détriment de leur qualité, car c’est leur surface extérieure qui va d’abord se réchauffer. Et surtout s’ils sont les seuls à jouer le rôle de capacité thermique.

La fréquence des mises en régime de la chambre froide

Avec une chambre à grande inertie thermique dans la chape, il faut éviter de les laisser remonter trop souvent à la température ambiante extérieure. Sinon, une partie importante de la puissance de l’évaporateur va être « détournée » pendant un temps très long par la chaleur qui s’évacue de la dalle de sol, au détriment de la chaleur à évacuer des denrées, si ce travail est à faire en même temps.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Évaluer la couleur des parois

Il faut donc examiner la teinte des murs et leur état de propreté.

Exemple
Niveaux d’éclairement atteints dans un bureau de 5 x 6 x 3 m, équipé de 6 luminaires directs comprenant chacun un tube fluorescent de 58 W (rendement lumineux du luminaire = 68 %, angle de défilement = 60°).

Couleur des parois		Éclairement moyen en lux	Puissance spécifique (avec ballast électronique) en W/m²/100 lux
Murs	Plafond	Éclairement moyen en lux
Papier peint très clair ρ = 0,70	Plafonnage propreρ = 0,70	608	1,99
Papier peint très clair ρ = 0,70	Plafonnage usagéρ = 0,40	587	2,07
Papier peint foncéρ = 0,20	Plafonnage propreρ = 0,70	500	2,42

Dans ce cas, des revêtements clairs permettent donc d’augmenter le niveau d’éclairement de près de 20 %.

Dans le cas d’un éclairage indirect dirigé vers le plafond, la couleur de ce dernier aura une importance primordiale. Il doit absolument être de couleur claire.

Données	Pour connaitre les valeurs courantes et recommandées pour les différentes parois d’une pièce.
Concevoir	Choix de la couleur des parois et des plans de travail.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir la pompe à chaleur

PAC avec compresseur à pistons, à gauche, et avec compresseur à vis, à droite.

Intérieur ou extérieur ?

Les pompes à chaleur Air/Air ont la particularité de pouvoir être installées

Soit de façon compacte à l’intérieur du bâtiment, avec une conduite d’amenée et de rejet d’air extérieur vers l’évaporateur.

Soit d’être scindées entre un condenseur intérieur et un évaporateur extérieur (système Split), directement en contact avec la source froide. Le fluide frigorigène reliant évaporateur et condenseur devra alors traverser la paroi du bâtiment dans des conduites calorifugées. La performance est améliorée puisque l’évaporateur est généralement mieux alimenté. Elles sont d’une grande souplesse d’installation mais imposent une quantité de fluide frigorigène plus importante.

On peut également installer l’ensemble de la PAC à l’extérieur et la relier au réseau de distribution par des conduites aller et retour isolées. Ces installations imposent des mesures constructives coûteuses de transfert des sources chaudes ou froides.

Les systèmes extérieurs peuvent occasionner une gêne à cause de leur bruit. Ces installations ne seront tolérables que si elles se font sans gène pour le voisinage (installation sur des toits en ville,.). Elles devront être protégées de la corrosion et avoir un dégagement suffisant autour d’elle pour permettre un bon fonctionnement de l’évaporateur.

Utilisation directe ou indirecte ?

L’utilisation directe de la source froide (eau de surface, nappe phréatique, rejets gazeux,…) a le grand avantage d’améliorer l’échange avec la source de chaleur et donc d’offrir un meilleur coefficient de performance. Cependant il faudra éviter la pollution (fuites de fluide frigorigène), ainsi que l’encrassement, l’érosion et la corrosion dans l’évaporateur en prenant les mesures suivantes :

désensablage du puits effectué par un spécialiste,
pose d’un filtre dans la conduite de raccordement à la PAC,
surveillance des vitesses de courant maximales et minimales pour éviter l’érosion, les dépôts, le gel et les dégâts dus aux vibrations dans les conduites de l’évaporateur,
pour lutter contre l’air agressif (par exemple rejets thermiques industriels), il faut utiliser un évaporateur résistant à la corrosion et dont le nettoyage est aisé. Dans certains cas, un dispositif de filtrage de l’air vicié devra être ajouté.

À défaut, il est vivement conseillé de prévoir une utilisation indirecte avec circuit intermédiaire. De plus il faut penser que la température du circuit intermédiaire peut tomber à 0°C. Le bon choix d’un produit antigel est donc d’une importance capitale.

Remarque : la qualité des sources thermiques naturelles peut se détériorer avec le temps. Une seule et unique analyse de l’eau ne peut évidemment pas servir de garantie absolue à long terme.

Choix de l’émetteur de chaleur

La température de distribution de la chaleur (température dite de la « source chaude ») est aussi importante que la température de la « source froide », puisque la consommation est proportionnelle à l’écart entre ces 2 températures.

Les pompes à chaleur ne peuvent correctement fonctionner qu’à une température de chauffage maximum de 50°C. Il faut donc sélectionner un système de chauffage à basse température, qu’il soit à air ou à eau.

Distribution par eau

Les systèmes à eau devraient être dimensionnés de telle manière que la température de départ nécessaire lors de températures extérieures de – 8°C se situe entre 35 et 45°C. Ceci est possible avec un chauffage par le sol, et également, pour des bâtiments très bien isolés, avec des radiateurs à grande surface rayonnante.

Pour des systèmes de distribution anciens (radiateurs conventionnels) qui exigent des températures de départ de plus de 50°C, il faut évaluer de cas en cas si le recours à la pompe à chaleur bivalente est utile et raisonnable. Normalement, un chauffage par pompe à chaleur sera possible pendant la plus grande partie de la période de chauffe. Pour les jours nécessitant une température de départ de plus de 50°C, un deuxième générateur de chaleur fonctionnant avec un autre agent énergétique sera nécessaire (fonctionnement bivalent). Une solution fréquente dans le logement est d’installer un chauffage par le sol au rez-de-chaussée et de le compléter par des chauffages d’appoints à l’étage, pour limiter le coût d’investissement.

Par simulation informatique, une étude de la KUL a comparé les performances théoriques de différentes installations domestiques de pompes à chaleur (bâtiment respectant le niveau d’isolation K55, besoin de chaleur théorique évalué à 15 459 kWh par saison de chauffe) :

PAC Air/Eau avec chauffage par le sol au rez-de-chaussée et chauffage électrique à l’étage [1];
PAC Sol/Eau avec radiateurs basse température dans toute l’habitation [2];
PAC Air/Eau avec radiateurs basse température dans toute l’habitation [3];
PAC Sol/Eau avec chauffage par le sol au rez-de-chaussée et un chauffage électrique dans la salle de bain uniquement [4];
PAC Sol/Eau avec chauffage par le sol au rez-de-chaussée et radiateurs basse température à l’étage [5].

Alternative	1	2	3	4	5
Énergie fournie totale Q [kWh]	18 965	19 474	20 678	17 744	20 028
Énergie consommée totale E [kWh]	9 825	5 482	5 967	5 242	5 400
Rendement global annuel (Q/E)	1.93	3.55	3.47	3.38	3.70
CO₂ produit [kg/an]	3 363	1 801	2 071	1 791	1 706
CO2 produit [kg/kWh fourni]	0.18	0.09	0.10	0.10	0.09

On constate que l’installation avec le meilleur rendement annuel est celle qui combine la PAC Sol/Eau avec le chauffage par le sol et les radiateurs basse température. Autrement dit, c’est le système qui diminue autant que faire se peut la différence de température entre la source froide et la source chaude.

La quantité de CO2 produite montre l’impact négatif des chauffages d’appoints électriques qui provoquent un doublement des émissions.

Distribution par air

Les systèmes de distribution à air ont l’avantage de toujours être dans une fourchette de température idéale pour les PAC (15 – 30°C). De plus, le chauffage direct de l’ambiance évite l’usage d’un intermédiaire caloporteur et d’un échangeur de chaleur supplémentaire comme un radiateur. Cet intermédiaire en moins ne permet néanmoins pas d’améliorer le rendement de l’installation puisque les échangeurs de chaleur « fluide caloporteur/air » sont moins performant que ceux « fluide caloporteur/eau ». L’inconvénient est l’emprise spatiale importante des gaines de distribution. Ce problème peut être contourné par les installations avec préparation d’air directement dans le local (installations multi-split ou DRV ainsi que sur boucle d’eau). Les systèmes de distribution par air ne permettent pas non plus l’accumulation de chaleur durant les heures creuses ou la préparation d’ECS.

Monovalent, bivalent ou avec résistance d’appoint électrique ?

Monovalent

Vu les frais d’investissement plus élevés provoqués par les installations bivalentes, on préférera en général les PAC monovalentes. En effet, la nécessité d’investir dans une chaudière traditionnelle en plus de la PAC n’est pas compensée par la diminution du coût de la PAC, diminution proportionnelle à la puissance moindre installée.

Bivalent

Cependant, lorsque la puissance à fournir est trop importante par rapport à une source froide limitée ou lorsque la température d’entrée dans le réseau de distribution doit être supérieure à 50°C, les systèmes bivalents sont inévitables pour assurer le confort de l’occupant. C’est souvent le choix qui est fait en rénovation, lorsque les réseaux d’émissions ne sont pas modernisés et ne peuvent fonctionner qu’à haute température.

Le fonctionnement bivalent alternatif a l’avantage de la simplicité de compréhension et de régulation.

Le fonctionnement parallèle par contre profite mieux de la pompe à chaleur puisqu’elle fonctionne toute la saison de chauffe. Ce deuxième mode permet donc une plus grande économie en frais de fonctionnement (même si, en période de grand froid, le COP de la PAC chute beaucoup) et un meilleur bilan écologique (avec un point de bivalence à 50 % de la puissance de chauffage, la PAC utilisée en bivalent-parallèle assure tout de même 80 à 90 % du besoin de chaleur).

Avec appoint électrique

Une installation avec appoint électrique est perçue comme un compromis. Elle nécessite un faible investissement mais contribue à la surcharge du réseau. Elle est aussi moins rationnelle au niveau écologique à cause de l’importante consommation de l’appoint électrique qui provoque un abaissement du COP annuel. Un enclenchement manuel est d’ailleurs conseillé pour éviter une durée de fonctionnement trop importante. Les appoints électriques permettent de préserver le confort lors des dégivrages ou des périodes de gel, lorsque la PAC (qui a été dimensionnée au plus juste pour limiter l’investissement) éprouve des difficultés.

Dans le secteur tertiaire, les apports internes compensent les pertes de puissance dues aux dégivrages, d’autant plus facilement que les dimensionnements de PAC réversibles sont souvent basés sur des puissances en froid, ce qui surdimensionne la puissance de chauffe. Les résistances d’appoint ne s’y justifient donc pas.

Avec ou sans accumulateur tampon ?

Toute installation compte au moins un accumulateur tampon qui permet d’augmenter la quantité d’eau présente dans le circuit, ceci afin d’éviter l’enclenchement trop fréquent des producteurs de chaleur (courts cycles).

On reproche parfois à l’accumulateur tampon pour les petites installations d’être trop coûteux, trop volumineux, d’entraîner des pertes de chaleur. Mais rares sont les cas où son installation n’est pas justifiée. On ne peut y renoncer que si les conditions suivantes sont remplies :

puissance à peu près constante de la source de chaleur (max 5 K de variation de température);
volume d’eau de chauffage supérieur à 15 litres/kW;
grande capacité d’accumulation du système de distribution de chaleur (par exemple inertie de chauffage par le sol);
pas ou peu de vannes thermostatiques;
installation bien équilibrée.

Un accumulateur de chaleur est lui plus volumineux qu’un accumulateur tampon. Il sert couvrir les heures d’interruption de fourniture électrique. Il peut aussi compenser des variations temporaires de la source froide et permettre une plus grande utilisation du courant bas tarif. De plus, un accumulateur de chaleur permet de combiner plus facilement différents producteurs de chaleur, comme par exemple des capteurs solaires.

Quel fluide frigorigène ?

Suite à la protection de l’environnement, certains fluides ont été supprimés du marché et d’autres sont encore en sursis, dont le R22, qui reste le plus couramment utilisé sur le marché.

Le choix du fluide frigorigène résulte de l’analyse spécifique effectuée par le projeteur, notamment en fonction de la température de départ du chauffage. La définition des limites d’utilisation du fluide est l’affaire du fabricant.

Il existe aujourd’hui beaucoup d’incertitudes sur le choix du nouveau fluide idéal, mais il semble que si l’équipement vendu est encore au R22, il ne soit pas d’une technologie récente.

Concevoir

Pour plus d’informations sur le choix du fluide frigorigène, cliquez ici !

Quelle régulation ?

Adaptation de la puissance

Pour de petites pompes à chaleur, la régulation de puissance a lieu par mise en ou hors service. Pour les plus grandes puissances, obtenues par combinaison de plusieurs unités de petites pompes à chaleur, la régulation a lieu par enclenchement-déclenchement de chaque unité. Si la puissance est obtenue par un compresseur à plusieurs cylindres, l’adaptation à la puissance demandée est effectuée par branchement et débranchement des différents cylindres. La combinaison de plusieurs modules est également une bonne solution, par exemple pour un quartier de villas, si on ne sait pas au départ combien de maisons seront raccordées au système de chauffage par pompe à chaleur.

De nouveaux concepts de régulation font usage de la possibilité de faire varier la vitesse de rotation du compresseur. De cette façon, il est possible d’adapter en tout temps la puissance au besoin momentané. De tels systèmes sont actuellement disponibles, également dans le domaine des fortes puissances. On ne saurait trop les recommander pour conserver une performance correcte tout au long de la saison.

Pour les installations travaillant par enclenchement-déclenchement, il faut éviter des démarrages trop fréquents, afin que le réseau électrique public ne soit pas surchargé et que la PAC ne subisse pas de dommages. Rappelons que ceci est réalisé au moyen d’un accumulateur technique (accumulateur tampon), auquel on ne peut renoncer que dans des cas exceptionnels.

Paramètres de régulation

Les régulateurs commandent la pompe à chaleur en fonction de la courbe de chauffe, après avoir obtenu les données du thermostat d’ambiance et la température de retour. Le thermostat est éventuellement doté de consignes « température de confort » et « température de nuit » réglables. Différentes commandes de fonctionnement sont possibles et s’organisent avec un ordre de priorité précis. Le dégivrage a toujours la priorité et s’effectue automatiquement si les sondes extérieures en indiquent le besoin. Viennent ensuite les alimentations de chauffage et d’ECS. La préparation de l’ECS peut être par exemple considérée comme un mode « été » alors qu’en hiver l’essentiel de la puissance de la pompe servirait au chauffage du bâtiment. Les équipements tels les piscines sont toujours derniers en priorité, à moins bien sûr que la pompe à chaleur ne leur soit spécifiquement destinée (piscines publiques,.)

La régulation de la température de sortie du condenseur est essentiellement liée au mode de chargement de l’accumulateur (étagé ou par stratification).

Adaptation des paramètres en fonctionnement

De nombreuses recherches menées en Suisse durant les premières années de fonctionnement ont montré que beaucoup d’installation ne travaillent pas du tout comme le concepteur du projet le souhaite, cette remarque est également valable pour des installations conventionnelles. Un contrôle des résultats pendant les premières années d’utilisation est donc conseillé pour s’assurer d’un bon fonctionnement de l’installation.

Stabilité du réglage

Les systèmes que l’on trouve pour la technique du bâtiment sont en général assez lents, ce qui permet une régulation stable et fiable. Certains circuits comprennent toutefois des parties où la vitesse de régulation est critique. C’est le cas de la température de départ du condenseur. Pour assurer une régulation rapide, diverses recommandations sont utiles : placer la vanne de régulation le plus près possible de la PAC pour réduire le temps mort, choisir une vanne de régulation à fermeture rapide, optimiser les paramètres de régulation de la vanne, utiliser des thermomètres de régulation à faible inertie.

Choix du compresseur

Le compresseur d’une pompe à chaleur présente les mêmes caractéristiques que le compresseur d’une machine frigorifique puisqu’il s’agit de la même machine.

Techniques	Pour plus d’informations sur les technologies de compresseur, cliquez ici !
Concevoir	Pour plus d’informations sur le choix du compresseur, cliquez ici !

Choix d’échangeurs

Évaporateur

Dans l’évaporateur, la chaleur délivrée par la source froide de chaleur est transférée au fluide frigorigène. Pour les sources de chaleur liquides, on installera des échangeurs de chaleur multitubulaires, coaxiaux ou à plaques, pour les échangeurs de chaleur à air, on préférera, dans la plupart des cas, des tubes à ailettes. D’une manière générale, l’échange de chaleur croît avec l’augmentation de la surface d’échange, la diminution de la vitesse de passage des fluides, l’augmentation de la différence de température entre les fluides et l’augmentation du débit de la source de chaleur par rapport au fluide récepteur.

Il existe en gros deux modes d’évaporation : à détente sèche ou par immersion. La différence entre les deux systèmes provient essentiellement de la circulation du fluide frigorigène. Dans le cas de l’évaporation par immersion, le fluide caloporteur passe à l’intérieur de tubes noyés dans le fluide frigorigène; dans le cas de la détente sèche, c’est l’inverse. La plupart des évaporateurs fonctionnent selon le principe de la détente sèche. L’échangeur de chaleur multitubulaire peut aussi, dans certains cas, fonctionner par immersion.

Perte de pression dans l’évaporateur et le condenseur

Il arrive souvent que des PAC dont la puissance est identique accusent des pertes de pression différentes sur l’échangeur de chaleur et présentent des COPA différents. Il peut s’agir de produits provenant de plusieurs fabricants, mais aussi, selon le degré de puissance, une série de PAC appartenant au même fabricant peut présenter de sensibles différences.

Pour illustrer ceci, examinons ce qu’une augmentation de 40 kPa de la perte de pression dans l’évaporateur et le condenseur provoque sur le COP d’installations de chauffage par PAC. Supposons au départ des installations telles que celles décrites ci-dessous :

	Petite installation	Grande installation
Mode de fonctionnement	Monovalent, chargé par stratification, T° _{sortie du condenseur} constante de 47°C
Puissance chauffage	10 kW	100 kW
Besoin annuel de chaleur	25 000 kWh	250 000 kWh
Heures de fonctionnement	2 500 h/an	2 500 h/an
Consommation annuelle de courant	8 333 kWh	83 333 kWh
Coefficient de performance annuel COPA	3	3
Débit dans l’évaporateur (Δt° = 5 K)	1,2 m³/h	12 m³/h
Débit dans le condenseur (Δt° = 10 K)	0,9 m³/h	9 m³/h
Perte de pression condenseur	25 kPa	25 kPa
Rendement de la pompe	0,10	0,25

Pour la petite installation, l’augmentation de la perte de pression donnerait :

P_{pompe évaporateur}= 40 kPa x 1,2 m³/h / (3 600 x 0,10) = 0,133 kW
P_{pompe condenseur}= 40 kPa x 0,9 m³/h / (3 600 x 0,10) = 0,100 kW
W = 2 500 h x (0,133 + 0,100) kW = 583 kWh

COPA_petit= 25 000 kWh / (8 333 + 583) kWh = 2,8

Et pour la grande installation :

P_{pompe évaporateur}= 40 kPa x 12 m³/h / (3 600 x 0,25) = 0,533 kW
P_{pompe condenseur}= 40 kPa x 9 m³/h / (3 600 x 0,25) = 0,400 kW
W = 2 500 h x (0,533 + 0,400) kW = 2 333 kWh

COPA_grand= 250 000 kWh / (83 333 + 2 333) kWh = 2,92

Pertes de pression dans les sondes géothermiques

Dans le cas d’installations équipées de sondes géothermiques, les pertes de pression doivent être optimalisées avec soin pour différents diamètres de sondes, longueurs de sondes, nombre de sondes. Des différences de 100 kPa entre deux variantes ne sont pas rares.

Pour illustrer ceci, reprenons les installations présentées au point précédent et imaginons qu’elles soient équipées de sondes géothermiques accusant une augmentation des pertes de pression de 100 kPa.

Pour la petite installation, l’augmentation de la perte de pression donnerait :

P_{pompe évaporateur}= 100 kPa x 1,2 m³/h / (3 600 x 0,10) = 0,333 kW
W = 2 500 h x 0,333 kW = 833 kWh

COPA_petit= 25 000 kWh / (8 333 + 833) kWh = 2,73

et pour la grande installation :

p_{pompe évaporateur}= 100 kPa x 12 m³/h / (3 600 x 0,25) = 1,333 kW
W = 2 500 h x 1,333 kW = 3 333 kW

COPA_grand= 250 000 kWh / (83 333 + 3 333) kWh = 2,88

Chargement étagé ou par stratification ?

Il existe deux méthodes de chargement de l’accumulateur de chaleur associé à la pompe à chaleur.

Le chargement étagé est meilleur marché (pas de régulation de la charge) et entraîne un coefficient de performance annuel plutôt meilleur que le chargement par stratification puisque la PAC peut fonctionner avec une température de sortie du condenseur plus basse. Toutefois, ce système a différents désavantages :

Consommation électrique supplémentaire de la pompe du condenseur pour augmenter le débit et diminuer la température de départ.
Variations de la température de départ du chauffage difficiles à évaluer.
Température finale de l’accumulateur imprécise.
N’utilise pas pleinement les capacités de l’accumulateur.
Manque de capacité au premier passage.

Cette dernière difficulté pourrait être évitée si la différence de température dans le condenseur est suffisamment importante. De cette façon pourtant, la charge étagée est un non-sens, car dans le meilleur des cas, il ne se produirait qu’environ deux passages étagés à la limite du chauffage. Une charge étagée ne peut être recommandée que dans les situations suivantes :

Petite installation (surtout à cause de l’avantage du prix).
Un seul groupe de chauffage.
Pour accumulateur technique seulement.

À l’opposé, le chargement par stratification, malgré son COP plus faible et son coût plus élevés, permet :

Une maîtrise exacte de la température de l’accumulateur.
Une température constante de départ garantie.
Une puissance de la pompe du condenseur plus faible.
Une utilisation maximale de la capacité de l’accumulateur.

Type de chargement de l’accumulateur

Le chargement étagé de l’accumulateur et, dans certains cas, le chargement par stratification en fonction des conditions météorologiques produisent un meilleur coefficient de performance annuel qu’un chargement par stratification avec consigne constante, car on peut sortir du condenseur avec des températures plus basses. Ce système ne fonctionne toutefois que si l’installation est réglée sur une petite différence de température dans le condenseur. En règle générale cela implique de doubler le débit, ce qui multiplie par 4 la perte de pression sur le condenseur. Ceci doit absolument être pris en considération.

L’influence sur le COP annuel est complexe, car il faut tenir compte non seulement de la température de sortie du condenseur, mais aussi de la consommation d’énergie auxiliaire et de la petite différence de température dans le condenseur lors du chargement étagé. La différence de COP entre une température de sortie du condenseur adaptée ou constante se situe à moins de 10 %.

Encore une fois, reprenons les installations décrites plus haut et supposons qu’au lieu de fonctionner 2 500 h à 47°C, d’où ε = 3,4, on procède ainsi :

500 h à 45°C, d’où ε = 3,5

1 000 h à 42°C, d’où ε = 3,75

1 000 h à 39°C d’où ε = 4

Le coefficient de performance instantané moyen pondéré SPF s’améliore en passant de 3,4 à 3,8. Le coefficient de performance annuel (COPA) devrait suivre cette tendance et passer de 3 à 3,4. Mais en doublant le débit, la perte de pression dans le condenseur est quatre fois plus forte. Il en résulte pour la petite installation :

P_{pompe condenseur}= (100 kPa x 1,8 m³/h) – (25 kPa x 0,9 m³/h) / (3 600 x 0,10) = 0,438 kW
W = 2500 h x 0,438 kW = 1 095 kWh

COPA_petit= 25 000 kWh / (25 000 / 3,4) + 1 095 kWh = 2,96

et pour la grande installation :

P_{pompe condenseur}= (100 kPa x 12 m³/h) – (25 kPa x 9 m³/h) / (3 600 x 0,25) = 1 750 kW
W = 2 500 h x 1 750 kW = 4 375 kW

COPA_grand= 250 000 kWh / (250 000 / 3,4) + 4 375 kWh = 3,21

Choix de la technique de dégivrage

On utilise deux modes de dégivrage :

Le système « by-pass » de dégivrage par gaz chaud, par lequel une partie des gaz échauffés à la sortie du compresseur est dirigée vers l’évaporateur. Ce système exige une différence de pression minimale assurée par le compresseur.
L’ inversion de la direction du circuit par une vanne à quatre voies. L’évaporateur devient alors condenseur et le givre est rapidement éliminé au prix d’un plus grand besoin de chaleur momentané.

Lors du montage de l’évaporateur, il est indispensable de s’assurer que le fonctionnement du dégivrage n’est pas perturbé par un apport d’air froid dû à la circulation naturelle de l’air.

Le dégivrage des pompes Air/Air et Air/Eau

Les pertes provoquées par le dégivrage de l’évaporateur sont difficiles à évaluer avec précision car elles sont variables en fonction de la programmation des paramètres de dégivrage. L’énergie dépensée pour la fonte du givre (EFG) est généralement fournie par la pompe à chaleur qui, pour l’occasion, fonctionne en sens inverse. Elle vaut environ l’énergie utile de fonte du givre EFGu (énergie pour élever la température du givre à 0°C + chaleur latente de fusion du givre + énergie pour élever la température de l’eau de 0°C à 10°C pour éviter un regel immédiat) divisée par un rendement de 50 %. Cette énergie sera prélevée dans le bâtiment et devra en suite lui être restituée lorsque la pompe se remettra en mode chauffage. Pour des machines bien réglées avec des détections du givre optimales, la perte de COP peut valoir jusqu’à 10 % par temps froid.

Il n’est pas rare de voir des pompes à chaleur dont le système de détection du givre est mal réglé et la durée de dégivrage trop longue. Il s’en suit des consommations d’énergie excessives qui peuvent conduire à des COP inférieurs à 1.

Le graphique ci-contre, issu d’une fiche technique de constructeur, illustre l’influence du dégivrage sur la puissance calorifique et le COP d’une pompe à chaleur Air/Eau. On voit clairement la perte de COP survenant entre 3 et 10°C. L’air extérieur est chargé d’eau et le fluide frigorigène est à une température inférieure à zéro degré. La glace qui se forme « colle » à l’évaporateur.

Par contre, lorsqu’il fait très froid, l’air extérieur est plus sec et le givre apparaît alors davantage sous forme de cristaux qui n’adhèrent plus sur la paroi de l’évaporateur.

Choix de la technique de dégivrage

Sur le plan énergétique, le dégivrage par inversion du cycle est plus avantageux que le chauffage par injection de gaz chauds. Mais quelle que soit la méthode choisie, c’est surtout la durée du dégivrage qui sera le facteur important pour l’évolution du COP. Le critère d’enclenchement et de déclenchement doit être choisi avec soin.

Le choix du paramètre qui décrit la couche de givre dans l’évaporateur peut être multiple. En utilisation industrielle, il faut choisir un paramètre robuste et assez sensible. Plusieurs choix pour le lancement du dégivrage peuvent être faits :

Perte de charge dans l’évaporateur : la mesure de cette grandeur peut provoquer des dérives lorsqu’il y a risque de bouchonnement par des impuretés (feuilles, animaux,.) ou par des variations de pression causées par les vents externes.
Température de surface des ailettes : la différence entre la température de surface des ailettes et la température de l’air indique bien si une couche de givre (= isolation thermique) s’est formée. Comme le développement de givre n’est pas uniforme sur la surface de l’évaporateur, il faut bien vérifier l’emplacement du capteur de température.
Pincement dans l’évaporateur : la couche de givre provoque un blocage du transfert de chaleur qui se traduit par une diminution de l’efficacité de l’échangeur. Par conséquent, il y a une augmentation de l’écart de température minimal entre la température d’évaporation du frigorigène et la température de l’air en sortie d’évaporateur, écart appelé « pincement ». Pour détecter ce pincement, il faudra en général une prise de température de l’air sortant ainsi que le calcul de la température de saturation correspondante à la pression de vaporisation.

De même pour le paramètre d’arrêt, définissant la durée de dégivrage, plusieurs mesures peuvent être considérées :

La température du réfrigérant à la sortie de l’évaporateur : pendant le dégivrage de la batterie par inversion de cycle, un film d’eau ruisselle sur l’échangeur en refroidissant le fluide frigorigène. Une fois le dégivrage achevé, une grande partie de l’évaporateur est libérée et le transfert de chaleur diminue, ce qui provoque une réaugmentation de la température de sortie du fluide frigorigène.
Température de la surface des ailettes : cette mesure indique directement si l’échangeur est libéré de la couche de givre. Il est cependant difficile de bien placer la sonde pour avoir une bonne représentativité globale de l’échangeur.
Optimisation globale par microprocesseur : en combinaison avec les critères étalonnés en usine, le calcul du bilan énergétique par cycle de chauffage permet d’optimiser les grandeurs limites imposées sur site et en cours de fonctionnement.

Ces critères, ainsi que le critère plus « archaïque » qu’est l’horloge, devront être étalonnés soigneusement et vérifiés.

Une fois le cycle de dégivrage achevé, l’enclenchement du ventilateur à plein régime sans mettre en route le compresseur permet de sécher l’évaporateur. À défaut, les gouttelettes restantes seront rapidement gelées.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Espaces techniques et médico-techniques

Principe

On traite ici des locaux annexes où l’on entasse des équipements à fort dégagement calorifique et sensibles à la température ambiante et parfois à l’humidité tels que :

les armoires électroniques de commandes et de calculs pour les appareils médicaux de radiologie (scanner, RMN, angiographie, …),
les congélateurs (- 30, – 40, – 86°C) des laboratoires,
les ordinateurs des salles informatiques centrales,
…

Les particularités des locaux intérieurs techniques sont :

d’avoir une présence humaine très limitée,
de ne pas avoir de parois en contact avec l’extérieur et donc pas de déperditions en hiver, pas plus que d’apports solaires en été,
d’être en permanence en demande de refroidissement puisque les équipements internes (dont l’éclairage) génèrent une chaleur qui ne peut s’échapper naturellement : sans intervention, la température ne ferait qu’augmenter …

Vu que ce type de local est à usage exclusivement technique, l’apport d’air neuf est-il encore nécessaire ? Les sources de polluants étant réduites au minimum, on pourrait admettre l’inutilité de cet apport. Au cas par cas, le concepteur prévoira ou pas un apport d’air neuf minimum en tenant compte dans la programmation de la destination du local. Par exemple dans un local de stockage de laboratoire où l’on trouve des congélateurs, il serait mal venu de ne pas prévoir un apport d’air frais dans le cas de la congélation de produits toxiques.

Choix du conditionnement d’air

1. Les solutions rapides pour installation de faible puissance

Les solutions traditionnelles, souvent appliquées lorsqu’il s’agit d’un local isolé, consistent à placer dans le local :

Un climatiseur avec un condenseur séparé. Mais cette solution ne peut être généralisée pour un ensemble de locaux « aveugles » puisqu’il n’y a pas un accès facile vers l’extérieur pour l’évacuation de la charge thermique (difficile de placer les condenseurs en façade).

Un climatiseur à eau perdue où le condenseur est un échangeur dont le secondaire est raccordé à l’eau de ville en entrée et à l’égout en sortie. Cette solution est rapide, efficace énergétiquement mais présente l’inconvénient de gaspiller de l’eau potable.

Si malgré tout, le choix du conditionnement d’air est arrêté sur une solution locale (c’est souvent le cas en rénovation partielle) il est intéressant de comparer l’installation d’un système de climatisation à eau glacée par rapport à un système à eau perdue.

Système de climatisation à eau perdue

Les climatiseurs à eau perdue sont intéressants dans le cas des locaux intérieurs qui disposent ou ont à proximité une alimentation d’eau de ville et un égouttage d’eau usée. En rénovation, de manière générale, il y a souvent un lavabo à proximité; raison pour laquelle, faute de temps et de budget il est simple d’envisager cette solution. Il suffit :

de se raccorder à l’alimentation en eau de ville du lavabo pour l’entrée du condenseur,
d’effectuer un repiquage au niveau de sa décharge pour la sortie du condenseur,
de disposer d’une alimentation électrique.

De plus, l’eau froide de ville est une source de refroidissement très efficace en considérant que la température moyenne de l’eau au cours de l’année est d’environ 10°C.

Néanmoins, il est conseillé de bien analyser les consommations d’eau de ville qui sont loin d’être négligeables. De plus, le rejet d’eau de ville directement à l’égout est loin de respecter une certaine éthique de consommation.

Évaluer

Pour en savoir plus sur les consommations et les coûts engendrés par le placement d’une climatisation à eau perdue.

Sur base de 2600 heures par an avec un COP de 4.4 et un COPA de 2
Puissance demandée dans le local [kW]	Consommation	Coût des consommations
+ 3.5	1069 kWh/an électrique	357 €/an
	160 m³ d’eau de ville par an

Système de climatisation à eau glacée

Il est clair qu’un tel système ne peut s’envisager que lorsqu’il est possible de placer le groupe de production de froid extérieur à proximité. Il existe toutes sortes de systèmes de climatisation avec condenseur séparé extérieur dans les gammes de faible puissance. Pour mieux rentabiliser l’investissement d’un petit système de climatisation à eau glacée, on essayera de prévoir un groupe de production de froid plus puissant pouvant accueillir plusieurs unités terminales même si dans un premier temps une seule unité est branchée; en effet, plus le groupe de froid sera chargé meilleur sera son COP.

Evaluer

Pour en savoir plus sur les consommations et les coûts engendrés par le placement d’une climatisation à eau perdue.

Sur base de 2600 heures par an avec un COP de 3 et un COPA de 1.5
Puissance demandée dans le local [kW]	Consommation	Coût des consommations
+ 3.5	1 859 kWh/an	204 €/an

Comparaison entre les deux systèmes

Énergétiquement parlant on constate que le système à eau perdue consomme moins d’énergie que le système à eau glacée (de l’ordre de 57 %) de par un bon COP (4.4). Cependant, dans l’exemple pris, le groupe de froid à eau glacée n’est pas utilisé à sa valeur optimale car pour une valeur de 5.7 kW, il alimente seulement une cassette plafonnière de 3.7 kW (dû au choix limité de puissance de groupe).

Malheureusement le système à eau perdue consomme de l’eau de ville en grande quantité. Vu le prix sans cesse plus élevé de l’eau froide, le coût de la consommation est de l’ordre de 30 % plus élevé que celui du système à eau glacée.

Il existe des systèmes de climatiseur que l’on appellera pour l’occasion à « eau courante » puisqu’on récupère « l’eau perdue. Ces systèmes travaillent à des températures de condensation plus élevées et nécessairement les puissances de froid disponibles diminuent. De plus, dans certains endroits de l’hôpital, il sera exclu de récupérer l’eau dans un système de condenseur à pression atmosphérique (bac de refroidissement à l’air libre par exemple) pour une question d’hygiène et de traitement des eaux.

2. Les solutions énergétiquement intéressantes

Par rapport à ce qui a été dit ci-dessus, une solution plus centralisée est nécessaire. En effet, les plateaux de radiologie et de laboratoire entre autres sont de grands consommateurs de froid et sont souvent regroupés. De plus, les locaux de traitement tels que les salles de scanner, de radiologie classique, les espaces de regroupement des congélateurs de laboratoire et les locaux adjacents tels que les locaux techniques, de commande et de protocole sont souvent contigus.

On pense alors, relié à une production de froid centralisée, au placement :

Techniques	de ventilo-convecteurs sur une boucle d’eau glacée.
Techniques	ou de climatiseurs sur boucle de fluide réfrigérant.

Mais deux aberrations énergétiques apparaissent tout de suite car durant tout l’hiver pour des apports extérieurs limités au strict minimum :

On va refroidir artificiellement le cœur du bâtiment, sans profiter de l’air froid extérieur.
On ne va pas valoriser la chaleur produite par les équipements alors que les locaux en façade ont besoin de chauffage (les patients sont souvent déshabillés).

Deux solutions apparaissent alors

La solution « free chilling » qui se fonde principalement sur l’idée que l’air extérieur froid peut répondre aux besoins de refroidissement une grande majorité du temps. L’économie ne se rapporte pas directement au local considéré, mais à la production de froid centralisée.
La solution « fluide réfrigérant variable » qui se base sur l’idée que la chaleur extraite des locaux centraux peut être récupérée dans les locaux périphériques. En effet, cette solution est séduisante car en hiver dans les locaux adjacents tels que les salles d’examen radiologique, les salles d’analyse des laboratoires la demande de chauffage peut être nécessaire.

La solution « réseau d’eau glacée central »

La conception ou la rénovation des espaces intérieurs à apports internes importants échappent rarement à la climatisation.

Si l’option est prise, le placement d’une grosse unité de production couplée avec le placement d’un réseau de distribution d’eau glacée dans les couloirs est un bon plan. Au droit de chaque local susceptible de recevoir des équipements à dégagement calorifique important, on placera un système de connexion rapide avec vannes d’isolement permettant une modularité future importante dans le monde hospitalier.

Une grosse unité de production permet de mieux gérer la charge globale qu’une multitude de petites unités isolées.

Aussi, sur l’unité de production d’eau glacée il est intéressant d’envisager un système de « free chilling » afin de profiter des températures relativement basses de l’air extérieur tout au long de l’année.

La solution « fluide réfrigérant variable »

L’approche se construit sur les éléments suivants :

Nouvelles possibilités technologiques des compresseurs

On connaît le fabuleux « rendement » thermodynamique d’une machine frigorifique récente : pour faire 3 kWh de froid, il suffit de 1 kWh électrique au compresseur. Il en résulte alors 4 kWh de chaleur rejetés au condenseur. Si ces 4 kWh sont récupérés dans des locaux demandeurs de chaleur, le bilan s’impose de lui-même : avec 1 kWh au compresseur, on réalise 7 kWh utiles : 3 de refroidissement et 4 de chauffage !

Si dans le bâtiment, en parallèle avec la demande de refroidissement du cœur du bâtiment, il y a une demande de chauffage des locaux périphériques, la solution thermodynamique est alléchante !

Mais la difficulté, c’est qu’en été tous les locaux sont demandeurs de froid. L’échangeur du local en façade doit alors passer de condenseur à un fonctionnement en évaporateur.

On a bien essayé la solution de placer des pompes à chaleur réversibles sur une boucle d’eau commune à tous les locaux, mais sans trouver la souplesse de la solution actuelle de la climatisation à « fluide réfrigérant variable » qui supprime tout vecteur intermédiaire.

Ici, dans le cas idéal où il y aurait égalité entre la demande de froid et la demande de chaud, toute la chaleur évacuée dans les locaux à refroidir est transférée vers les locaux à chauffer :

Installation en équilibre.

Séparation des fonctions

À l’usage, dans les locaux où la ventilation hygiénique est nécessaire, la séparation des fonctions « apport d’air neuf » et « apport de chaud ou de froid » présente des avantages de facilité de régulation et de qualité hygiénique.

Pas de fluide intermédiaire

C’est le fluide frigorifique qui circule entre les échangeurs et le compresseur. En quelque sorte, c’est l’ensemble du bâtiment qui travaille « en détente directe et en condensation directe ».

Une régulation très fine en fonction de la demande

Rien n’est plus souple que du fluide frigorigène pour s’adapter aux besoins. Chaque échangeur est autonome dans la régulation de son local.

De plus, la régulation en place est étudiée pour limiter au maximum toute consommation d’énergie excessive.

Par exemple : une boucle d’eau glacée au régime 7°-12° va condenser inutilement la vapeur d’eau présente dans le local. Avec un système « fluide réfrigérant variable », l’humidité du local est mesurée en permanence et la température de l’évaporateur sera réglée « au plus haut » en fonction des besoins de froid du local, évitant ainsi toute condensation inutile.

Inconvénients

dans les locaux où la ventilation hygiénique est nécessaire l’apport d’air neuf hygiénique n’est pas résolu. De plus, il n’existe pas de production d’eau chaude par une chaudière pour alimenter les batteries de chauffe d’un éventuel groupe central de traitement de l’air hygiénique. L’apport d’air neuf va demander une installation spécifique dont on devra soigneusement étudier la régulation pour que de l’énergie ne soit pas « cassée » : il ne faudrait pas simultanément préchauffer l’air neuf à 20°C et refroidir le local !

La technique est encore relativement neuve dans nos régions (malgré une large expérience au Japon)…

Il faut franchir la petite appréhension liée à la circulation du fluide frigorigène dans les locaux, malgré l’étanchéité des installations actuelles et la non-toxicité des fluides utilisés.

La technologie est assez sophistiquée, bourrée d’électronique, et seul le fabricant peut réellement intervenir sur l’installation… Certains craindront alors le coût des contrats de maintenance, d’autres diront que nos voitures ont suivi la même évolution… sans que cela nous pose trop de problèmes. Des logiciels d’auto-diagnostic permettent la gestion automatique.

A nouveau, un bilan énergétique détaillé et annuel est nécessaire, mais il faut avouer que dans cette technique nouvelle, les bureaux d’études sont relativement dépourvus d’outils fiables d’évaluation…

Au minimum, on essayera d’établir un planning des périodes de chauffe et de refroidissement des différents locaux pour visualiser les recouvrements.

Concevoir

Pour aller plus loin dans la conception d’une installation DRV.

Un bilan énergétique annuel devrait départager ces solutions. Il doit être établi au cas par cas par un bureau d’études mais celui-ci va manquer de données fiables sur la performance moyenne annuelle des équipements.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Four à convection naturelle électrique

Le four à convection naturelle est aussi appelé « four statique ».

Principe

Le four est une enceinte close et calorifugée comportant des éléments chauffants et de l’air permettant de cuire, rôtir, griller et gratiner.

L’air est chauffé par des résistances électriques en sole et en voûte; ce four utilise la convection et le rayonnement.

Description

Composants techniques de base :

Un habillage généralement en acier inoxydable.
Une porte pleine ou vitrée à axe horizontal de rotation et équilibrée par ressort ou contrepoids, qui ferme le four de manière hermétique.

Un moufle de forme parallélépipédique en tôle d’acier inoxydable ou émaillé, ou en tôle aluminée. Il comporte des glissières latérales parfois amovibles.

Des résistances blindées qui peuvent être placées en voûte ou en sole.

L’ensemble est isolé thermiquement par un isolant en fibres minérales ou par des matériaux composites.

Composants spécifiques à certains modèles :

Une sole en fonte.
Un orifice d’évacuation des buées à commande réglable (oura).

Commande et régulation

Une commutation permet éventuellement de sélectionner l’élément chauffant voûte, sole ou l’ensemble.

Une régulation thermostatique (50 à 300°C) règle la voûte et la sole indépendante.

Un ou plusieurs voyants de contrôle visualisent la marche/arrêt et la régulation thermique.

Gamme

L’importance du four est déterminée par la puissance et la surface horizontale du moufle de l’ordre de 0,2 à 0,5 m².

Les puissances sont comprises entre 5 et 12 kW, voire plus.

Pour une hauteur de 280 à 300 mm, les dimensions sont généralement les suivantes :

530 x 325 mm (Gastronorme 1/1)
600 x 800 mm
530 x 650 mm (Gastronorme 2/1)
400 x 600 mm

Utilisation

Ils sont utilisés pour cuire, rôtir et gratiner les viandes, volailles, poissons, légumes, pâtisseries.

Il est utilisé lorsqu’il s’agit de cuire ou réchauffer sur 1 ou 2 niveaux. Au-delà, le four à convection forcée devient indispensable.

On peut adapter rayonnement ou convection en fonction du type de cuisson à réaliser par commutation et thermostat.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Placer un survitrage

Les performances thermiques d’un vitrage avec survitrage sont nettement inférieures à celle d’un double vitrage isolant, mais c’est mieux que rien. Cette technique est aussi la moins coûteuse.

On distingue deux types de survitrages :

Le survitrage mobile
Le vitrage supplémentaire est placé sur charnière. Ce dispositif permet le nettoyage et l’élimination des condensats éventuels.

Schéma survitrage mobile.

Le survitrage fixe
Le verre est vissé ou collé sur le châssis existant. Il est difficile voire impossible d’éliminer totalement les risques de condensats éventuels.

Schéma survitrage fixe.

Dans les deux cas, on veillera à assurer une étanchéité parfaite de la vitre intérieure par rapport à l’ambiance intérieure, afin de limiter les risques de formation de condensation dans le vide.
Si le châssis comporte plusieurs carreaux ou croisillons, le survitrage recouvrira entièrement le battant de la fenêtre quel que soit le nombre de carreaux.

Améliorations énergétiques ?

Il faut savoir que l’efficacité énergétique d’un survitrage sera toujours inférieure à celle d’un vitrage double isolant.
En effet, un simple vitrage est caractérisé par un coefficient de transmission thermique U = 5,8 W/m²K, la pose d’un survitrage permet d’atteindre un coefficient U = 3 W/m²K contre 1,1 W/m²K pour les vitrages doubles isolants actuels.

D’un point de vue énergétique, cette solution est rarement justifiée sauf dans le cas où les caractéristiques architecturales extérieures des châssis et leur impact sur l’environnement doivent être maintenus, et que les châssis sont en bon état.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Évaluer les risques d’éblouissement

Les risques d’éblouissement

Selon la tâche effectuée, certains types d’éblouissement peuvent apparaitre plus gênants que d’autres.

Dans les bureaux et les classes

Les occupants, à leur place de travail, sont peuvent être gênés par une trop grande « brillance » des luminaires. Cette sensation est caractérisée par la « luminance » des luminaires.

Éblouissement direct

Une personne assise à son poste de travail ou un élève assis à son banc ne doit pas ressentir, dans son champ de vision, un trop grand contraste éblouissant émanant du luminaire.

Les risques d’éblouissement apparaissent généralement pour les luminaires les plus éloignés du plan de travail. Les luminaires se trouvant proches de la verticale par rapport au plan de travail ( ϒ >< 45°) ne poseront pas de problème d’éblouissement. Cette dernière situation est presque toujours rencontrée dans les bureaux individuels standards.

Les problèmes d’éblouissement sont plutôt rencontrés dans les locaux de grandes tailles tels que les bureaux paysagés. Ainsi, l’éblouissement perturbe davantage les élèves du fond de la classe que ceux du premier rang. En effet, un élève du fond de la classe, lorsqu’il regarde vers le tableau, aura dans son champ de vision plusieurs rangées de luminaires.
Certains luminaires sont propices à provoquer des éblouissements (les tubes nus constituent évidemment le pire des cas).

Éblouissement indirect

La même personne assise à son même poste de travail équipé d’un écran de visualisation risque de subir des éblouissements par réflexion indirecte dans l’écran. La norme EN 12464-1 recommande pour cela de limiter la luminance des luminaires.

Dans les salles de sport

Dans une salle omnisports, les joueurs regardent vers le haut pour suivre les balles en hauteur, la gymnastique peut se faire sur le dos. Les sportifs ont alors une vue directe des lampes par le bas. Il est dès lors très difficile d’empêcher l’éblouissement par la vue des sources lumineuses. Le risque principal est donc « l’éblouissement direct invalidant ».

« L’éblouissement direct d’inconfort » est moins important dans les salles de sport que dans les classes ou les bureaux. En effet, dans ces derniers, l’éblouissement est aggravé par une position et une direction du regard relativement fixes. Sur les terrains de sport, par contre, l’axe de vision d’un sportif est constamment changeant.

Dans les ateliers

Pour ce type de tâche, le risque d’éblouissement principal réside dans :

l’éblouissement direct vu que les ateliers sont souvent des espaces ouverts et que le travailleur risque d’être ébloui par les luminaires les plus éloignés ;

l’éblouissement indirect de par la présence de pièces métalliques brillantes.

Un autre phénomène assez pernicieux est l’effet stroboscopique qui se manifeste lorsque des pièces en rotation sont soumises à un éclairage à courant alternatif. Sans rentrer dans les détails, la résultante de cet effet est que le travailleur risque de croire que la pièce tournante est à l’arrêt (comme dans les bons vieux westerns, on a l’impression que les roues des chariots des cowboys tournent à l’envers ou ne tournent pas du tout).

Dans les hôpitaux

Ni les patients, ni le corps médical ne peuvent être gênés par une trop grande « brillance » des luminaires.

Le problème de l’éblouissement qu’il soit d’origine directe ou indirecte est plus délicat à traiter dans les hôpitaux à cause des multiples directions du regard que l’on peut rencontrer :

Les patients couchés, regardant en général vers le plafond. Ce sera souvent le cas, dans les couloirs où les patients sont véhiculés dans leur lit ou encore dans les chambres.

Le corps médical examinant le patient, regardant un écran de contrôle,…

A priori, jamais une personne couchée ne devrait apercevoir directement

une lampe,
le ciel clair,
un contraste trop important entre un point lumineux et le plafond.

Les risques de gêne augmentent donc si des luminaires directs sont disposés dans l’axe d’un lit. Ceci condamne souvent l’éclairage direct dans les zones où des lits sont véhiculés ou stationnés.

Il faut aussi éviter de placer les lits face à une fenêtre.

Pour le personnel, les risques d’éblouissement direct sont plus réduits. Reprenons ici quelques principes :

Une personne à son poste de travail ne doit pas ressentir, dans son champ de vision, un trop grand contraste éblouissant émanant du luminaire.

Les risques d’éblouissement apparaissent pour les luminaires situés dans un angle vision de 45° par rapport à l’axe du regard (voir plus haut : cas des bureaux).

Les situations à éviter

Pour diminuer les risques il faudra veiller :

> À la position et l’orientation des luminaires

par rapport aux tâches à effectuer. Par exemple, pour un hall de sport, un luminaire pour lampes à décharge placé de manière inclinée aux extrémités d’un terrain dans l’axe longitudinal de celui-ci provoquera de l’éblouissement.

> Aux matériaux employés

Des luminaires sur un plafond sombre peuvent renforcer l’éblouissement. De même, un revêtement de sol trop brillant ou trop clair peut être source d’éblouissement. Par contre des couleurs trop foncées donnent une impression psychologique désagréable.

> À la position et/ou la protection des baies

L’éblouissement pourra aussi être provoqué par des baies vitrées placées dans l’axe longitudinal d’une surface d’évolution, surtout si les vitres sont claires, non occultées et orientées au soleil. Un ciel vu à travers un lanterneau peut également provoquer de l’éblouissement.

> Au type de luminaire employé

Certains types de luminaires sont plus propices à provoquer des éblouissements :

Pour les locaux « hauts »

Les luminaires avec lampes à décharge ont une luminance très élevée. Les lampes à décharge présentent une luminance au moins 15 à 20 fois plus élevée que les tubes fluorescents.

Ces luminaires sont fort éblouissants s’ils sont utilisés pour des hauteurs inférieures à 7 m.

Les lampes halogènes pour projecteurs peuvent avoir une luminance environ 7 à 90 fois plus élevée que celle des tubes fluorescents classiques. Ils risquent donc d’être très gênants pour les sportifs de jeux de balles, surtout s’ils sont inclinés dans l’axe longitudinal d’un des terrains de la salle omnisports.

Dans les locaux « bas »

Les tubes nus (vision directe de la lampe) ou les luminaires à diffuseur opalin ne contrôlent pas la diffusion de lumière. Ils sont donc éblouissants et peuvent être très gênants pour des usages de type bureaux.

Avec les luminaires équipés d’un diffuseur opalin de type lumière douce, le flux lumineux est diffusé de manière uniforme ce qui réduit le risque d’éblouissement direct. Dans la figure ci-contre, l’éblouissement indirect du plafond provient de la réflexion de la lumière naturelle au travers des baies vitrées sur le plafond.

Les luminaires équipés de ventelles (planes ou profilées) présentent, quant à eux, peu de risque d’éblouissement. On voit ici des luminaires avec ventelles paraboliques en aluminium, ce sont les luminaires dits « basse luminance ».

Les luminaires à tubes LED peuvent devenir des sources d’éblouissement non négligeables sachant qu’un tube LED est constitué d’une multitude de lampes LED ponctuelles de grande luminance.

Comment évaluer sa situation ?

Idéalement, avec un luminancemètre

La gêne causée par l’éblouissement direct ou indirect peut être mesurée à l’aide d’un luminancemètre. Ces mesures sont alors comparées aux valeurs de référence de la norme EN 12464-1. Un luminancemètre est cependant très cher et les mesures, difficiles à effectuer, ne peuvent être convenablement exécutées que par des spécialistes.

Deux valeurs de la norme sont à prendre en considération :

La luminance en fonction des angles de défilement.

La valeur du facteur UGR (taux d’éblouissement unifié) qui prend en compte l’éblouissement associé à la présence de plusieurs luminaires dans un local (valeur d’UGR comprise entre 10 et 30) n’est pas non plus facile à déterminer. On fera soit de nouveau appel à un professionnel soit il y a possibilité de calculer cette valeur dans le logiciel Dialux (standard en matière d’éclairage) mais c’est par pur sport.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Identifier une surchauffe liée à la distribution

Déséquilibre hydraulique

La conséquence d’un déséquilibre hydraulique est d’abord un manque de chaleur dans un local ou une zone du bâtiment.

Évaluer

Pour diagnostiquer un déséquilibre hydraulique, cliquez ici !

C’est la façon dont la plupart des gestionnaires de bâtiment corrigent le problème qui sera source de surchauffe et de surconsommation dans les autres locaux.

En effet, pour compenser le manque de chaleur dans le ou les locaux défavorisés, la tendance est d’augmenter la consigne de température d’eau ou la consigne du thermostat d’ambiance.

Pour éviter ce problème, il faut égaler la résistance hydraulique de chaque circuit, en « freinant » l’eau dans les circuits les plus favorisés. On parle alors d’équilibrage de l’installation.

Améliorer

Équilibrer l’installation.

Non-isolation des tuyauteries

En principe, lorsque des conduites non isolées traversent un local chauffé, on peut considérer que leurs déperditions ne sont pas des pertes, puisqu’elles participent au chauffage des locaux. Cependant parfois, ces pertes deviennent tellement importantes qu’elles conduisent à des surchauffes et donc à une surconsommation.

Exemple.

École dont les classes sont parcourues par d’importantes conduites de chauffage. L’absence d’isolation sur les conduites combinée à l’absence de vanne thermostatique sur les radiateurs entraîne une la surchauffe importante dans chaque classe.

Le bilan thermique d’une classe montre l’ampleur des pertes des conduites par rapport aux autres apports de chaleur.

Le bilan de cette même classe lorsque l’on place des vannes thermostatiques sur le radiateur, que l’on isole les conduites et que l’on place des protections solaires.

Évaluer

Pour évaluer les pertes par les tuyauteries, cliquez ici !

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Organiser la maintenance d’un humidificateur

Humidificateurs à pulvérisation et à évaporation

En général

Attention aux périodes d’arrêt de l’installation, qui entraînent la prolifération de germes ! Si l’arrêt de l’humidificateur et sa vidange automatique chaque nuit est la solution idéale à recommander, au minimum une vidange et une désinfection complète de l’installation s’imposent, au moins deux fois par an (au début de la mi-saison, impérativement, et au milieu de l’hiver) et de préférence une fois par mois.

Idéalement, on peut automatiser la chose :
- par horloge,
- par un système de mesure qui commande la vidange dès que la température de l’eau dépasse un seuil (en fonctionnement, la température s’abaisse à la température de « bulbe humide » de l’air).
On sera attentif, lors de la sélection du matériel, à la facilité de démontage des buses pour un entretien facile.
Dans les installations à recyclage d’eau, l’apport en eau se fait généralement via un système à flotteur. Or la présence de sels peut entraîner le bloquage du mécanisme et donc une fuite permanente d’eau vers l’égout…!
Le traitement de l’eau d’humidification est utile pour éviter le tartre que l’on peut retrouver sous forme de poussières dans l’installation, sous forme de dépôts pouvant détériorer le matériel et être source de développement bactérien, sous forme de dépôts sur les lampes UV éventuellement utilisées pour éliminer les bactéries. La déminéralisation de l’eau doit cependant être maîtrisée correctement car elle peut entraîner la corrosion prématurée des équipements métalliques.
Les hygrostats sont des appareils sensibles dont l’étalonnage doit être régulièrement revu.

La légionellose

Lorsqu’on parle d’humidification surgit très souvent la crainte de la légionellose. Il faut savoir que les légionelles se multiplient à partir d’une température de 20°C; la croissance est maximum jusqu’à environ 45°C. Elles meurent dès qu’on dépasse 60°C.

Ce type de bactérie se développe en eau stagnante, en présence de substances organiques, d’algues vertes, d’amibes, tartre, etc.

Il est conseillé, sous réserve des précautions habituelles, de désinfecter les agrégats pendant 48 heures avec 5 à 10 ppm de chlore dans l’eau.

Précautions à prendre

Pour minimiser les risques de présence excessive de légionnelles, en plus des vidanges et désinfections régulières, on peut :

Se rappeler qu’en été la température de l’eau de ville est plus élevée qu’en hiver. Un bac stockant de l’eau risque d’être un bouillon de culture. Un biocide peut être intégré.
Éviter des tuyauteries plastiques transparentes. L’eau déminéralisée semble être sensible à la lumière et cela favorise l’apparition d’algues.
Préférer les humidificateurs à vapeur si l’entretien d’un laveur d’air risque d’être mal réalisé, tout en sachant qu’il s’agit là d’une consommation électrique de jour supplémentaire.
Installer sur l’alimentation en eau des gicleurs des appareils avec rayons ultraviolets. En effet, les rayons UV ont la propriété de tuer les légionelles. Mais la durée de vie des lampes à ultraviolets est limitée dans le temps. Il faut régulièrement nettoyer le tube quartz éventuel séparant le TL de l’eau. Un remplacement s’impose après 8 000 heures.

Dispositif de décontamination de l’eau avec lampe à ultraviolets.

Le contrôle d’une éventuelle humidification de la gaine à la sortie du caisson est utile pour prévenir tout foyer de développement de germes. Cela pourrait être la conséquence d’une vitesse trop élevée de l’air dans le caisson, emportant les gouttelettes au-delà du séparateur.

Humidificateurs à vapeur

Les humidificateurs à vapeur doivent être périodiquement vidangés et régulièrement détartrés.

Pour les appareils autonomes à électrodes, le remplacement des électrodes est nécessaire après un temps de fonctionnement variant entre 800 et 5 000 heures, selon le degré de dureté de l’eau.

On surveillera tout particulièrement l’humidification éventuelle des parois internes du conduit aéraulique et des grilles de diffusion de l’air. Un antibiogramme des moisissures à ces endroits est recommandé périodiquement.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Évaluer la consommation de la ventilation

Répartition des coûts d’une ventilation

Les consommations liées à la ventilation hygiénique proviennent:

de la consommation électrique du (des) ventilateur(s) éventuel(s),
du chauffage de l’air neuf qui est porté à la température ambiante avant d’être évacué chaud vers l’extérieur.

Ordres de puissances

Puissance liée à l’apport d’1 [m³/h] d’air neuf en [W/(m³/h)]
	de	à
Puissance de chauffage	Pmax :		en fonction de la région, de la qualité de la production de chaleur, de la température intérieure de consigne et des apports de chaleur gratuits.
	9,4	15,6
	Pmoy :
	3,8	9,6
Puissance du ventilateur	0,2	1,1	en fonction de la qualité du ventilateur, des pertes de charge du réseau de distribution. Dans le cas d’une ventilation double flux, le coût des ventilateurs est plus important. Dans le cas d’une ventilation purement naturelle, elle est évidemment nulle.

Exemple.

Un système de ventilation fonctionne pendant 10 heures par jour et 250 jours par an, soit 2 500 heures par an, dont 1 700 en période de chauffe. Sa consommation énergétique pour 1 [m³/h] se situe dans les fourchettes suivantes :

Consommation	de …	à …
Chauffage	3,8 x 1 700 = 6,5 [kWh/an]	9,6 x 1 700 = 16,3 [kWh/an]
Ventilateurs	0,2 x 2 500 = 0,5 [kWh/an]	1,1 x 2 500 = 2,8 [kWh/an]
Totale	7 [kWh/an]	19,1 [kWh/an]

Le coût lié à cette consommation est donné en multipliant ces valeurs par un coût du kWh électrique et un coût du kWh thermique.

La puissance du ventilateur équivaut à la puissance nécessaire au transport de l’air plus les pertes au niveau du moteur, de la transmission et du ventilateur lui-même. Si ces trois éléments se trouvent dans le flux d’air pulsé, ce qui est fréquent dans les monoblocs de ventilation, on peut considérer que la totalité de la puissance absorbée pour transporter l’air se retrouve sous forme de chaleur dans l’air (la consommation d’un ventilateur d’extraction est perdue).

On estime ainsi que la température de l’air pulsé augmente de 1 à 1,5 [°C], à cause du ventilateur.

La consommation d’un ventilateur de pulsion ne doit donc pas être considérée comme une consommation complémentaire pour peu que l’on doive chauffer le bâtiment. En dehors des périodes de chauffe et a fortiori si on doit refroidir l’air, cette consommation est une perte.

À titre d’exemple, dans une année type moyenne, la température extérieure diurne est inférieure à 18,5 [°C] (= 20 [°C] – 1,5 [°C]) pendant 3 123 heures, période pendant laquelle les apports calorifiques du ventilateur sont utiles au chauffage de l’air neuf.

Il faut cependant noter que les apports calorifiques du ventilateur de pulsion doivent être considérés comme du chauffage électrique, mode de chauffage nettement plus onéreux et nécessitant une consommation d’énergie primaire plus importante que le chauffage par combustible. À ce titre, la consommation des ventilateurs de pulsion reste un poste important à gérer, même durant la saison de chauffe du bâtiment.

Consommation de combustible

Que l’air soit préchauffé avant son introduction dans le bâtiment (batterie de chauffage dans les gaines de pulsion) ou ne le soit pas (chauffage de l’air par mélange avec l’air ambiant), la consommation liée au chauffage de l’air neuf s’estime par la formule :

Cons_ch= 0,34 x q_vx ΔT_moyx h / η_ch

Où :

Cons_ch = consommation énergétique pour le chauffage de l’air neuf [Wh/an]
0,34 = capacité calorifique de l’air [Wh/m³.K]
q_v = débit d’air neuf [m³/h]
ΔT_moy = différence entre la température de consigne de l’ambiance et la température extérieure moyenne [°C]
h = nombre d’heures de fonctionnement annuel [h/an]
η_ch = rendement moyen saisonnier de l’installation de chauffage

Exemple.

Dans un bâtiment situé à Namur, un système de ventilation a un débit (q_v) d’air neuf de 3 000 [m³/h].

Il fonctionne durant une période (t) de 10 heures par jour et 250 jours par an, soit 2 500 heures par an, parmi ces heures, seulement 1 700 heures se situent durant la saison de chauffe (du 15 septembre au 15 mai).

La température extérieure moyenne diurne durant la saison de chauffe est de 8,5°C, tandis que la température de consigne des locaux est de 20°C.

Le rendement global de l’installation de chauffage par radiateurs (η_ch) est estimé à 0,7.

La consommation de chauffage de l’air neuf (Cons_él) s’élève à :

Cons_él= 0,34 x 3 000 x (20 – 8,5) x 1 700 / 0,7 =
28 487 143 [Wh/an] ou 28 487 [kWh/an]

Consommation d’électricité

Dans les systèmes de ventilation mécanique (simple ou double flux), la consommation électrique du (des) ventilateur(s) s’estime par :

Cons_él = (q_v/ 3 600) x Δp x t / η_vent

où,

Cons_él = consommation énergétique du transport de l’air [Wh/an]
q_v = débit d’air neuf [m³/h]
3 600 = 3 600 secondes par heure [s/h]
Δp = perte de charge (pulsion + extraction) [pa]
t = durée de fonctionnement [h/an]
η_vent= rendement total du système de ventilation (moyenne entre pulsion et extraction).

Exemple.

Un système de ventilation double flux a un débit (q_v) de 3 000 [m³/h], soit 3 000 / 3 600 = 0,833 [m³/s].

Il fonctionne durant une période (t) de 10 heures par jour et 250 jours par an, soit 2 500 heures par an.

La perte de charge (Δp) du réseau de distribution s’élève à 1 500 Pa (1 000 Pa pour le réseau de pulsion et 500 PA pour le réseau d’extraction).

Le rendement global des ventilateurs (η_vent) est de 0,65.

La consommation énergétique des ventilateurs (Cons_él) s’élève à :

Cons_él= 0,833 x 1 500 x 2 500 / 0,65 =
4 807 692 [Wh/an] ou 4 807 [kWh/an]

Attention, toute cette consommation ne doit pas toujours être considérée comme une perte car une partie de celle-ci est récupérée sous forme de chaleur par l’air neuf.

Paramètres de variation

Par rapport à cette situation, comment varient les consommations ?

En fonction du débit ?
La puissance des ventilateurs varie comme le cube du débit et les coûts de chauffage sont proportionnels : pour une augmentation 10 % du débit par rapport à la situation de l’exemple, on obtient une surconsommation totale de 11 % et un surcoût de 20 %.
En fonction du rendement du système de ventilation ?
Pour une diminution de 10 % du rendement du système de ventilation, on obtient une surconsommation totale de 1 % et un surcoût de 5 %.
En fonction du temps de fonctionnement ?
Pour une augmentation de 10 % des temps de fonctionnement journaliers, on obtient une surconsommation totale de 10 % et un surcoût de 10 %.

Au vu de ces ordres de grandeur, on peut établir un ordre d’action sur une installation de ventilation existante

Adapter les débits d’air aux besoins pour limiter les frais de chauffage.
Améliorer l’efficacité énergétique des équipements pour fournir les débits demandés avec une consommation minimum.

Calculs

Pour évaluer la consommation de votre propre installation.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir la gestion de l’énergie – mesures organisationnelles

La cuisson

Toutes les mesures organisationnelles visent à réduire la part d’énergie perdue, soit en évitant les déperditions calorifiques, soit en choisissant le procédé de cuisson présentant le meilleur rendement. D’où la liste de mesures ci-après :

N’enclencher les appareils qu’immédiatement avant leur utilisation.

Ne préchauffer les appareils que le temps absolument nécessaire (exemple : 10 à 15 minutes pour une friteuse, 20 minutes pour un four statique mais seulement quelques minutes pour un four à convection forcée).

Abaisser la puissance de chauffe dès que possible.

Déclencher les appareils en fin d’utilisation.

Choisir des ustensiles d’un diamètre correspondant à celui des plaques de cuisson. La partie chaude, non utilisée de la plaque n’accélère pas le processus de cuisson mais réchauffe le local.

Choisir les marmites et casseroles en fonction des quantités à cuire. La cuisson de petites quantités dans des récipients surdimensionnés absorbe trop d’énergie pour le chauffage du récipient.

Des fonds de récipients non plans, ou des surfaces de cuisson non planes, empêchent la transmission de la chaleur, prolongent le temps de cuisson, augmentent la consommation d’énergie et entraînent la défectuosité prématurée de la plaque par surchauffe.

Chaque fois que le procédé de cuisson le permet, couvrir les marmites et récipients, fermer les portes des fours et armoires chauffantes.

Cuire sous pression raccourcit le temps de cuisson et économise l’énergie.

Chaque fois que le procédé le permet, utiliser l’eau chaude du boiler. Les boilers présentent un rendement élevé et, pour la plupart, sont chauffés avec du courant de nuit bon marché.

Ne pas laisser l’équipement se refroidir entre deux opérations successives. Pour un four, par exemple, préparer un deuxième jeu d’étagères.

Vérifier périodiquement le bon fonctionnement du ventilateur ou de la turbine et la propreté du filtre des fours à convection forcée.

La réfrigération

N’ouvrir que brièvement les portes des locaux et armoires réfrigérés. Fermer correctement les portes. Les portes ouvertes augmentent non seulement la consommation d’énergie, mais réduisent également la durée de conservation des marchandises.La consommation d’une armoire ou d’une chambre frigorifique peut être 5 fois plus importante si les portes sont régulièrement ouvertes.

Le maintien de l’ordre dans les locaux et armoires réfrigérés réduit le temps de chargement et de service. Un nombre suffisant de rayonnages facilite le rangement.

Éteindre la lumière des locaux réfrigérés. L’énergie payée pour l’éclairage doit être payée une deuxième fois pour l’évacuation de la chaleur produite.

De grandes quantités d’aliments chauds sont avantageusement préréfrigérées à l’eau froide pour être ultérieurement entreposées en local réfrigéré.

Contrôler l’étanchéité des joints de portes. Des joints défectueux provoquent des pertes d’énergie. Remplacer les joints défectueux.

Contrôler la température des locaux. Des températures trop élevées conduisent à l’altération prématurée des marchandises, des températures trop basses augmentent la consommation d’énergie.

Contrôler le dégivrage automatique. Les évaporateurs pris dans la glace gênent la transmission de la chaleur entre l’échangeur et l’air du local. La machine frigorifique doit travailler plus longuement.

Nettoyer les condenseurs. Le condenseur refroidi à air a pour tâche d’évacuer à l’extérieur la chaleur retirée du local réfrigéré. Un fort encrassement porte préjudice à cet échange de chaleur et conduit à un temps de fonctionnement accru de la machine frigorifique.

Emballer les denrées alimentaires. Couvrir les récipients de liquide. L’air réfrigéré en circulation prélève l’humidité des marchandises. Celle-ci se transforme en glace sur l’évaporateur. L’emballage évite également le transfert d’odeurs.

Organiser la réception et l’emmagasinage des marchandises de façon à ce que le temps d’ouverture et de séjour à l’intérieur des locaux réfrigérés soit limité au minimum.

Un appareil de conservation doit toujours être chargé. Sinon, à chaque ouverture de porte, l’air chaud remplit l’appareil qui devra être refroidi. Le groupe doit se mettre constamment en route; ce qui consomme de l’énergie et use le compresseur. S’il ne contient pas assez d’aliments, on chargera l’appareil avec de la matière présentant de l’inertie telle que de l’eau.

Le lavage de la vaisselle

L’énergie mise en œuvre pour le lavage et le rinçage de la vaisselle est entièrement évacuée, soit en chaleur perdue vers l’extérieur, soit avec l’eau de lavage vers la canalisation. Une part minime de cette chaleur peut être récupérée si la vaisselle propre est immédiatement réaffectée au service.

Évacuer les restes d’aliments. En cas d’utilisation d’une machine à bac unique, prélaver la vaisselle à l’eau froide au moyen d’une douche. Faire dissoudre les restes incrustés par trempage à l’eau froide. Le temps de lavage de la vaisselle prélavée est plus court, la consommation de produits de lavage est réduite.

Effectuer le tri de la vaisselle. Charger complètement les paniers et bandes de transport. Des corbeilles et bandes chargées à moitié allongent le temps de lavage et augmentent les consommations d’énergie, d’eau et de produits de lavage. En effet, une machine incomplètement remplie coûte le même prix en frais d’exploitation que si elle l’est complètement.

Contrôler les températures de l’eau de lavage et de rinçage. De trop hautes températures n’améliorent pas l’effet de lavage, elles ne font qu’augmenter la consommation d’énergie.

Températures recommandées :

Prélavage : 40-45 °C,
Lavage : 55-60 °C,
Rinçage : 80-85°C.

Contrôler la consommation d’eau ou la faire contrôler. Le chauffage final de l’eau de rinçage utilise beaucoup d’énergie. Décaler la période de lavage en dehors de la pointe quart-horaire ou même vers les heures creuses.

Le chauffage

S’il n’y a pas de régulation sur le chauffage, ne mettre les appareils de chauffage du local en route que par basses températures extérieures et lorsque la cuisine n’est pas en service pendant plusieurs jours.

La ventilation

Si l’enclenchement de la ventilation mécanique se fait manuellement ou à partir d’une horloge (donc sans détecteur), ne l’enclencher qu’immédiatement avant usage et la déclencher après.

Une installation de ventilation mécanique n’aspire pas que la chaleur et l’air saturé de la cuisine, mais puise de l’air extérieur frais. Afin d’éviter la formation de buées, l’air frais doit être préchauffé lorsque les températures extérieures sont basses. C’est pourquoi les fenêtres doivent rester fermées lorsque la ventilation fonctionne. Sans quoi, il peut arriver qu’en place de l’air de la cuisine ce soit l’air frais entrant par les fenêtres qui soit aspiré.

L’éclairage

Éteindre la lumière. Ceci est particulièrement important pour les locaux réfrigérés, les économats et d’autres locaux peu fréquentés.

Aide-mémoire

Point de contrôle	Périodicité du contrôle
Point de contrôle	Journalière	Périodique
Cuisson
Enclencher les appareils	x
Préchauffer	x
Réduire la puissance	x
Déclencher les appareils	x
Récipients et plaques de cuisson	x
Quantité à cuire – capacité des récipients	x
Planéité des fonds et des plaques		Semestriel
Couvercles et portes	x
Cuisson sous pression	x
Eau chaude du boiler	x
Bonne succession des opérations	x
Ventilateur four à convection forcée		x
Réfrigération
Fermer les portes	x
Emmagasiner avec ordre	x
Lumière dans locaux réfrigérés	x
Préréfrigérer à l’eau froide	x
Joints de portes		Semestriel
Température du local réfrigéré		Mensuel
Dégivrage de l’évaporateur		Mensuel
Nettoyage du condenseur		Semestriel
Emballage des denrées	x
Charge de l’appareil de conservation	x
Lavage de la vaisselle
Évacuer les déchets	x
Charge de la machine	x
Contrôle des températures		Semestriel
Contrôle de la consommation d’eau		Semestriel
Décalage en heures creuses	x
Chauffage
Fermer les radiateurs		Mensuel
Ventilation
Enclencher – déclencher la ventilation	x
Éclairage
Éteindre la lumière	x

Entretien des équipements

L’entretien des installations doit être prioritaire : maintenir la propreté des appareils pour des considérations d’hygiène et conserver les performances énergétiques nécessitent le nettoyage :

des brûleurs gaz, des injecteurs,
des ailettes des échangeurs des réfrigérateurs ou des chambres froides, tous les mois,
des filtres d’extraction des hottes ou plafonds filtrants fermés ou les éléments actifs des plafonds filtrants ouverts, toutes les semaines,
des conduits d’aération et de ventilation (périodicité à définir pour chaque installation),
sur le lave-vaisselle, l’évaporateur de la pompe à chaleur ou la batterie du récupérateur de chaleur doivent être nettoyés régulièrement.

La vérification périodique des installations doit être confiée à un service d’entretien qualifié.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Modes de cuisson

Conduction

Transfert par contact étroit entre un corps de chauffe et l’aliment à chauffer.

Température utile : 80 à 250 °C.

Exemples d’application : toutes les méthodes utilisant des ustensiles de cuisson posés sur des réchauds, tels que poêles, casseroles, marmites, procèdent par conduction.

Il en est de même lorsque l’aliment est en contact direct avec le corps de chauffe, par exemple grill, sauteuse, plaque à rôtir, four de pâtisserie à sole.

Rayonnement

Transfert de la chaleur par rayons infrarouges, sans contact d’un corps de chauffe porté à haute température, sur un corps à température inférieure.

Température utile : 250 à 350 °C

Exemples d’application : salamandre, grill tournant, broche, toaster.

Convection

Transfert laminaire ou turbulent de la chaleur, effectué en continu, d’un corps de chauffe à la surface extérieure de l’aliment à chauffer, par l’intermédiaire d’un fluide comme l’air, l’eau ou l’huile.

Température utile : 80 à 250 °C.

Exemples d’application : four à air pulsé, four combiné air-vapeur, marmite (pour blanchir), friteuse.

Condensation

Transfert de la chaleur par condensation de vapeur sèche saturée. Le transfert s’effectue à l’intérieur de l’appareil de cuisson depuis un générateur de vapeur, jusqu’à l’aliment à chauffer.

Température utile : 90 à 120 °C.

Exemples d’application : cuiseur à vapeur avec ou sans pression, marmite à pression avec paniers.

Micro-onde

Génération de chaleur par émission d’ondes à haute fréquence (2400 MHz). Les ondes sont dirigées par une enceinte sur l’aliment à chauffer. L’échauffement se produit par agitation des molécules d’eau contenues dans l’aliment.

Exemples d’application : fours et tunnels à micro-ondes, fours combinés air-vapeur-micro-ondes.

Température utile : max. 100 °C.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Lampes à induction

Comment fonctionne une lampe à induction ?

La lampe à induction est une lampe à mercure basse pression comme le tube fluorescent et la lampe fluocompacte.

Comme dans la lampe fluorescente, la lumière est produite par ionisation des atomes de gaz présents dans l’ampoule. Les rayonnements invisibles produits sont rendus visibles grâce à une poudre fluorescente présente sur la face interne de l’ampoule.

Dans une lampe à induction, il n’y a pas d’électrode. L’ionisation des atomes est réalisée par un champ électromagnétique créé par la circulation d’un courant à haute fréquence dans une bobine appelée « antenne ».
Cette bobine est placée au centre de l’ampoule dans la cavité prévue à cet effet. Le courant à haute fréquence est produit par un générateur extérieur. Celui-ci est directement relié à l’antenne.

Caractéristiques générales

La durée de vie de cette lampe est exceptionnelle. Après 60 000 heures, le flux lumineux est descendu à 70 % du flux initial, et 20 % des lampes sont mortes.

C’est le fait que l’antenne soit placée à l’extérieur de l’ampoule qui permet d’obtenir cette durée de vie exceptionnelle. En effet, aucune usure ne se produit sur les composants puisqu’il n’y a plus ni électrode, ni filament.

Sa caractéristique de couleur est comparable à celle d’une lampe fluorescente de classe IB.

Application : la lampe à induction est utilisée là où la maintenance est difficile ou coûteuse, et dans des situations requérant de longues périodes de fonctionnement.

Cependant, peu de fabricants la commercialisent encore.

Données	Pour connaitre les caractéristiques des lampes à induction.
Données	Pour consulter un récapitulatif des caractéristiques des différents types de lampe.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Identifier une surchauffe liée à la régulation

Absence de régulation en fonction des apports gratuits

Absence de vannes thermostatiques

Il est fréquent de rencontrer un ou plusieurs locaux situés sur le circuit distribution commun au bâtiment et qui présente des surchauffes dès :

l’apparition du soleil,
que plusieurs personnes se réunissent,
…

En gros, dès que des apports de chaleur gratuits viennent en supplément de l’installation de chauffage.

Pour profiter de ceux-ci et limiter les surchauffes, il faut que l’émission de chaleur locale puisse se réduire automatiquement. Pour cela la solution la plus simple est le placement de vannes thermostatiques, puisque celles-ci ont pour mission de réduire le débit du radiateur et de maintenir une température constante dans le local.

Radiateur ensoleillé sans vanne thermostatique.

Améliorer

Placer des vannes thermostatiques

Cette solution est souvent directement rejetée dans certaines institutions, principalement pour des raisons de résistance mécanique. Et pourtant des solutions existent, qui s’adaptent à ces situations.

Attention, cependant la présence de vannes thermostatiques ne permet pas d' »innocenter » la régulation locale dans les problèmes de surchauffe. Encore faut-il que ces vannes soient correctement utilisées (pour les vannes à réglage accessible) par les occupants.

Pour cela, il faut que ceux-ci soient informés du rôle et du fonctionnement des vannes.

Gérer

Pour télécharger des affiches de sensibilisation des occupants à l’utilisation des vannes thermostatiques, cliquez ici !

Exemple.

Les occupants ayant une sensation de manque de chaleur ont tendance à placer la consigne de la vanne sur 5.

Vanne thermostatique complètement ouverte.

La vanne sera ainsi maintenue en permanence en position ouverte. En gros, elle est devenue inutile.

Le bon comportement est d’augmenter légèrement la consigne pour que celle-ci corresponde aux besoins. Si ceux-ci ne sont jamais satisfaits, il faudra chercher la cause ailleurs.

Vanne thermostatique réglée sur une position plus ou moins correcte.

Absence de circuits propres avec leur sonde extérieure

La présence d’autres équipements dans l’installation de chauffage seront des indices permettant d’écarter l’hypothèse d’une absence de régulation en fonction des apports gratuits. Ainsi le réseau de distribution de chauffage peut être dissocié en fonction de l’orientation et de l’occupation des locaux. Une façade soumise à l’ensoleillement peut être équipée de son propre circuit de chauffage commandé par sa propre sonde extérieure associé éventuellement à une sonde d’ensoleillement ou une sonde intérieure de compensation qui corrigera la température de l’eau en fonction de la véritable température mesurée dans un local témoin.

Distribution du chauffage répartie par façade avec sonde extérieure propre.

Sonde extérieure et sonde d’ensoleillement.

Améliorer

Placer des vannes thermostatiques, placer une sonde d’ensoleillement.

Mauvais réglage des courbes de chauffe

Dans la plupart des installations de chauffage du secteur tertiaire, la température de l’eau distribuée dans les différents circuits est régulée en fonction de la température extérieure, suivant une correspondance appelée courbe de chauffe.

Courbe de chauffe. Par exemple, quand la température extérieure est de 3°C, la température de l’eau de chauffage est réglée à 70°C.

Un mauvais réglage des différentes courbes, c’est-à-dire une température d’eau trop élevée, provoquera une surchauffe dans certaines zones du bâtiment.

A priori, si la cause de l’inconfort est une température d’eau trop élevée, la surchauffe se fera ressentir dans une bonne partie des locaux desservis par le circuit incriminé.

En principe, chaque bâtiment (ou zone de bâtiment) a une courbe de chauffe qui lui correspond (fonction de son degré d’isolation, de sa température de consigne et du surdimensionnement de ses corps de chauffe). C’est pourquoi, il est impossible à un chauffagiste ne vivant pas dans le bâtiment de régler la bonne courbe. C’est aussi pourquoi il est impossible de dire ici quelle doit être la bonne température de l’eau. Tout au plus, peut-on comparer la courbe réelle à une courbe standard avec laquelle la température de l’eau équivaut à environ :

80°C lorsque la température extérieure est de – 10°C (température minimum de dimensionnement),
20°C lorsque la température extérieure est de 20°C (il n’y a plus de besoin de chauffage et donc plus de puissance à fournir).

Améliorer

Régler une courbe de chauffe.

Attention cependant, le principe de la régulation centralisée est qu’elle fournit les mêmes conditions de fonctionnement à tous les locaux raccordés sur un même circuit. Elle ne donnera donc satisfaction à tout le monde que si tous ces locaux ont des besoins semblables : même orientation, mêmes apports internes, même degré de surdimensionnement des émetteurs. Si ce n’est pas le cas, la tendance sera d’augmenter la température de l’eau de manière à satisfaire les plus défavorisés. Il en résultera des surchauffes pour les autres et le plus souvent une régulation de leur température ambiante par ouverture des fenêtres. Parfois donc, la seule régulation de la température d’eau distribuée à partir d’une sonde extérieure n’est pas suffisante. Il faudra lui adjoindre une régulation locale complémentaire (vannes thermostatiques).

N’oublions pas, en outre, qu’une sonde extérieure peut être défectueuse !

Mauvais fonctionnement des sondes intérieures

Emplacement des thermostats d’ambiance

Les mesures prises par un thermostat d’ambiance doivent être représentatives de la zone qu’il doit réguler

Il ne doit pas être caché (derrière une armoire, une affiche, …). Si c’est le cas, cela conduira soit à des surchauffes et une surconsommation (thermostat situé dans une zone moins influencée par les sources de chaleur), soit à un manque de chaleur (thermostat situé dans une zone directement influencée par les sources de chaleur).
Il doit être situé dans un local représentatif des besoins des autres locaux situés sur le même circuit. S’il est dans un local bénéficiant de moins d’apports de chaleur (peu d’occupants, pas d’ordinateurs, pas d’ensoleillement, …), il fournira trop de chaleur aux autres locaux, y créant un inconfort. Cela doit être compensé par des vannes thermostatiques dans les autres locaux.

Sonde d’ambiance derrière un porte-manteau.

Incompatibilité entre thermostat d’ambiance et vannes thermostatiques

Le local abritant un thermostat d’ambiance ne peut jamais comporter de vanne thermostatique.

En effet, si la consigne du thermostat d’ambiance est plus élevée que la consigne des vannes, le thermostat ne sera jamais satisfait puisque les vannes thermostatiques se fermeront avant.

Dans le cas d’une installation dans laquelle le thermostat agit directement sur le brûleur, cette demande entraînera le fonctionnement permanent du brûleur jusqu’à ce que la température de la chaudière atteigne sa limite haute. En résumé, la chaudière fonctionnera en permanence à haute température, ce qui est énergétiquement moins efficace.

Si le thermostat agit sur une vanne mélangeuse, celle-ci restera en permanence en position ouverte, alimentant les circuits à température maximale.

Dans les deux cas, il peut en résulter une surconsommation et des surchauffes dans les autres locaux.

À l’inverse, si la consigne du thermostat est plus basse que la température de consigne des vannes thermostatiques, ces dernières resteront en permanence ouvertes en grand et deviennent donc inutiles.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Récupérer la chaleur du condenseur de la machine frigorifique [Concevoir – Climatisation]

Principe de fonctionnement

Une machine frigorifique transfère de la chaleur extraite du bâtiment vers l’extérieur.

Il semble dès lors logique de tenter de récupérer la chaleur sur le condenseur de la machine frigorifique.

Fonctionnement du condenseur

En principe, trois opérations successives se passent dans le condenseur de la machine frigorifique :

Évolution des températures du fluide frigorigène
et du fluide de refroidissement.

Dans une machine frigorifique, les gaz qui sont expulsés par le compresseur en fin de compression sont à très haute température (de 70 à 80°C). On dit qu’ils sont surchauffés. Comme la condensation se fait à une température largement inférieure (aux alentours de 40°C, par exemple), une quantité de chaleur va devoir être évacuée des gaz surchauffés pour les amener à leur température de condensation qui correspond à la pression de refoulement (dite pression de condensation). C’est la désurchauffe.
Puis lors de la condensation elle-même, une importante quantité de chaleur va aussi devoir être évacuée pour liquéfier (si possible complètement) le fluide frigorigène gazeux.
Enfin, si les conditions des échanges thermiques dans le condenseur le permettent (température du fluide refroidisseur suffisamment basse, débit du médium de refroidissement suffisamment important), le liquide condensé va subir le sous-refroidissement, ce qui améliore le rendement de l’évaporateur.

Récupération de l’énergie

Dans certains cas, on pourrait envisager de récupérer cette énergie pour chauffer de l’eau ou de l’air, au lieu de la gaspiller en pure perte :

si on a des besoins en eau chaude sanitaire de température pas trop élevée (45° à 50°C);
si on a des besoins de chauffage pour des locaux contigus;
si on veut éviter ou diminuer la puissance de climatisation du local des machines, ou faire des économies d’énergie sur ce poste;
si on veut participer à la lutte contre le réchauffement global de l’atmosphère.

Par exemple, voici ce qui peut être réalisé à partir du préparateur d’eau glacée ci-contre.

Le fonctionnement normal est de refroidir l’eau glacée à l’évaporateur (cooler). La chaleur contenue dans le fluide frigorigène évaporé est comprimée puis condensée dans un condenseur à air (fonctionnement classique d’une machine frigorifique).

Par contre, si un récupérateur de chaleur est placé, le réfrigérant passe d’abord dans un condenseur à eau (le récupérateur en question) pour donner la chaleur de désurchauffe, puis pour se condenser. Le liquide à haute pression passe au travers du détendeur avant de repasser à l’évaporateur. La chaleur excédentaire est rejetée via le condenseur à air.

La récupération de l’énergie du côté des condenseurs suppose évidemment des investissements supplémentaires par rapport à des machines classiques plus simples

des échangeurs de condenseurs adaptés;
des réservoirs-tampons pour l’eau chaude sanitaire ou de chauffage;
une disposition plus compliquée des tuyauteries;
une bonne évaluation des pertes de charge dans les tuyauteries;
une régulation complète permettant le contrôle correct de toute l’installation, y compris des récupérateurs.

Étant donné les spécificités inhérentes à chaque projet, le rapport entre l’investissement et les économies d’énergie doit faire l’objet de calculs adaptés, à demander aux auteurs de projet. Il faut en effet considérer ensemble la machine frigorifique et les appareils de production d’eau chaude sanitaire ou de chauffage.

Le bilan doit prendre en compte :

l’apport d’énergie « gratuite » par la machine frigorifique,
le fait que l’on doit quand même disposer, en plus des récupérateurs, d’une puissance installée suffisante pour pallier les périodes où la machine frigorifique ne fonctionne pas,
la pénalisation énergétique apportée toute l’année par l’échangeur supplémentaire,
le cas où le condenseur de la machine frigorifique doit assurer à lui seul, l’évacuation de toute la chaleur (lorsqu’il n’y a pas de besoin d’énergie dans les récupérateurs, ou quand ces derniers sont arrivés à leur consigne maximale de température).

Exemple d’application très intéressante

Le plus logique est de récupérer la chaleur sur le condenseur à air pour chauffer directement l’air d’un local. Ainsi, un supermarché Delhaize à Bruxelles évacue la chaleur du condenseur du groupe frigorifique (armoires de congélation) en créant un rideau d’air chaud à l’entrée du magasin. En été, la chaleur est déviée en toiture par un clapet.

Études de cas

Pour visualiser un exemple de schéma d’une installation avec stockage de glace et récupération de chaleur au condenseur.

Application sur une installation de ventilo-convecteur 4 tubes

Dans le cas des ventilos-convecteurs à 4 tubes, si le réseau d’eau glacée fonctionne en hiver et en mi-saison, n’y a-t-il pas intérêt à récupérer la chaleur au niveau du condenseur de la machine frigorifique ?

Par exemple, ne pourrait-on pas imaginer que le chauffage apporté vers les locaux en façade Nord soit récupéré sur le condenseur de la machine frigorifique refroidissant le centre informatique du bâtiment ?

En pratique, il semble que ce soit difficile :

La récupération de chaleur risque de se faire à une température trop haute. Les ventilos-convecteurs ont besoin d’eau à 40°…45°C en hiver. Donc la condensation devrait se faire à une température de 50°C. Or, à cette saison, le condenseur peut être refroidi à une température bien inférieure, puisque l’air extérieur est très froid. La récupération risque de pénaliser le COP de la machine frigorifique …
Par exemple, une machine frigo qui prépare de l’eau à 7°C, avec un condenseur à eau refroidi à 27…32°C, génère un COP-froid de 6. Soit 6 kWh froid pour 1 kWh électrique. Pourquoi risquer de dégrader un tel système …?
La récupération de la désurchauffe semble surtout intéressante, puisque les températures y sont plus élevées, mais la quantité d’énergie y est plus faible que dans la phase de condensation (refroidir un gaz libère peu d’énergie par rapport à condenser ce gaz).
Les puissances en jeu ne s’accordent pas forcément puisqu’elles sont antagonistes : en plein hiver, la demande de froid risque d’être trop faible pour apporter de la chaleur utile au réseau d’eau chaude et en mi-saison, la demande de chaleur risque d’être insuffisante pour évacuer la chaleur au condenseur, générant ainsi sa montée en température défavorable.

De plus, en hiver, il y a concurrence avec le procédé de free-chilling qui refroidit directement la boucle d’eau froide avec l’air extérieur. Plutôt que de récupérer au condenseur de la machine frigorifique, celle-ci est totalement arrêtée !

Enfin, il faudrait comparer ce système avec le système DRV (Débit de Réfrigérant Variable) qui dispose d’une version avec récupération d’énergie apte à réaliser ce type de transfert directement au niveau des locaux.

Exemple

Ci-dessus, d’une part, un réservoir à glace a été adjoint à l’équipement frigorifique, permettant de stocker du froid la nuit au moment où l’électricité est moins chère, pour l’utiliser le jour par la fonte de la glace.

D’autre part, en mi-saison, on récupère la chaleur au condenseur : à ce moment, la chaleur captée dans les locaux à refoidir est récupérée dans les locaux à réchauffer. L’installation est alors particulièrement économe puisque seule la consommation des compresseurs est à fournir.

En plein été, la dissipation de chaleur se fait par un condenseur traditionnel (dit condenseur de rejet). En plein hiver, une chaudière d’appoint reste nécessaire pour vaincre la forte demande.

Application au préchauffage de l’eau chaude sanitaire

L’idée est ici de profiter d’un besoin de chauffage d’un fluide à basse température (la température de l’eau de ville varie entre 5° en hiver et 15°C en été).

Mais le système ne fonctionnera bien que lorsque la puissance de récupération nécessaire est supérieure à la puissance fournie par le condenseur. Autrement dit, il faut que les besoins d’eau sanitaire soient très importants par rapport à la puissance de la machine frigorifique.

Ainsi, dans un immeuble de bureaux, les besoins d’eau chaude sanitaire sont faibles. La température de l’eau sera élevée dans le ballon (…60°C…). Si le condenseur est intégré dans le ballon d’eau chaude sanitaire, la machine frigorifique va travailler avec une pression de condensation élevée. La performance de la machine frigorifique va se dégrader. Si la pression de condensation s’élève encore, le pressostat HP (Haute Pression) de sécurité risque d’arrêter la machine… Un deuxième condenseur en série est alors nécessaire pour éliminer les calories. Le coût de l’installation paraît difficile à rentabiliser. D’ailleurs, faut-il encore de l’eau chaude dans les bureaux ?

Tout au contraire, dans un hôtel, dans un hôpital, dans des cuisines industrielles, des boucheries, … les besoins d’eau chaude sont élevés et une récupération de chaleur au condenseur se justifie tout à fait. Mais un ballon de préchauffage est propice au développement de la légionelle. Il faut donc s’assurer que l’eau séjournera durant un temps suffisamment long dans le dernier ballon : 60°C durant 30 minutes ou 70°C durant 4 minutes, par exemple (en cas de débit de pointe, de l’eau « contaminée » risque de traverser seulement le 2ème ballon).

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

Dans le système ci-contre, un simple échangeur thermique (placé en série et en amont du condenseur normal) est inséré au bas d’un ballon d’eau chaude. Par effet de cheminée, la chaleur sera donnée à la zone la plus froide du ballon puis communiquée à l’ensemble du réservoir.

On parle de condenseur-désurchauffeur parce que la désurchauffe des gaz provenant du compresseur aura lieu dans cet échangeur.

La réglementation impose le principe selon lequel il ne doit pas y avoir de contact possible entre le fluide frigorigène et l’eau potable. En cas de perforation de l’enveloppe du fluide, la détérioration éventuelle doit se manifester à l’extérieur du dispositif.

Dans l’échangeur ci-dessus, une double paroi de sécurité est prévue selon DIN 1988.

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

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

Dans ce ballon intermédiaire, il n’y a aucun risque de dépôt calcaire puisque l’eau n’est jamais renouvelée.

En cas de fuite de fluide frigorigène, la pression dans le ballon augmente et une alarme est déclenchée.

Un deuxième condenseur en série est nécessaire pour le cas où le besoin de chauffage de l’eau sanitaire serait insuffisant.

Schéma 3 : en présence d’une boucle de distribution

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

Un tel schéma (contrairement au précédent) risque cependant d’être propice au développement de la légionelle, puisque le ballon de récupération peut être à une température inférieure à 60°C durant un temps assez long. Il n’est pas à recommander si des douches sont présentes dans l’installation.

On trouvera de nombreux schémas techniques d’application dans l’excellent ouvrage Climatisation et Conditionnement d’air – Tome 2 – Production de chaud et de froid de J. Bouteloup.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir l’isolation de la gaine d’ascenseur

Prévoir une zone « chaude »

Position du noyau d’ascenseur

Dans la programmation d’un bâtiment tertiaire, l’étude des flux privilégiés par rapport aux déplacements verticaux est primordiale. Une configuration courante du noyau de l’ascenseur qui répond bien aux exigences de fluidité de déplacement, de convivialité entre occupants, …, est une configuration centrale. Thermiquement parlant, cette configuration permet d’intégrer facilement la gaine d’ascenseur et ses annexes dans le volume protégé.

Configuration centrale.

Une autre configuration existe en conception nouvelle, notamment avec la venue des ascenseurs de type panoramique; le noyau d’ascenseur est décentré. Cette configuration est moins intéressante au niveau des flux des personnes et énergétiquement parlant. De plus, les surfaces déperditives sont plus importantes et nécessitent aussi une isolation (la surface à isoler est plus importante).

Configuration décentrée.

Le cas extrême est celui de l’ascenseur panoramique qui coupe la continuité du volume chauffé.

Ascenseur panoramique.

Volume de la gaine inclus dans le volume protégé

L’intégration dès le projet de conception d’une zone « chaude » est la solution idéale pour maîtriser les consommations énergétiques. Le fait de prévoir l’isolation des parois du pied et du sommet de la gaine (ou du local des machines si existant) permet au volume de l’ascenseur d’intégrer le volume protégé devenant ainsi une zone « chaude » à part entière.

Un grand nombre de techniques d’isolation existe.

Isolation du pied de gaine d’ascenseur

Selon Suisse énergie l’isolation du pied de la gaine d’ascenseur permet de réduire les ponts thermiques et, par conséquent, les déperditions thermiques.

Source Suisse énergie.

Isolation

Pour en savoir plus sur les techniques d’isolation des murs et des planchers.

Isolation des cabanons de toiture

Pour intégrer le volume ascenseur dans le volume protégé, il faut isoler, dans la mesure du possible, les murs et la toiture du cabanon.

Isolation

Pour en savoir plus sur les techniques d’isolation des murs et des planchers.

Généralement, les toitures couvrant la salle des machines des ascenseurs sont des toitures plates.

Isolation

Pour en savoir plus sur les techniques d’amélioration de l’isolation des toitures plates.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Diminuer le niveau sonore [Ventilation]

Plan d’action

Soit le bruit est aérien

Évaluer

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

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

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

Soit le bruit est solidien (bruit d’impact)

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

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

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

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

Modifier la disposition des locaux

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

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

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

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

Réaliser le doublage acoustique des parois

Si le son perturbateur est créé par du bruit aérien traversant une paroi, il est possible de doubler celle-ci.

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

Schéma doublage acoustique des parois.

Exemple.

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

Insérer une gaine entre local et source sonore

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

Exemple.

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

À la place d’un tuyau flexible courant entre le ventilateur et la gaine, on a installé un tuyau flexible amortisseur de bruit. Vu le peu d’espace disponible, on ne put obtenir une réduction que de 9 dB. La différence était cependant sensible…

Placer un silencieux

Le placement de silencieux permet d’absorber le bruit véhiculé par le réseau.

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

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

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

Règle de bonne pratique.

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

On est parfois tenté de placer des silencieux exagérément dimensionnés (donc plus onéreux), qui génèrent tout au long de leur vie des pertes de charge et donc une consommation supplémentaire du ventilateur…

Une mesure du niveau sonore existant et une évaluation du niveau à atteindre permettra de dimensionner le silencieux de façon nettement plus précise.

Piège à son pour tourelle d’extraction ou de pulsion.

Tourelles d’extraction équipées d’un silencieux.

Garnir les conduits aérauliques de matériau absorbant

Solution courante

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

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

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

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

Mieux, on introduira un silencieux acoustique.

Baffle acoustique.

En milieu hospitalier

On évitera l’isolation interne car il y a, malgré tout, un risque non négligeable de développement de germes dans les conduites; les panneaux isolants servant de substrat. Si vraiment le problème est insoluble, on placera une isolation externe classique.

Placer des supports antivibratiles

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

Plot antivibratile.

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

Pour dimensionner correctement les plots antivibratiles, il faut connaître

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

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

Exemple.

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

En pratique, on rencontre

des ressorts, utilisés pour toutes les fréquences propres mais surtout lorsqu’ 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 sur un matelas de laine minérale ou de mousse plastique souple, pour les fréquences propres moyennes ou aiguës.

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

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

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

Couper la transmission par les conduits

Des vibrations de ventilateurs ou de compresseurs peuvent également se transmettre au réseau de distribution. Pour l’éviter, il est utile de réaliser des raccordements souples entre les conduits (fluides, gaz, électricité…) et la machine qui vibre, afin d’éviter non seulement la transmission des vibrations, mais également le risque de rupture.

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

On pense également au placement de manchettes de compensation de part et d’autre du caisson de ventilation.

Placer des bouches d’amenée d’air naturelle isophoniques

Dans le cas d’une ventilation avec amenées d’air naturelles (grilles réglables), il faut veiller à limiter la transmission des bruits extérieurs. 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.

Il existe pour cela des grilles intégrant un absorbeur acoustique.

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).

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir le mode de gestion des débits

Le principe

La réglementation prévoit un débit d’air neuf hygiénique minimum.

Mais elle n’oblige pas à apporter de l’air neuf lorsque le bâtiment n’est pas occupé ! Elle n’oblige pas non plus à fournir le débit nominal (maximum) lorsque le bâtiment est partiellement occupé …

Ce principe fait d’ailleurs l’objet d’une réglementation en France : « la ventilation doit pouvoir être réduite de 50 % dans le cas d’une occupation discontinue et être coupée en cas d’inoccupation ».

Gérer la ventilation « à la demande », c’est doser précisément le débit d’air neuf en fonction des besoins réels de ventilation. Par exemple, dans une salle de réunion, la ventilation ne fonctionnera que lorsque des personnes sont effectivement présentes.

Cette gestion permet des économies

Sur le chauffage de l’air neuf grâce à la diminution de la quantité d’air introduite dans le bâtiment.
Sur le refroidissement du bâtiment par le principe du free cooling mécanique
En fonction du mode de réglage choisi, sur la consommation électrique du ventilateur de pulsion et/ou d’extraction.

Évaluer

Exemple de répartition des coûts énergétiques de la ventilation : cliquez ici !

Le principe appliqué dans les différents schémas de gestion possible, consiste à évaluer les besoins réels en ventilation grâce à un capteur (simple horloge, sonde de présence, sonde CO₂, sonde COV , compteur de passage, sonde de température en cas de free cooling) et à adapter les débits d’air neuf en conséquence :

Pour un système de ventilation unizone, c’est-à-dire lorsqu’un groupe de ventilation (simple ou double flux) n’alimente qu’un seul local (simple extraction sanitaire, salle de conférence, …), la gestion se fera directement sur le débit du ventilateur.
Pour un système de ventilation multizone, c’est-à-dire lorsqu’un groupe de ventilation alimente plusieurs locaux (bureaux individuels, …), la gestion individuelle de chaque local se fera au niveau de l’ouverture des bouches de pulsion en double flux, le débit des ventilateurs étant adapté en conséquence. On parle alors de Ventilation à Volume d’Air Variable (VAV), dont les applications les plus fréquentes sont liées au refroidissement des locaux, mais dont le domaine d’application peut être élargit au chauffage au seul besoin d’air hygiénique dans des locaux à occupation variable.

Gestion d’un système unizone simple flux.

Gestion d’un système multizone double flux.

Ainsi, l’organisation d’une gestion de la ventilation « à la demande » consiste à :

trouver le capteur fidèle des besoins réels de ventilation,
adapter le débit des bouches en fonction de la lecture du capteur,
régler le débit des ventilateurs en fonction de l’ouverture des bouches ou directement en fonction du capteur.

Lorsque les réseaux de ventilation alimentent des locaux ou des zones d’occupation fortement différents, il peut être utile de pratiquer un zonage du système de ventilation. Par exemple, on peut imaginer dans un immeuble de bureaux une séparation entre la ventilation de la salle de réunion et la ventilation des bureaux et des sanitaires. La gestion de la salle de réunion se ferait comme pour un système unizone, par exemple avec allumage et extinction par détection de présence. Tandis que la ventilation des bureaux et des sanitaires serait simplement raccordée sur une horloge.

L’Annexe C3 de la PEB impose l’usage d’une régulation pour éviter que le système ne fonctionne constamment dés que l’on est en présence d’une ventilation mécanique. Parallèlement elle interdit le recours aux systèmes de régulation suivants :

les systèmes de régulation manuelle : le système fonctionne selon une commutation manuelle;
les systèmes de régulation basés sur la température de l’air et qui permettent de réduire le débit de ventilation sous le débit de conception minimal.

Cas des bureaux individuels à horaire commun fixe

C’est un cas très fréquent dans les immeubles de bureaux : tous les bureaux sont occupés simultanément avec un taux d’occupation et un horaire fixe.

Dans ce cas, la solution la plus simple et la plus rentable est de simplement équiper les ventilateurs d’une horloge.

Exemples.

Dans une installation de ventilation simple flux (grilles dans les menuiseries et extraction dans les sanitaires), l’extraction peut être automatiquement réduite durant les périodes d’inoccupation (une coupure complète risque de provoquer la propagation d’odeurs). Cette remarque peut conduire à prévoir des extractions à deux vitesses. Il est alors souhaitable de réaliser un zonage des besoins d’extraction afin que les zones intéressées puissent entrer dans un programme d’occupation des lieux fixé à l’avance (vertical ou horizontal).
Dans une installation double flux (pulsion dans les locaux et extraction dans les sanitaires, les extractions sanitaires peuvent passer en régime réduit en période d’inoccupation et dans le même temps les introductions d’air neuf sont arrêtées. Il y a alors une légère dépression dans l’ensemble des locaux intéressés. Les installations peuvent être sous le contrôle d’une ou plusieurs horloges pour la programmation des différents régimes de marche (hors gel, relance, marche normale).
Une horloge commande le passage de grande vitesse à petite vitesse dans un réfectoire, en fonction de l’horaire de la journée.

Cas des bureaux individuels à occupation variable

Ici, cela se complique. On se trouve dans une situation où plusieurs locaux à horaire d’occupation différents sont alimentés par un seul système de ventilation. On a donc un système multizone.

Si on veut gérer les apports d’air neuf bureau par bureau, on ne peut agir que sur l’ouverture des bouches de ventilation.

Si le système de ventilation choisi est un système simple flux, avec une extraction centralisée dans les sanitaires, une gestion local par local n’est actuellement pas possible. Des développements sont cependant en cours pour automatiser les amenées d’air naturelles.

Ne considérons donc que le cas d’un système double flux avec pulsion dans chaque bureau.

Le détecteur de présence par infrarouge semble le plus adéquat pour la gestion individuelle de multiples petits locaux, comme des bureaux, parce que son prix est faible, et qu’il peut influencer facilement le débit d’une bouche de pulsion par une action « Tout ou Rien ». On trouve sur le marché des bouches qui intègrent les détecteurs.

Bouche de pulsion avec détecteur de présence incorporé.

Il est possible de combiner les systèmes : un bouton poussoir pour l’enclenchement (démarche volontaire) et un détecteur de présence pour assurer le déclenchement après le départ des occupants (avec une temporisation de quelques minutes), … .

Études de cas

La régulation de la ventilation du bâtiment PROBE du CSTC à Limelette en fonction de détecteurs de présence.

Cas des salles de conférence

Les salles de conférence sont souvent ventilées par un système unizone c’est-à-dire au moyen d’un groupe de ventilation indépendant par local.

On peut évidemment y adapter une gestion par horloge comme dans le cas précédent.

Cependant, lorsque l’horaire d’occupation est aléatoire et que le taux d’occupation est variable (une même salle peut être occupée par 20 ou 200 personnes), on peut envisager une gestion qui tient compte du nombre d’occupants.

Dans ce cas, la sonde CO₂ est la plus fiable. Elle reflète mieux la présence effective de personnes dans un local puisqu’elle est directement proportionnelle à leur respiration. Mais elle est chère (minimum 750 €). Sa rentabilité n’est donc possible que pour la gestion d’un débit nécessaire important et relativement aléatoire.

Sonde COV et sonde CO_2.

Dans certains cas particuliers, on pourrait éventuellement envisager l’utilisation d’une sonde COV, sensible aux odeurs les plus diverses. La sonde COV (Composés Organiques Volatiles), encore appelée sonde de qualité d’air, n’est pas trop chère (+/- 225 €). Elle semble cependant difficile à paramétrer au départ (quelle valeur de consigne faut-il lui donner?) et capricieuse dans le temps. Elle nécessite donc un étalonnage régulier et une bonne information de l’exploitant sur son principe de fonctionnement. La sonde devra être entretenue (nettoyage et étalonnage périodique). Si cette maintenance est peu probable, ou si l’ambiance se révèle être trop chargée en poussières, on préférera une régulation à deux vitesses basée sur le dépassement d’un seuil critique, plutôt qu’une régulation analogique réglée sur le signal 0-10 V de la sonde.

Sonde COV ou sonde CO₂ ?

La comparaison des utilisations entre sonde COV et sonde CO₂ apparaît clairement par l’expérience menée par le COSTIC en France :

Schéma sur la comparaison des utilisations entre sonde COV et sonde CO2.

Correspondance entre la mesure d’une sonde COV et la mesure d’une sonde CO₂dans un bureau de 32 m³, sans ventilation :

Phase 1 : une seule personne est présente dans le bureau durant 1 heure. Deux cigarettes sont fumées successivement, après 15 et 45 minutes.
Phase 2 : après ventilation de la pièce, six personnes sont introduites dans le bureau durant 10 minutes et il leur est interdit de fumer

On observe très nettement la sensibilité de la sonde COV à la fumée de cigarette lors de la première phase. Par contre, la forte occupation de la phase 2 est mieux mise en évidence par la sonde CO₂.

En conclusion, les sondes de qualité d’air, sensibles à la fumée de cigarette et aux composés organiques odorants, sont adaptées aux salles de réunion pour fumeurs, aux restaurants, … . Les sondes CO_2,uniquement sensibles à la présence du dioxyde de carbone sont plus adaptées aux locaux dans lesquels la cause de la pollution est celle provoquée par l’occupation : salles de conférence, amphithéâtres, …

Études de cas

La régulation de la ventilation d’une salle de conférence par sonde CO_2.

Choix du mode de réglage des ventilateurs

Le réglage du débit des ventilateurs a pour but de diminuer la consommation électrique parallèlement à la diminution de la consommation de chauffage. Il s’applique

lorsqu’un groupe de ventilation assure l’apport d’air neuf d’un seul local (système unizone : salle de conférence, bureau paysager, …). Dans ce cas, la gestion de la ventilation en fonction des besoins peut s’effectuer en réglant directement le débit du ventilateur.
Lorsque plusieurs locaux sont desservis par un même ventilateur (système multizone : bureaux individuels, …), le réglage des débits locaux s’effectue en agissant sur l’ouverture des bouches. Dans ce cas, l’idéal est d’adapter le débit du ventilateur pour maintenir une répartition correcte des flux d’air dans les différents locaux.

Ventilation unizone

Plusieurs modes de réglage permettent d’adapter le débit des ventilateurs (de pulsion et/ou d’extraction) en fonction de la grandeur de référence :

Tous ces modes de réglage n’entraînent pas la même économie électrique. Le by-pass (l’équivalent de la soupape différentielle utilisée en chauffage) peut même conduire à une augmentation de la consommation.

Il ressort de la comparaison des différents types de réglage que la solution la plus intéressante d’un point de vue énergétique est la variation de la vitesse du ventilateur, soit par paliers grâce à des moteurs à plusieurs vitesses, soit de façon continue au moyen d’un convertisseur de fréquence.

Gamme de convertisseurs de fréquence.

Cependant, lorsque les plages de réglage souhaitées sont assez réduites, les solutions de l’étranglement (plage de réglage maximum de 100 à 85 %) ou des aubages de prérotation (réglage de 100 à 70 %, uniquement pour les ventilateurs centrifuges à aubes recourbées vers l’arrière et les ventilateurs hélicoïdes) sont des solutions satisfaisantes.

Cette dernière solution, de moins en moins utilisée, peut cependant devenir plus intéressante que la variation de vitesse du ventilateur, pour les ventilateurs de très grosse puissance (40 .. 50 kW). En effet, un convertisseur de fréquence qui doit gérer une telle puissance est très coûteux.

Pour les ventilateurs hélicoïdes, la modification automatique de l’angle de calage des aubes conduit à une diminution de la consommation électrique presque équivalente à la variation de vitesse.

Ventilation multizone

En ventilation multizone, deux situations peuvent se présenter : une distribution des locaux en série ou une distribution en parallèle.

Distribution de l’air en série,
en pulsion mécanique : tous les locaux ventilés se trouvent les uns derrière les autres.

Distribution de l’air en parallèle,
en pulsion mécanique :
plusieurs séries de locaux sont raccordés directement à la sortie du ventilateur.

Lorsque toutes les bouches sont raccordées en série, la solution qui entraîne la plus grande économie d’énergie est le choix d’un ventilateur à aubage arrière équipé d’une variation de vitesse avec maintien de pression en fin de circuit et présence d’éléments autoréglables au niveau des différentes bouches. L’économie électrique réalisable par la gestion est cependant difficilement chiffrable puisque l’on ne connaît pas le débit moyen, ni la hauteur manométrique sur lesquels travaillera le ventilateur. L’investissement à réaliser sera quant à lui souvent important étant entendu le coût actuel d’un convertisseur de fréquence.

L’alternative à cette solution est l’emploi d’un ventilateur à courbe plate, c’est-à-dire à aubage avant. L’économie électrique réalisée sera moindre :

d’une part, parce que le ventilateur à aubage avant a un rendement maximum moindre que son homologue à aubage arrière, ce rendement pouvant d’ailleurs se détériorer avec la variation des débits;
d’autre part, parce que la hauteur manométrique du ventilateur restant constante avec la variation de débit total, l’économie électrique sera au maximum proportionnelle à la diminution du débit.

En contrepartie, l’investissement à consentir sera nettement moindre.
Dans le cas d’une distribution de la ventilation en plusieurs branches, il faut comparer les solutions :

ventilateur à aubage arrière équipé d’un convertisseur de fréquence avec variation de vitesse en fonction de la pression à la sortie du ventilateur,
ventilateur à aubage avant.

L’économie électrique réalisée grâce à la diminution des débits est identique pour les deux solutions puisqu’une pression constante devrait être maintenue à la sortie du ventilateur. Il faut donc comparer le gain de rendement que l’on peut obtenir en choisissant un ventilateur à aubage arrière avec le surcoût du convertisseur de fréquence, sur la durée de vie de l’installation.

Concevoir

Choix d’un ventilateur.

Exemples de rentabilité

Pour estimer, dans votre situation, la rentabilité de la gestion de la ventilation (réduction de l’horaire journalier de ventilation, variation de vitesse des ventilateurs en fonction d’une sonde CO₂, détection de présence dans chaque local) :

Calculs

Pour évaluer la consommation due à la ventilation, cliquez ici !

Voici, à titre d’exemple, comment peuvent être estimées les économies réalisables par une gestion de la ventilation à la demande et la rentabilité de tels projets.

Formules permettant de chiffrer l’économie réalisable

L’évaluation exacte du coût énergétique de la ventilation est relativement complexe. Elle nécessite soit un programme de simulation numérique (lors de la conception), soit des mesures détaillées (bâtiment existant). Cette consommation dépend du climat, du type de système de ventilation et de gestion, de l’isolation du bâtiment, des gains internes, des gains solaires, …

L’économie réalisée provient d’une part de la diminution des consommations de chauffage de l’air neuf et d’autre part de la diminution de la consommation électrique du ventilateur.

Consommation de chauffage

Une formule simplifiée permet de donner une valeur approximative de la consommation de chauffage due à la ventilation :

Cons_ch= 0,34 x q_vx ΔT_moyx t / η_ch

où,

0,34 W/m³.K est la capacité calorifique de l’air
q_v est le débit de ventilation en m³/h
ΔT_moy est la différence entre la température de consigne de l’ambiance et la température extérieure moyenne
t est le nombre d’heures de fonctionnement annuel
η_ch est le rendement de l’installation de chauffage à eau chaude (en moyenne : 0,7)

Consommation électrique du ventilateur

L’économie électrique réalisée grâce à la réduction du débit des ventilateurs est plus difficile à estimer. Tout au plus peut-on rechercher des ordres de grandeur réalistes : la consommation électrique d’un ventilateur peut être estimée suivant une règle de bonne pratique : la puissance électrique absorbée par une ventilation double flux dans ses conditions nominales de fonctionnement est de l’ordre de :

2 * 0,14 (installation performante : SFP1) à 0,35 W (installation médiocre : SFP3) par m³/h d’air transporté

En outre, les règles de similitudes des ventilateurs montrent que si on ne tient pas compte des pertes du système de réglage, la puissance absorbée par un ventilateur varie comme le cube de sa vitesse et donc comme le cube du débit.

Modification du point de fonctionnement et donc de la puissance absorbée par un ventilateur en fonction de sa vitesse (en passant de la vitesse n1 à n2).

Notons que lorsque la température extérieure est inférieure à la température ambiante, la consommation électrique des ventilateurs de pulsion est récupérée sous forme de chaleur dans l’air neuf et ne constitue donc plus une perte d’énergie. On remplace juste souvent un chauffage par combustible par un chauffage électrique.

Exemple 1 : mise à l’arrêt d’un ventilateur en période d’inoccupation, en fonction d’une horloge

Un ventilateur sanitaire extrait 1 000 m³/h, dans un immeuble de bureaux occupé de 8 à 18 h. Par rapport à un fonctionnement en continu, l’adaptation des horaires de ventilation à l’occupation permet d’économiser :

en électricité :

0,25 [W/(m³/h)] x 1 000 [m³/h] x 6 160 [h/an] = 1 540 [kWh/an]

où,

0,25 W/(m³/h) est un ordre de grandeur de puissance absorbée pour une extraction seule
6 160 h/an est le nombre d’heures d’inoccupation des bureaux durant l’année

en chauffage :

0,34 [W/m³.K] x 1 000 [m³/h] x (16 [°C] – 5 [°C]) x 4 130 [h/an] / 0,7 / 1 000 = 22 066 [kWh/an] ou 2 200 litres de fuel ou m³ de gaz par an

où,

16° est la température de consigne de chauffage en période de ralenti et 5° la température extérieure moyenne nocturne durant la saison de chauffe.
4 130 h/an est le nombre d’heures d’inoccupation des bureaux durant la saison de chauffe (35 semaines/an ou 5 880 h/an)

L’économie financière totale s’élève de 1614,8 [€/an] (à 0,622 €/ litre de fuel et 0,16 €/kWh en heures creuses).

L’investissement à consentir pour une horloge programmable est de l’ordre de quelques dizaines d’euros.

Exemple 2 : variation de la vitesse d’un ventilateur en fonction d’une sonde CO₂ dans une salle de conférence

Un système de ventilation double flux alimente une salle de conférence de 200 places. Le débit d’air de ventilation est de 4 000 m³/h lorsque la salle est remplie.

La ventilation de la salle n’est assurée qu’en semaine (soit 50 h/semaine, pendant 32 semaines ou 1 600 h/an), alors qu’en fait, elle est occupée 4 jours par semaine pendant 10 h (de 8h30 à 18h30) par 100 personnes en moyenne.

Si on stoppe la ventilation durant la journée d’inoccupation (soit 320 h/an), on peut déjà économiser :

en électricité :

0,5 [W/(m³/h)] x 4 000 [m³/h] x 320 [h/an] = 640 [kWh/an]

où,

0,5 W/(m³/h) est un ordre de grandeur de puissance absorbée pour une ventilation double flux de qualité moyenne

en chauffage :

0,34 [W/m³.K] x 4 000 [m³/h] x (20 [°C] – 8 [°C])
x 320 [h/an] / 0,7 / 1 000 = 7 460 [kWh/an] ou 746 [litres de fuel ou m³ de gaz]

où,

20° est la température de consigne de chauffage en journée et 8° la température extérieure moyenne diurne durant la saison de chauffe
notons que cette valeur peut être très légèrement diminuée (de l’ordre de 400 kWh/an) si on veut tenir compte du fait que la consommation du ventilateur de pulsion était récupérée sous forme de chaleur dans l’air neuf.

D’autre part, en période d’occupation (1 280 h/an), on peut réduire la vitesse et donc le débit du ventilateur en l’adaptant au taux réel d’occupation. Le débit moyen de ventilation deviendrait alors de l’ordre de 2 000 m³/h.

L’économie d’électricité est plus difficile à estimer. Puisque la puissance absorbée par un ventilateur varie comme le cube de la variation de sa vitesse donc de son débit, on peut grossièrement dire qu’au mieux, la consommation électrique va être divisée par 8 (= (4 000 / 2 000)³) :

consommation d’origine (en occupation) :

0,5 [W/m³/h] x 4 000 [m³/h] x 1 280 [h/an] = 2 560 [kWh/an]

consommation avec régulation de vitesse :

2 560 / 8 / 0,8 = 400 [kWh/an]

économie d’électricité :

2 160 [kWh/an]

où,

le facteur 0,8 tient compte du rendement du système de variation de vitesse qui n’est jamais de 100 %

En réduisant le débit d’air neuf de 4 000 m³/h à 2 000 m³/h, l’économie de chauffage durant la saison de chauffe (960 h/an) est estimée à

0,34 [W/m³.K] x 2 000 [m³/h] x (20 [°C] – 8 [°C]) x 960 [h/an] / 0,7 / 1 000 = 11 191 [kWh/an]

Si on veut être plus précis, il faut déduire de cette économie, l’économie d’électricité déjà réalisée sur le ventilateur de pulsion, de l’ordre de 1 400 kWh (soit environ 2/3 de l’économie électrique totale).

Récapitulatif : économie réalisable par une gestion de la vitesse des ventilateurs en fonction d’une sonde CO₂
		[kWh/an]	[€/an] (0,16 €/kWh élec, 0,0622 €/kWh_th ou 0,622 €/litre fuel)
Coupure de la ventilation en période d’inoccupation (320 h/an)	Électricité	640	102,4
	Chauffage	7 460 – 400 = 7 060	439,1
Réduction de la vitesse du ventilateur en période d’occupation	Électricité	2 160	337,0
	Chauffage	11 191 – 1 400 = 9 791	648,2
Économie totale		19 851	1526,7

L’économie totale varie en fonction de la qualité de départ de l’installation. Cette économie sera par ailleurs probablement encore réduite car le rendement du ventilateur risque aussi de varier légèrement lorsque l’on réduit sa vitesse.

L’investissement nécessaire à la gestion de cette salle de séminaire consiste en une sonde CO₂ commandant un convertisseur de fréquence agissant sur le moteur des deux ventilateurs d’extraction et de pulsion. Le coût estimé d’une telle installation est de l’ordre de 3000 €, soit un temps de retour de l’ordre de 2 ans.

Si on envisage la régulation avec variation de fréquence dès la conception de l’installation, le surcoût de l’installation régulée par rapport à l’installation fonctionnant en continu sera nettement moindre que cette somme. En effet, lorsque l’on équipe directement un ventilateur d’un convertisseur de fréquence, certains équipements deviennent superflus comme par exemple : les entraînements par courroies, le démarreur étoile-triangle nécessaire à la limitation du courant de démarrage et les clapets de régulation de pression.

Les coûts des deux installations risquent même d’être presque semblables.

En fonction du type de situation rencontrée, on peut envisager certaines variantes à ce projet. Lorsque le système de ventilation supporte également le chauffage et/ou le refroidissement, on peut envisager que la sonde agisse automatiquement sur le volet d’air neuf, réglant selon les besoins la répartition entre air neuf et air recyclé. En parallèle, la vitesse du ventilateur d’extraction s’adapte automatiquement à l’ouverture des volets. C’est entre autres ce mode de régulation que l’on peut rencontrer dans les piscines, la grandeur représentative utilisée étant l’humidité relative.

La régulation de vitesse peut aussi se faire par palier lorsque le moteur existant est un moteur à plusieurs vitesses.

Exemple 3 : Ventilation indépendante de bureaux en fonction de sondes de présence

Un immeuble de 20 bureaux individuels est ventilé par un système double flux (pulsion dans chacun des bureaux et extraction sanitaire). Quel est l’intérêt de choisir des bouches de pulsion avec détecteur de présence intégré ?

L’installation envisagée comprend pour chaque local une bouche de pulsion commandée en tout ou rien en fonction d’un détecteur de présence et un manchon autoréglable garantissant la constance des débits dans les locaux occupés, ce malgré la fermeture de certaines bouches dans le réseau. Le ventilateur choisi est un ventilateur à courbe caractéristique plate qui permet le maintien d’une pression constante au départ du circuit (on ne tient donc pas compte du coût d’un éventuel convertisseur de fréquence).

Le coût d’une bouche de pulsion avec détection de présence est de l’ordre de 150 €. On peut estimer le nombre minimum d’heures de coupure par bureau individuel nécessaire pour rentabiliser la régulation en un temps de retour inférieur à 5 ans.

L’économie annuelle doit être au minimum de 150 €/ 5 ans = 30 €/an.

> économie d’électricité :

0,5 [W/(m³/h)] x 30 [m³/h] x nb heures / 1 000 x 0,16 [€/kWh]

où,

0,5 W/(m³/h) est un ordre de grandeur de puissance absorbée pour une ventilation double flux de qualité moyenne
0,16 €/kWh = prix de l’énergie électrique
30 m³/h = débit de ventilation d’un bureau occupé. Puisque le ventilateur maintient une pression constante en début de circuit, la variation de consommation électrique reste plus ou moins proportionnelle à la variation de débit

Réduction de débit et de puissance (rectangle vert) d’un ventilateur à courbe caractéristique plate, lorsque qu’une bouche de pulsion du réseau se ferme.

Économie en chauffage :

0,34 [W/m³.K] x 30 [m³/h] x (20 [°C] – 8 [°C])
x NB heures / 0,7 / 1 000 x 0,0622 [€/kWh]

où,

30 m³/h = débit recommandé dans chaque bureau
20° = la température intérieure de consigne
8° = température extérieure moyenne diurne durant la saison de chauffe
NB heures = nombre d’heures annuel de coupure nécessaire pour rentabiliser la régulation
0,0622 €/kWh = prix du fuel (1 litres de fuel = 10 kWh = 0,622 €)

Il en résulte (en négligeant la récupération de la consommation du ventilateur de pulsion sous forme de chaleur) :

Économie totale = Economie en chauffage + Economie électrique = NB heures x (0,24 [c€/h] + 1,09 [c€/h])

Nombre d’heures d’inoccupation du bureau = NB heures = 30 [€/an] / 0,0133 [c€/h] = 2 256 [heures/an]

Si on imagine qu’en complément de la détection de présence par bureau, le ventilateur est mis à l’arrêt lorsque toutes les bouches sont fermées (la nuit et les week-ends), pour éviter que celui ne tourne dans son jus, le temps maximum de fonctionnement de l’installation de ventilation est estimé à 2 500 heures par an (250 journées de 10 h). L’investissement peut donc être facilement rentabilisé dans le temps prévu (5 ans), rien qu’en coupant la ventilation le weekend, la rentabilité est déjà atteinte !

En conclusion

La gestion de la ventilation à la demande (c’est-à-dire par sonde de qualité d’air ou détection de présence) ne peut se justifier que

pour des débits gérés par sondes suffisamment importants,
pour des temps de fonctionnement à régime réduits suffisamment importants par rapport au temps de fonctionnement total de l’installation de ventilation.

Dans les autres cas, il faut se contenter de systèmes très simples comme la simple horloge sur l’extraction.

Contrôle des heures de fonctionnement

Le contrôle le plus simple se fait via un compteur d’heures de marche du ventilateur ou un compteur d’heures de marche couplé avec un compteur du nombre d’enclenchements.

En faisant de temps en temps des relevés par pointage, à des intervalles courts, on voit très bien si le nombre d’heures et d’enclenchements est raisonnable ou non et si une amélioration de la gestion ne se justifie pas.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Ventilation intensive naturelle d’été

Définitions

La ventilation intensive d’été, souvent appelée « free cooling » consiste à refroidir un bâtiment par ventilation en utilisant l’énergie gratuite de l’air extérieur lorsque celui-ci présente une température inférieure à la température intérieure :

En hiver, de l’air frais extérieur peut alimenter, en journée, les zones à rafraîchir sans nécessiter l’enclenchement des groupes frigorifiques.
En été, une ventilation nocturne peut décharger le bâtiment de la chaleur accumulée en journée.

Selon le moment de la journée, on parle de free cooling de jour ou de nuit :

Le free cooling diurne consiste à surventiler les locaux avec de l’air extérieur plus frais que l’air intérieur. La capacité frigorifique de l’air extérieur étant faible, de grands débits d’air sont nécessaires.
Le free-cooling nocturne consiste à rafraîchir les bâtiments la nuit grâce à de l’air extérieur. On parle de « décharge nocturne » du bâtiment puisqu’il évacue toute la chaleur excédentaire accumulée en journée.

On distingue une ventilation intensive naturelle ou mécanique, selon que le mouvement d’air soit généré par des forces naturelles (poussée d’Archimède ou force du vent) ou par un ventilateur.

Il faut également distinguer le débit d’air neuf hygiénique, du débit d’air de rafraîchissement d’un local :

La ventilation hygiénique ou permanente assure la qualité de l’air. Elle vise globalement les 30 m³/h d’air neuf nécessaires par personne (RGPT). Dans un bureau, cela entraîne un renouvellement horaire de 1 x par heure, puisque chaque occupant occupe +/- 10 m² au sol, et donc un volume de 30 m³.

Grille d’apport d’air hygiénique naturel … ou réseau d’air pulsé.

Le refroidissement naturel d’un local (ou free cooling) sous-entend un taux de renouvellement minimum de l’air du local de 4/heure. Un taux de 6/heure sert souvent de base de dimensionnement et 8 renouvellements/heure sont couramment rencontrés. Ceci génère des débits nettement plus importants que ceux gérés par un réseau de ventilation hygiénique, donc des ouvertures plus importantes, … au point que l’on parle d’ouverture de fenêtres spécifiques en façades, et plus d’aérateurs de châssis !

Exemple simple.

En été, il est possible d’insérer des grilles dans le châssis existant. Le soir, l’occupant ouvre sa fenêtre donnant sur la grille.

Difficulté : il ne faudrait pas retrouver un local trop refroidi le lendemain… d’où parfois le souhait d’automatiser ces ouvertures.

Créer naturellement le déplacement d’air

On parlera de ventilation intensive naturelle si l’on valorise un « moteur naturel » pour le déplacement d’air :

Soit un tirage par cheminée verticale. L’air entre par des ouvertures en façade. À noter que ceci peut créer des contraintes de conception suite aux critères de protection incendie qui exigent eux de compartimenter les étages, ce qui implique soit que les transferts d’air entre étages soit obturables automatiquement (portes coupe-feu à fermeture automatique, si on utilise la cage d’escalier comme conduit d’extraction intensive, clapets coupe-feu), soit que chaque étage dispose de sa propre évacuation vers la toiture.. En rénovation également, cette solution demande des aménagements importants de la structure du bâtiment (perçage de chaque plancher, …).

En façade Sud, l’effet de tirage thermique des cheminées est renforcé
par des blocs de verre chauffés au soleil.

L’ouverture des grilles de ventilation peut être manuelle …

Vue intérieure et extérieure.

…ou motorisée.

Ouvertures dans les locaux et en sous toiture.

Soit un tirage par ventilation transversale, d’une façade à l’autre. L’ouverture des portes intérieures peut créer des problèmes acoustiques et des courants d’air inconfortables, si bien que c’est souvent conçu en tant que free cooling de nuit. Des ouvertures par grilles ou impostes au-dessus des portes sont aussi possibles. Il importe donc, pour la réussite totale du refroidissement nocturne, que les occupants soient clairement informés de leur rôle dans la gestion du confort.

L’air se déplace principalement grâce aux pressions
et dépressions exercées sur les façades par le vent.

Ici, à côté de chaque fenêtre du couloir, un panneau de bois peut être ouvert pour créer une circulation d’air transversale (vues intérieures et extérieures du bâtiment).

Le taux de renouvellement d’air obtenu en ventilation transversale varie de 7 à 23 [vol/h].

Ouvertures minimum nécessaires à la ventilation naturelle intensive en % de la surface au sol des locaux
	Selon la NBN D50-001 pour les locaux d’hébergement (notion de ventilation intensive)	selon les résultats du projet de recherche NatVent
Ventilation par des ouvertures sur une seule façade	6,4 %	4 %
Ventilation par des ouvertures sur des façades opposées	3,2 %	2 %

On peut montrer également que la ventilation transversale sous-entend une largeur de rue suffisamment élevée. En pratique, il est souhaitable que le rapport hauteur du bâtiment/largeur de la rue soit inférieur à 0,65. À défaut, le vent « passe au-dessus des toits » et ne met pas en surpression la façade contre le vent et en dépression la façade sous le vent. Seuls quelques tourbillons sont ressentis dans la rue (« skimming flow »). Le moteur du déplacement d’air devient alors trop faible.

Bien sûr, tout dépend de la vitesse du vent. Ainsi, un vent de 4m/s en station météo, va générer un vent de 2m/s au faîte des toits en site urbain. Dans ce cas, on peut avoir un ratio hauteur sur largeur de 1,5. Mais il s’agit là du vent moyen au centre du pays. Donc dans 50% du temps, si le rapport hauteur sur largeur est de 1,5, le transfert d’air sera insuffisant.

On pourrait montrer également que l’orientation du bâtiment influence l’efficacité de ce système. En effet, les vents dominants étant du Sud-Ouest dans nos Régions, l’axe de la rue ne devra pas être SO-NE, car alors les vents seraient parallèles aux façades…

Soit un free-cooling naturel individualisé : dans chaque local, des fenêtres (une en partie haute et une en partie basse) munies de grilles s’ouvrent automatiquement, en fonction de l’écart entre la température intérieure et extérieure. Un refroidissement naturel de chaque local est possible, sans extraction par une cheminée commune. Mais les débits de refroidissement restent limités.

L’air chaud migrant vers l’extérieur en partie haute des ouvertures
et l’air frais pénétrant en partie basse (débits d’air limités par cette méthode).

Ouverture des fenêtres en partie inférieure et supérieure, pour favoriser une circulation d’air dans le local (les colorations jaunes et oranges ne sont dues qu’au reflet des stores du bâtiment en face…).

Amenée et extraction d’air en ventilation naturelle

Types d’amenée d’air naturelle

Pratiquer un free cooling naturel de nuit implique la création d’ouvertures d’amenée d’air naturelle de taille importante. Il faut, par exemple, dans le cas de la ventilation transversale d’un bureau de 20 m², une ouverture de 0,4 m² (exemple : 63 x 63 cm).

De telles ouvertures ne peuvent augmenter les risques d’effraction du bâtiment ou de pénétration de pluie.

Il existe sur le marché des systèmes répondant à ce critère :

Les châssis basculants : ils sont étanches à la pluie et protègent assez bien le bâtiment de l’intrusion, pour autant que l’on ne puisse accéder à un mécanisme d’ouverture voisin. Ils peuvent être commandés manuellement ou automatiquement.

Calcul de la surface d’ouverture « A » d’un châssis oscillant

A = A₁A₂/ A₁+ A₂

A₁= B x H

A₂= D x (H + B)

Des grilles fixes que l’on peut disposer par l’intérieur dans les châssis ouvrants : elles permettent une ventilation intensive par ouverture complète des fenêtres sans risque d’effraction et d’intrusion de pluie. Ces grilles, fabriquées sur mesure, peuvent être facilement placées en été et retirées en hiver, selon les besoins de refroidissement nocturne du bâtiment.

Grilles de ventilation nocturne intensive.

Études de cas

Le bâtiment « PROBE du CSTC à Limette : une ventilation intensive de nuit permet d’y limiter la température intérieure de la plupart des bureaux en dessous de limites de confort d’été.

Des grilles fixes extérieures placées devant des châssis opaques : ce système permet une ventilation intensive par ouverture complète des ouvrants intérieurs sans risque d’effraction et d’intrusion de pluie.

Types d’extraction d’air

Des grilles ou fenêtres du même type que les ouvertures d’amenée d’air.
Des fenêtres en toiture commandée automatiquement.

Exemple, centre administratif de l’entreprise Powergen, fenêtres automatiques pour l’extraction de l’air en partie supérieure de l’atrium.

Exemple, Queen’s building de l’Université De Monfort, fenêtres automatiques pour l’extraction de l’air en toiture.

Des cheminées.

Exemple, Queen’s building de l’Université De Monfort, cheminées d’extraction d’air de ventilation.

Exemple, bâtiment environnemental du BRE, cheminées d’extraction d’air de ventilation : la paroi en briques de verre favorise le réchauffement de l’air à extraire, et améliore le tirage.

Garantir la sécurité intérieure

Le free cooling nocturne naturel nécessite des ouvertures vers l’extérieur importantes (de 2 à 4 % de la surface au sol des locaux), ouvertures qui peuvent augmenter les risques d’intrusion dans le bâtiment de personnes, d’insectes, de poussières ou de pluie.

La circulation naturelle d’un volume d’air important au travers du bâtiment doit tenir compte des prescriptions de sécurité en matière d’incendie, notamment, le compartimentage qui veut que les différents étages soient séparés par des parois résistantes au feu en cas d’incendie.

Efficacité de la ventilation intensive nocturne

L’efficacité du free cooling nocturne est limitée. Des simulations réalisées dans le cadre du projet de recherche NatVent ont permis d’évaluer l’efficacité à attendre :

Exemple.

Voici un organigramme permettant de visualiser les conditions nécessaires à l’efficacité du free cooling nocturne (source : projet de recherche Natvent).

Les paramètres intervenants sont : les charges internes en [W/m² de plancher], la présence de protections solaires, la masse des matériaux en [kg/m² de paroi] et la taille des ouvertures.

Par exemple, pour un local orienté au Sud, ayant des charges internes de 20 W/m², possédant des protections solaires extérieures, ayant une inertie thermique moyenne et un système de gestion des ouvertures automatique, un free cooling nocturne donnera des résultats avec des ouvertures sur 1 façade ayant une surface égale à 3% de la surface du plancher.

On en déduit les conditions de réussite :

L’inertie thermique du bâtiment est suffisante (structure du plafond accessible, murs en maçonnerie).
La ventilation intensive est transversale (ouvertures sur des façades opposées) ou assistée par un ventilateur vertical, la ventilation intensive avec des ouvertures sur une seule façade ne fonctionnant que pour les immeubles à forte inertie thermique.
Les ouvertures de ventilation sont équivalentes à minimum 2 % de la surface des locaux, 1 % étant insuffisant et 3 % accentuant les risques d’effraction.
Les occupants sont disciplinés dans la gestion des ouvertures de ventilation intensives (ouverture des portes et fenêtres) lorsqu’elles sont manuelles. Dans le cas contraire, les ouvertures doivent être commandées automatiquement.

Fenêtre à ouverture automatique
développée dans le cadre du projet NatVent.

Les apports internes sont limités à 22 – 26 W/m² pour un immeuble à inertie thermique moyenne et 27 – 32 W/m² pour un immeuble à forte inertie thermique. Ceci implique l’utilisation d’équipements (éclairage, bureautique) énergétiquement efficaces
Les apports solaires sont limités par des protections solaires efficaces (protections extérieures).

Exemples de bâtiments tertiaires

Il est cependant possible de trouver des solutions répondant à l’ensemble de ces contraintes. La preuve ci-dessous.

Il existe déjà en Belgique, des exemples de bâtiments qui intègrent, de façon simple, le free cooling comme le bâtiment PROBE du CSTC, le bâtiment de la firme RENSON à Waregem, les bâtiments « Keppekouter » à Alost (l’étude de ces deux derniers exemples peut être consultée dans le projet NatVent). Ces bâtiments ne font cependant pas l’objet d’une automatisation (les grilles sont posées et ouvertes manuellement), ce qui lie les performances du système à la motivation des occupants, mais donne cependant des résultats probants.

Mais il existe également des bâtiments qui automatisent la gestion du free cooling.

Exemple.

Le bâtiment IVEG (Intercommunale anversoise) est en Belgique un exemple très intéressant de cette philosophie (tirage par cheminée).

Le coût d’investissement total du chauffage, de la ventilation mécanique et de tous les aménagements constructifs pour la ventilation naturelle a été de 200 €/m², ce qui correspond à un conditionnement d’air de qualité.

La consommation totale est inférieure à 120 kWh/m², surtout grâce à une très faible consommation électrique, ce qui correspond à la moitié de la consommation type d’un bâtiment similaire.

Les « fenêtres » (en réalité des ouvrants donnant accès à des grilles disposées en façade) s’ouvrent automatiquement la nuit en fonction du besoin de refroidissement des locaux.

Par précaution, un système de refroidissement sur l’air de ventilation a été mis en place, mais il n’a jamais été utilisé !

Le bâtiment SD-Worx à Kortrijk est également très performant.

Il existe aussi des exemples de bâtiments étrangers, notamment en Angleterre, dans lesquels les concepteurs ont tenté d’optimaliser la gestion « naturelle » du confort thermique et de la consommation d’été. Vous pouvez consulter ces trois exemples :

Études de cas	Le bâtiment environnemental du « BRE ».
Études de cas	Le centre administratif de Powergen.
Études de cas	Le « Queen’s Building » de l’Université De Monfort.

Chacun de ces bâtiments est une réalisation unique, qui a fait l’objet d’une étude particulière. Ils ont le mérite de montrer que le problème de la surchauffe peut être maîtrisé sans climatisation, moyennant une conception appropriée du bâtiment

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Régulation du chauffage à eau chaude

Introduction à la régulation

L’occupant d’un bâtiment ne perçoit généralement de la régulation d’un système de chauffage qu’un seul équipement : la vanne thermostatique. Elle est accusée de bien des maux et subit parfois des agressions physiques si elle ne peut délivrer la chaleur attendue !

Et pourtant, seule, elle ne peut agir correctement et doit donc être associée à une régulation plus complète

Voici quelques schémas qui permettent de comprendre l’utilité et le principe de cette dernière. Ceux-ci sont purement illustratifs et ne doivent pas être considérés comme des situations universelles, chaque bâtiment pouvant faire l’objet d’une étude particulière.

Les symboles graphiques

Le fonctionnement des installations de chauffage est représenté par des schémas de principe. Les différents symboles utilisés sont repris ci-contre.

Dimensionnement pour une situation extrême

Partons d’une situation de grand froid hivernal…

La chaudière est dimensionnée pour vaincre les températures les plus froides en hiver, soit généralement – 10°C.

Schéma dimensionnement pour une situation extrême.

Une eau à 90°C alimente le radiateur qui émet une chaleur maximale pour vaincre les déperditions (les pertes de chaleur du local vers l’extérieur).

Problème 1 : en mi-saison

En mi-saison, la température extérieure est plus douce; l’apport de chaleur doit être adapté.

Pour alimenter le radiateur avec de l’eau à température « mitigée » (70°), on réalise un mélange entre l’eau chaude qui arrive de la chaudière (90°) et l’eau tiède qui sort du radiateur (50°).

C’est le rôle de la vanne, appelée « vanne trois vannes mélangeuse », placée entre l’aller et le retour de l’installation. Son principe de fonctionnement est basé sur la rotation d’un secteur entre les 3 voies d’eau :

Problème 2 : la température varie en permanence

Problème : la température extérieure varie en permanence. Comment dès lors adapter la température de l’eau des radiateurs aux besoins ?

Un régulateur va relever la température existante dans le local, va comparer celle-ci à la température de consigne, et en fonction de l’écart existant, ouvrira ou fermera la vanne trois voies mélangeuse.

Problème 3 : et s’il y a plusieurs locaux à chauffer ?

> Solution 1 : tous les locaux ont des besoins identiques (par exemple, l’ensemble des locaux administratifs d’une l’école).

On choisira un local témoin, fidèle des besoins en température des autres locaux.

Ici, tous les locaux superposés seront régulés en fonction de la température demandée dans le local témoin au rez-de-chaussée.

> Solution 2 : les locaux peuvent se subdiviser en zones ayant des besoins similaires (par exemple, les locaux situés au sud et les locaux situés au nord).

On réalisera deux circuits indépendants, régulés de façon autonome, chacun disposant de son local témoin.

On constate qu’il a fallu créer une boucle « primaire », alimentée par la chaudière, nourricière des différents départs de circuits, dits « secondaires ». Chaque circuit greffé sur la boucle primaire est indépendant des autres dans son fonctionnement.

> Solution 3 : tout est raccordé sur un seul circuit, les locaux ont des besoins différents mais il est trop coûteux de créer des zones différentes.

Hydrauliquement, il n’est pas possible de créer des circuits distincts.

Par exemple dans une école : au premier étage, c’est le réfectoire, au deuxième, c’est une classe et au troisième c’est la bibliothèque !

Des horaires et des températures de consigne bien différents ! Impossible de créer un local « témoin ».

On va dès lors se fier sur la seule variable que l’on connaît et qui est commune à tous le bâtiment : la température extérieure. Plus il fait froid dehors, plus la température de l’eau dans les radiateurs doit être chaude. On parle de « régulation en température glissante » en fonction de la température extérieure.

La loi appliquée est appelée « la courbe de chauffe« .

Si la température extérieure est de 3°C, on demandera au circuit une alimentation par de l’eau à 70°C.

Le schéma devient :

La température d’alimentation est donc identique pour tous les radiateurs du circuit. Or les besoins de chaque pièce sont différents … Que faire ? en plaçant des vannes thermostatiques sur chaque radiateur, on va adapter le débit d’eau chaude cette fois, en fonction des besoins.

En effet, une vanne thermostatique est un régulateur à elle toute seule.

Si elle est réglée sur 3, cela veut dire que l’on demande 20°C dans la pièce (approximativement : 1 = 16°C, 2 = 18°C, 3 = 20°C, 4 = 22°C, 5 = 24°C , mais cette correspondance varie selon les marques).

S’il fait 19°C dans le local, la vanne sera ouverte, le pointeur intérieur laissant passer un maximum de débit.

S’il fait 21°C, la vanne sera fermée, le pointeur bloquant le débit d’alimentation du radiateur.

Exemple.

Dans une école, application à la classe du 2^ème étage :

7h30 : il fait 17° dans la classe, le radiateur est alimenté au débit maximum avec l’eau préparée à 55°.

8h15 : il fait 20°, les cours commencent.

9h00 : la chaleur dissipée par les 20 élèves représente 2 000 Watts soit l’équivalent d’un gros radiateur. La température atteint 21°, la vanne thermostatique se ferme.

Pendant ce temps au 3^èmeétage, la bibliothèque reste chauffée par le radiateur dont la vanne thermostatique reste ouverte. Simplement, vers midi, la température extérieure étant remontée à 10°, l’eau de chauffage est réglée à 43° via la courbe de chauffe du régulateur.

On constate deux niveaux de régulation :

le réglage de base réalisé par la vanne trois voies au départ du circuit : réglage de la température de l’eau,
le réglage plus fin, réalisé par la vanne thermostatique dans chaque local : réglage du débit d’eau.

> Solution 4 : le bâtiment dispose de circuits différents, mais comprenant chacun des locaux avec des besoins variables (par exemple, un circuit Nord et un circuit Sud, mais avec des occupations de locaux très variées).

A problème mixte, solution mixte : on associera les possibilités des solutions 2 et 3.

La chaudière prépare de l’eau chaude à haute température. Deux sondes extérieures, l’une au Nord, l’autre au Sud, permettront le réglage des températures au départ des deux circuits :

une température d’eau pour le circuit Nord,
une température d’eau pour le circuit Sud.

Mieux, la sonde au Sud sera complétée par une sonde d’ensoleillement qui « trompera » le régulateur : par exemple, s’il fait + 5° et qu’il y a plein soleil, la sonde dira au régulateur qu’il fait + 12° ! « Trompée », la vanne mélangeuse enverra de l’eau moins chaude au circuit Sud.

De plus, des vannes thermostatiques placées dans chaque local corrigeront la température, si nécessaire (si des occupants ou des ordinateurs fournissent de la chaleur, par exemple).

La vanne thermostatique ne constitue donc que le dernier maillon correcteur d’un ensemble d’équipements de régulation cherchant à apporter la chaleur au bon endroit, au bon moment, avec le bon niveau de température.

Types de régulateur : analogique et digital

Régulateur numérique et régulateur analogique.

Pour appliquer ces différents principes, il existe deux types de régulateurs sur le marché : des régulateurs analogiques (traditionnels) et des régulateurs numériques (encore appelée régulation digitale ou DDC, Direct Digital Control).

Toutes deux sont basées sur du matériel électronique. Mais la régulation analogique traite un signal électrique alors que la régulation numérique traite des signaux numériques, comme un ordinateur.

Vous avez dit « analogique » ?

Prenons un exemple : il existe un écart entre la demande d’une consigne (20°) et la mesure de la sonde de température (19°). Les deux valeurs sont introduites dans un comparateur électronique et l’écart en ressort sous forme d’un signal électrique. Il sera amplifié, limité par une valeur haute ou basse, puis envoyé vers le moteur de la vanne trois voies pour augmenter son degré d’ouverture. Un schéma de câblage bien précis correspondra à ce dispositif de régulation.

Vous avez dit « numérique » (ou « digitale ») ?

Le même problème, version numérique, entraînerait l’existence d’un bus de communication où toutes les sondes (input) seraient raccordées mais aussi la commande du moteur de la vanne trois voies (output). Toutes les 30 secondes les informations des inputs sont relevées et envoyées vers le régulateur. Le microprocesseur de celui-ci renferme un programme de calcul qui établit le mode de réponse en fonction d’une loi mathématique donnée et renvoie vers le bus un message d’ouverture adressé à la vanne trois voies. Dans cette vision « communicante » de la régulation, régulateur de chaudière et régulateur de vannes trois voies se parlent et synchronisent leurs actions.

Quelles différences ?

Le prix, diraient les mauvaises langues, fatigués de devoir toujours installer un matériel plus sophistiqué, plus performant bien sûr mais plus cher à l’achat et à l’exploitation, toute réparation devant se faire à l’extérieur. La situation est similaire à celle de l’informatique, toujours plus performante également : pourrait-on refuser cette évolution ?

Il est certain qu’avec une installation digitale, une modification de programmation est toujours possible sans modifier le câblage : ajouter une sonde de présence pour réguler l’installation en fonction de la présence effective des occupants, c’est simplement insérer sur le bus un nouvel input et modifier la programmation pour en tenir compte. Tout est possible puisqu’il s’agit de modifier la logique du programme. Il suffit de voir tous les paramètres accessibles sur un régulateur digital pour se rendre compte de ses possibilités (jusqu’à la limitation de la vitesse de remonte lors de la relance pour éviter les bruits de dilatation des tuyauteries, ou commutation automatique de l’heure d’été à l’heure d’hiver !) en régulation analogique, le circuit est figé une fois pour toutes par le câblage et le mode de programmation est unique pour le régulateur sélectionné.

Exemple.

en numérique, par exemple, des régulateurs complémentaires peuvent être installés pour améliorer la gestion d’une zone (disposant de son propre circuit). Par exemple, dans une école, un nouveau régulateur, communiquant avec les autres, peut se placer dans l’aile des primaires. La directrice pourra modifier la consigne de +/- 4°, sélectionner le type de fonctionnement (automatique, continu jour, continu arrêt), relancer le chauffage pour 2 ou 4 heures, le temps d’organiser la réunion de parents du soir.

Exemple : régulation analogique

On reconnaît :

Un régulateur de cascade de chaudière (6), agissant sur les chaudières et sur leur circulateurs propres, en synchronisme avec les régulateurs de départ des circuits secondaires. C’est d’ailleurs ceux-ci qui définissent la température de sortie de chaudière, en fonction de leurs besoins !
Un régulateur optimiseur pour les classes de la façade Nord (2).
Un thermostat d’ambiance pour la bibliothèque (12), disposant de sa propre programmation, puisqu’il dispose de son propre circuit.
Un régulateur optimiseur pour les classes de la façade Sud (11), qui dispose de sa sonde solaire en complément de la température extérieure communiquée par le régulateur au Nord. Un contact est utilisé pour la coupure de deux ventilateurs d’extraction situés dans la salle de sports située au Sud également.
Une vanne de zone deux voies (15D), commandée par un thermostat d’ambiance et par une horloge pour le réfectoire (usage limité).
Une vanne de zone deux voies (15E) pour les locaux administratifs, commandée par une simple horloge, étant entendu que la température de départ est régulée dès la sortie de chaudière. Des vannes thermostatiques sont présentes dans les locaux pour une régulation complémentaire. À noter qu’une soupape différentielle stabilise la pression des réseaux D et E et que le circulateur est coupé si les deux vannes de zone sont fermées.

Cette régulation paraît très adéquate aux besoins et très économique puisque deux vannes mélangeuses ont pu être évitées.

Deux améliorations possibles : un thermostat dans les locaux administratifs pour surveiller tout risque de gel (entre Noël et Nouvel An !), ainsi que le choix de circulateurs à vitesse variable sur les départs des circuits secondaires équipés de vannes thermostatiques.

Exemple : régulation numérique

Voici un deuxième exemple qui montre l’évolution de la régulation allant vers la mise en place d’un bus de communication où circulent les informations :

AI : Analogic Input, les entrées qui varient de façon continue (la sortie d’un capteur de température, par exemple).
AO : les sorties qui varient de façon continue (le signal pour attaquer le moteur d’une vanne trois voies, par exemple).
DI : Digital Input, les entrées qui ne prennent que les valeurs 1 ou 0 (l’état on/off du thermique d’un circulateur, par exemple).
DO : Digital Output, les sorties qui ne prennent que les valeurs 1 ou 0 (la commande marche/arrêt du premier étage de la chaudière, par exemple)

La régulation ne peut être comprise que par la description de la programmation du régulateur faite par le constructeur (reprise ci-dessous). Cette programmation peut être adaptée à la carte suivant les attentes du client.

Régulation Cascade chaudières

La production d’eau chaude est assurée par mise en cascade de 3 chaudières à deux allures. Cette mise en et hors service des allures de chauffe se réalise en séquence temporisable et en fonction des températures de départ/retour collecteur primaire et température extérieure et demande réelle des consommateurs secondaires(ECS, radiateurs, groupes de pulsion, … ).

Chaque chaudière est équipée d’origine de ses organes de sécurités et de commandes.

Un contrôleur de débit placé dans le départ de chaque chaudière empêchera son fonctionnement si l’irrigation n’est pas suffisante. Un pressostat manque d’eau vérifiera la présence suffisante d’eau dans l’installation et sera placé sur le collecteur primaire général. Ces points seront contrôlés par la régulation DDC , de même qu’un défaut de fonctionnement brûleur par chaudière. La pompe primaire est une pompe jumelée qui sera commandée par la régulation DDC qui en assurera également la permutation automatique.

Régulation Circuit ECS

La production d’eau chaude sanitaire est produite par charge de ballons d’eau chaude au moyen d’eau chaude venant du collecteur primaire et au travers d’un échangeur à plaques piloté par une vanne à 3 voies et d’un circulateur.

La température de l’eau chaude au secondaire de l’échangeur est mesurée par une sonde à plongeur avec doigt de gant en inox. En fonction de celle-ci, la régulation DDC agit sur le fonctionnement de la vanne à 3 voies motorisée primaire et du circulateur associé.

La demande d’eau chaude sanitaire est prioritaire sur le fonctionnement de la cascade des chaudières et est régie par un programme horaire au sein du régulateur DDC.

Régulation Circuits Radiateurs 1 à 6 :

Les radiateurs sont alimentés en eau chaude à partir de 6 circuits depuis le collecteur primaire. Chaque circuit est équipé dune vanne à 3 voies motorisée et d’un circulateur commandés par le régulateur DDC. Ce dernier reçoit les informations dune sonde extérieure et d’une sonde à plongeur placée sur le départ du circuit.

Les radiateurs sont équipés de vannes thermostatiques et ne comportent donc pas de régulation secondaire liée au régulateur DDC.

Les sondes de température extérieure seront au nombre de 4 afin de couvrir l’orientation des zones desservies. Cependant, chaque circuit sera réglé de manière indépendante (régime horaire, courbe de chauffe).

Régulation Circuit Aérothermes – salles de sports et réfectoire :

Les aérothermes des salles de sports et réfectoire (ARl/AR2/AR3) sont alimentés en eau chaude en direct à partir du collecteur primaire. Une pompe placée sur le départ du circuit permet d’acheminer l’eau chaude vers les aérothermes.

Une sonde de température ambiante par zone permet, via la régulation DDC, la mise en et hors service des ventilateurs des aérothermes et ce de manière individuelle.

La « GTC »

GTC ? … pour Gestion Technique Centralisée.

On parle aussi de « télégestion ».

La régulation de l’installation de chaque installation de chauffage repose sur les régulateurs locaux qui travaillent en autonomie et possèdent toute l’intelligence nécessaire à la conduite de l’installation. Par exemple, ce sont bien les régulateurs qui modifient la température de l’eau de chauffage en fonction de la température extérieure, qui commandent l’arrêt des circulateurs à partir d’une certaine température extérieure ou encore qui gèrent le ralenti nocturne par optimisation, ….

Les régulateurs doivent être des régulateurs « digitaux » (DDC). Tout au long de leur fonctionnement, ils stockent des informations provenant des différents équipements (températures ambiantes, températures extérieures, …). Si leur mémoire est insuffisante (régulateurs moins récents), elle sera transférée vers un ordinateur qui capitalisera ainsi les différentes données.

Notons que les régulateurs DDC peuvent aussi être interconnectés entre eux par bus, communiquer directement et s’échanger des données utiles à leur fonctionnement. Ils sont paramétrables indépendamment de la GTC, au moyen de leur boitier de dialogue propre (qui diffère d’une marque à l’autre). Leur réglage peut évidemment aussi être modifié via la gestion centrale, mais une panne de cette dernière ne doit pas perturber le bon fonctionnement des équipements.

Un superviseur exploite les données des différentes mémoires (via modem, bus de communication ou ligne téléphonique fixe) et communique de façon conviviale avec l’utilisateur. Celui-ci peut ainsi visualiser à distance les différents paramètres de fonctionnement de l’installation, les modifier, relevé des alarmes, … . Il est également possible d’établir des historiques de fonctionnement (courbe de température d’eau, de température ambiante, …), ce qui permet de repérer très rapidement un dysfonctionnement de l’installation (par exemple un mauvais fonctionnement d’un optimiseur, la détérioration d’une sonde, une mise en dérogation oubliée, …).

Exemple d’écrans de dialogue d’une GTC.

Menu d’accueil : vue en plan du site.

Fonctionnement des chaudières.

Fonctionnement des circuits secondaires.

Suivi des consommations.

En résumé, il existe deux types de systèmes de GTC :

Les systèmes dits « propriétaires » où tous les équipements (sondes, régulateurs, bus de communication) et protocole de communication doivent être de la même marque pour pouvoir communiquer entre eux. Chaque extension doit être de la marque choisie au départ et demande le plus souvent l’intervention de cette dernière pour reparamétrer le système.
Les systèmes plus ouverts qui se basent sur ce qui devient petit à petit des « standards » de communication. Ces systèmes permettent l’intégration d’un nombre plus important de points de contrôle autres que du chauffage ou de la climatisation (éclairage, contrôle d’accès, relevé de compteurs électriques, gestion de la pointe 1/4 horaire, …). Ils s’adaptent ainsi plus facilement à des bâtiments importants dont on veut faire une gestion globale. Ils permettent aussi de changer de marque de régulateur avec un minimum de reprogrammation, pour peu que le nouveau matériel respecte les mêmes standards.

Exemple de configuration d’une GTC utilisant des « standards » de communication.

Il est possible de raccorder ensemble :

Des équipements communicant suivant le standard LON ou le standard KONNEX (ex EIB, Batibus et EHS). Par exemple, la commande de l’éclairage, des stores, …
Des équipements gérés par un système propriétaire clairement liés à une marque de matériel. Par exemple, l’ensemble des équipements de chauffage.
Des régulateurs de chauffage compatibles ON ou KONNEX peuvent aussi être directement raccordés au réseau de communication.

Cela demande l’utilisation d’interface de communication et une programmation au niveau d’un système de supervision pour rendre l’ensemble compatible. Il y a encore peu de temps, cela semblait encore relativement ardu à mettre en œuvre, mais une standardisation semble petit à petit se développer via les standards « BACnet » ou « OPC ».

Schéma d’intégration de différents protocoles de communication au sein d’un système de gestion complet du bâtiment.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Calcul des déperditions et dimensionnement des installations de chauffage

Norme NBN EN 12831 (2003) et NBN B62 – 003

Norme NBN EN 12831 : 2003

La norme NBN EN 12831 : 2003 (Systèmes de chauffage dans les bâtiments – méthode de calcul des déperditions calorifiques de base) permet tant de calculer les déperditions calorifiques d’un bâtiment (dimensionnement des systèmes de chauffage) que d’un local (dimensionnement des corps de chauffe).

Méthode de calcul

La méthode de calcul est assez complexe.
En résumé, sur base de la détermination :

des données climatiques (températures externes données par la NBN B 62 – 003 en fonction de la situation géographique) ;
de la définition des espaces du bâtiment et de leur température interne (espaces chauffés, non chauffés hors gel, …) ;
et des données relatives au bâtiment comme les dimensions (surface d’échange de chaleur avec l’extérieur) et la composition des parois externes (valeur U en W/m².K) ;

le calcul détermine chacune des grandeurs suivantes :

Les déperditions de base perdue par transmission. Elles dépendent de la surface de toutes les parois du bâtiment entourant le volume chauffé, du coefficient de transmission thermique de celles-ci et des températures intérieures et extérieures correspondant à chaque local. On retrouve ce type de déperdition au travers :
- de l’enveloppe du bâtiment ;
- des espaces non chauffés ;
- des espaces adjacents ;
- du sol.

Les déperditions de base par ventilation. C’est la chaleur perdue par renouvellement d’air du bâtiment qui dépend du taux de ventilation et de l’inétanchéité du bâtiment. Pour simplifier, la norme propose de déterminer ceux-ci en connaissant le volume chauffé et en choisissant un taux de renouvellement d’air forfaitaire.

À ces déperditions de base (W), la méthode de calcul ajoute une surpuissance de relance lorsque le bâtiment est soumis à l’intermittence (coupure du chauffage de nuit).

Norme NBN B 62 – 003

Validité

La norme NBN B 62 – 003 est une norme qui date de 1986. Elle est totalement remplacée par la norme NBN EN 12831 : 2003.

De cette norme, on a principalement repris les températures extérieures de base qui sont propres au climat belge.

Température externe

Les installations de chauffage sont dimensionnées pour fournir un confort adéquat lorsque les conditions atmosphériques extrêmes. Ces dernières sont symbolisées dans la norme par la température extérieure de base. Il s’agit de « températures extérieures moyennes journalières qui, en moyenne, ne sont dépassées vers le bas que pendant un seul jour par an ». Elles sont données dans la norme en fonction de chaque commune de Belgique et doivent donc servir de référence pour le dimensionnement.

Températures extérieures minimales de base, en Wallonie.

Quelques données de base

Températures internes de base

Les températures internes de base sont fonction de l’activité menée dans les différents locaux repris ci-dessous.

Type de bâtiment ou d’espace	θ_int,i °C
Bureau individuel Bureau paysager Salle de réunion Auditorium Cafétéria/Restaurant Salle de classe Crèche Magasin Résidentiel Salle de bainÉglise Musée/Galerie	21 21 21 21 21 21 21 16 21 2415 16

Taux de renouvellement d’air

Le taux de renouvellement d’air est le nombre de renouvellements en volume/heure du bâtiment lorsqu’il est mis en surpression de 50 Pa. Cette valeur est déterminée, par exemple, lors d’un test de « blower door »).

Construction	Taux de renouvellement d’air pour le bâtiment entier, n50 h-1
	Degré d’étanchéité à l’air de l’enveloppe du bâtiment (qualité des joints de fenêtre)
	Élevé (joints des fenêtres et portes de haute qualité)	Moyen (fenêtres à double vitrage, joints normaux)	Bas (fenêtres à simple vitrage, pas de joints)
Maisons individuelles	< 4	4 – 10	> 10
Autres logements ou bâtiments	< 2	2 – 5	> 5

Surpuissance de relance

La surpuissance de relance dépend de plusieurs facteurs :

Le temps de relance.

La chute de température lors de l’intermittence de 12 heures. Plus le bâtiment est isolé et étanche, moins grande sera la chute de température et, par conséquent, moins grande sera la surpuissance de relance.

Temps de relance	f_rh W/m²
	Chute prévue de la température intérieure lors du ralenti
	2K			3K			4K
	Inertie du bâtiment			Inertie du bâtiment			Inertie du bâtiment
	faible	moyenne	forte	faible	moyenne	forte	faible	moyenne	forte
1 2 3 4	18 9 6 4	23 16 13 11	25 22 18 16	27 18 11 6	30 20 16 13	27 23 18 16	36 22 18 11	27 24 18 16	31 25 18 16

Le dimensionnement en pratique

Température dans les locaux non chauffés

En outre, lorsque le volume chauffé n’est par directement en contact avec l’extérieur, la norme propose de calculer une température équivalente dans le local adjacent à celui-ci. Ce calcul est quelque peu fastidieux. Il en va de même pour le calcul de la température du sol. Dès lors, on peut simplifier la démarche en utilisant les ordres de grandeur suivants :

Estimation des températures équivalentes dans les locaux non chauffés :
En rouge : surface de déperdition et température de consigne choisie dans le volume chauffé.
En bleu : température à considérer du côté « extérieur » de la surface déperditive.

Calculs

Pour estimer les déperditions de votre bâtiment et pour estimer la puissance de votre chaudière. Evitez d’utiliser ces outils comme des « boîtes noires », ces résultats sont intéressant à confronter au dimensionnement exact effectué par l’auteur de projet. Pour utiliser ce programme, il est nécessaire de connaître le coefficient de transmission thermique (k_j ou U_j) des différentes parois extérieures du bâtiment. En première approximation, une liste de parois types est reprise dans le programme de calcul.

Calculs

Pour les murs et les toitures, le coefficient de transmission thermique (kj ou Uj) peut être calculé précisément.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Conditions à respecter dans les locaux de préparation alimentaire

Températures d’ambiance à garantir

Les valeurs ci-dessous nous ont été communiquées par un fabricant.

Local	Température
Local des préparation froides	16°C
Boucherie	16°C
Stockage produits secs	16°C

Niveaux d’éclairement

Les niveaux d’éclairement repris dans le tableau ci-dessous correspondent à des minima recommandés par le Codex Alimentarius (Directives internationales recommandés pour la pratique – CAC/RCP1 – 1969 – rev. 1 1979 – pt 4.4.6. – Éclairage).

Local	Éclairement (lux)
Réception	250 à 500
Stockage	125 à 250
Préparations froides / Préparations chaudes	500 à 600
Boucherie	500 à 600
Pâtisserie	500 à 600
Légumerie	500 à 600
Laverie	250 à 500
Bureau du chef	250 à 500
Local des déchets	60 à 125
Distribution	250 à 500

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Bacs à glace

Principe

Il s’agit d’un réservoir de glace, disposé en parallèle ou en série avec le circuit d’eau glacée des installations de climatisation. Il permet d’accumuler du froid, particulièrement durant la nuit.
Il se dissocie de son « concurrent », le ballon d’eau glacée, par le fait que la réserve de froid profite de la chaleur latente de l’eau ou d’un sel :

Au moment du refroidissement (phase de stockage), il y a cristallisation ou solidification, en plus du refroidissement de l’eau et de la glace.

Au moment du réchauffement (phase de déstockage du froid), il y aura fusion en plus du réchauffement de l’eau et de la glace.

La chaleur latente de solidification de l’eau est de 335 kJ/kg. Alors que la chaleur sensible est de 4,18 kJ/kg.K. Il est donc possible de stocker 80 fois plus d’énergie dans un kg d’eau qui passe de 0,5° à -0,5°C que de 4° à 3°C.

De plus, la température de l’eau de réchauffement reste plus ou moins constante durant toute la phase du dégel de la glace.

Technologies

On distingue les systèmes basés sur un faisceau de tubes plongés dans le réservoir (encore appelés « ice on coil »), de ceux basés sur l’utilisation de nodules, petites balles en plastiques stockées dans le réservoir.
Bacs à eau + tubes

Au moment du stockage, un fluide réfrigérant (fluide frigorigène ou eau glycolée) circule dans les tuyauteries. La température du fluide avoisine les -5°C. L’eau glacée, en contact direct avec ces tubes, va former un enrobage de glace.

L’uniformité de la formation de la glace et de sa fusion est parfois renforcée par l’agitation de l’eau via la diffusion de bulles d’air.

Il existe des bacs isolés préfabriqués pour ce type d’usage. Les tubes peuvent être en acier (noir, galvanisé ou inoxydable) ou en plastique.

On ne prévoit pas une épaisseur de glace trop importante dans la mesure où il faut une température de réfrigérant de plus en plus basse au fur et à mesure que la glace se forme. En effet, la glace constitue une couche isolante qui ralentit la formation de glace supplémentaire. Par ailleurs, une trop faible couche de glace augmenterait le nombre de tubes et donc le coût d’investissement. En général, on admet des épaisseurs de glace jusqu’à 35 mm. Le cycle de charge est arrêté lorsque l’épaisseur de glace prévue est atteinte; ce sont des capteurs mesurant la conductivité électrique à différentes distances des tubes qui déterminent ce moment.

Autre solution : si le réservoir est ouvert, on profite parfois du fait que l’eau augmente de volume lors de son passage en glace (+ 9 %). Un simple capteur de niveau d’eau peut informer le régulateur du niveau de prise en glace.

Si c’est le réfrigérant (R22, NH3, …) qui est véhiculé dans la batterie, celle-ci constitue l’évaporateur de la machine frigorifique et on parle de « système à détente directe ».

Solution 1 : systèmes à fonte externe

Au moment du déstockage, l’eau va faire fondre la glace par contact extérieur direct : c’est le principe de la fonte externe. Les puissances de fonte sont donc élevées. La température de l’eau glacée est +/- constante.

Solution 2 : systèmes à fonte interne

Dans le cas du principe de la fonte interne, le glycol utilisé pour la fabrication de la glace est également utilisé pour faire fondre la glace. Cette « solution chaude » de glycol (température positive) passe dans le faisceau de tubes pour faire fondre, de l’intérieur vers l’extérieur, la glace qui se trouve autour du faisceau de tubes.

La fonte créera toujours une fine couche d’eau isolante entre la surface des tubes et la glace restante, ce qui réduit la transmission de chaleur. En outre, la transmission de chaleur a lieu par la petite surface d’échange interne du faisceau de tubes. C’est la raison pour laquelle ce principe de fonte n’est utilisé que pour des applications de climatisation où les puissances de fonte ne sont pas extrêmement élevées et où les températures de fonte nécessaires sont relativement élevées (12/6°C).

Pour des applications industrielles dont les puissances de fonte sont très élevées et les températures d’eau sont très basses (1°C), le faisceau de tubes du bac de glace à fonte interne devrait être tellement grand que cela ne serait pas réalisable d’un point de vue économique. On choisit dans ce cas plutôt le système à fonte externe.
Réservoir + nodules :

Il s’agit d’une cuve fermée, sous pression ou non, remplie d’eau glycolée et de nodules. Ces nodules sont des grosses billes de 8 à 10 cm de diamètres (il existe également des nodules à facettes).

Elles contiennent de l’eau + un eutectique pour les températures négatives ou des sels hydratés pour les températures positives. L’ensemble, encore appelé « matériau à changement de phase » est sélectionné pour l’importance de la chaleur latente liée à la solidification/fusion. L’enveloppe des nodules est réalisée en polyéthylène (PE).

Entre les nodules circule de l’eau glycolée.
Phase de stockage : la température de l’eau est inférieure à la température de changement de phase des sels contenus dans les nodules, ceux-ci cristallisent.

Phase de déstockage : la température de l’eau est supérieure, les sels des nodules fondent.

Le transfert thermique a donc toujours lieu par l’extérieur.

Les nodules de qualité contiennent des germes de cristallisation pour éviter le phénomène de surfusion, ainsi qu’une protection contre les pics de cristallisation qui pourraient déchirer l’enveloppe.

Schémas d’installation

Pour comprendre le fonctionnement du stockage en parallèle avec l’installation frigorifique, on peut accéder aux schémas d’installation :

Le stockage de glace dans les bacs à faisceaux tubulaires

Le stockage de glace dans les bacs à nodules

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Remplacer le fluide frigorigène d’une installation existante [Froid alimentaire]

Les différentes règlementations ont peu à peu interdit l’utilisation des fluides frigorigènes de type CFC et HCFC (même recyclés).

Le passage vers un HFC (hydrofluorocarbures) peut être assez coûteux et implique généralement un changement de certains composants de l’installation (compresseur et détendeur notamment), ainsi qu’un changement de toute l’huile contenue dans l’installation. On recommande donc de faire appel à une société spécialisée qui réalisera une étude précise en fonction de l’installation en présence. Il faudra tenir compte d’une potentielle diminution de puissance frigorifique (et donc du rendement de l’installation) lors de cette étude de faisabilité. On veillera aussi à anticiper les renforcements réglementaires. La réglementation européenne (dite F-gaz) prévoit en effet un retrait progressif des HFC du marché. On aura donc tout intérêt à utiliser un fluide qui ne sera pas trop rapidement retiré du marché !

L’ancien fluide sera récupéré et ensuite détruit ou recyclé, par une société habilitée qui délivrera une attestation.

L’alternative au remplacement du fluide est la réalisation d’une nouvelle installation directement conçue pour des fluides frigorigènes naturels ou à faible pouvoir de réchauffement global (PRG ou Global Warming Potentiel en anglais (GWP)).

Les insectes parasites du bois - energie plus

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Insectes parasites du bois

Les principaux insectes parasites dont les larves attaquent le bois de construction dans nos régions sont :

Le Capricorne


Capricorne adulte.	Larve du capricorne.

Types de bois attaqués

Charpentes, huisseries, solives, lambourdes, planchers.

principalement : en bois résineux,
parfois : en peuplier,
rarement : en hêtre ou en chêne.

Symptômes de l’attaque

Trous de sortie de l’insecte adulte de forme ovale, longueur 6 mm, largeur 3 mm,
boursouflures à la surface du bois,
en éliminant une fine pellicule à la surface du bois : nombreuses galeries remplies de sciure,
insectes morts dans les locaux infectés,
bruit de grignotement des larves,
affaissement anormal du bois,
farine de bois sous les pièces attaquées.

Coupe dans le bois attaqué par le capricorne.

Aspect de la sciure

Fine, généralement claire, fortement tassée.

Aspect de la larve

Gros vers blanc, poilu avec la partie antérieure élargie et aplatie, et mandibules brun sombre visibles à l’avant de la tête.
Cycle larvaire : 3 à 10 ans.

Aspect de l’insecte parfait

Gris noir à brun, long et aplati, pourvu de longues élytres cachant les ailes, il présente deux protubérances sur la face dorsale du thorax.
Ses antennes sont plus courtes que le corps.
Taille : 10 à 20 mm.

Le Lyctus


Lyctus adulte.	Larve du Lyctus.

Types de bois attaqués

Parquets, lambourdes, escaliers, menuiseries, meubles.

Uniquement dans les essences feuillues comme le chêne, le châtaignier, le frêne, l’érable, le cerisier, …, et les bois tropicaux, en général assez récemment mis en œuvre.

Symptômes de l’attaque

Trous de sortie de l’insecte adulte de forme ronde ou légèrement ovale, Ø 1 à 1,5 mm,
nombreux trous de sortie en cas d’attaque importante,
beaucoup d’insectes morts dans les locaux infestés, durant la période de mai à septembre,
poussière de bois près ou sous les trous de sortie,
pas de bruit.

Bois attaqué par le Lyctus.

Aspect de la sciure

Farine impalpable.

Aspect de la larve

Petit ver blanchâtre, mou, en forme de virgule, non poilu, avec une tête de consistance cornée.
Cycle larvaire : 6 à 12 mois.

Aspect de l’insecte parfait

Roux à brun, dur sous l’ongle, ayant un corps allongé en forme de cylindre.
La tête est visible.
Les antennes sont terminées par des petites masses en boule.
Taille : 3 à 6 mm.

La petite vrillette


Petite vrillette adulte.	Larve de petite vrillette.

Types de bois attaqués

Vieux meubles, menuiseries, planchers, escaliers, vieux parquets.

Dans les bois de toutes les essences, surtout s’ils sont vieux et secs.

Symptômes de l’attaque

Trous de sortie très nombreux, ø 2 à 3 mm,
perte totale de la résistance mécanique du bois, lors d’attaques importantes,
bois ayant l’aspect et la consistance du biscuit,
décrochage mécanique de la pellicule extérieure longtemps respectée.

Bois attaqué par la petite vrillette.

Aspect de la sciure

Assez grossière, non tassée dans les galeries.

Aspect de la larve

Petit ver blanc nu en forme de virgule, plus poilu que la larve du Lyctus, s’en distinguant par le dernier élément du corps plus gros que les autres.
Cycle larvaire : 1 à 3 ans

Aspect de l’insecte parfait

Roux à brun, dur sous l’ongle, plus trapu et arrondi que le Lyctus.
La tête est cachée par une sorte de capuchon (pronotum).
Les antennes sont terminées par une massue.
Taille : 2 à 4 mm.

La grosse vrillette

Grosse vrillette adulte.

Types de bois attaqués

Charpentes, planchers, bois de gros œuvre ayant au préalable souffert d’attaque de champignons.

Dans les bois de toutes les essences

Symptômes de l’attaque

Trous de sortie ø 4 à 5 mm,
bois ayant l’aspect et la consistance du biscuit,
décrochage mécanique de la pellicule extérieure longtemps respectée,
bruit typique durant la période d’accouplement : coups saccadés et rythmés sur le bois tous les jours, exactement à la même heure.

Aspect de la sciure

Assez grossière, non tassée dans les galeries.

Aspect de la larve

Petit ver blanc nu en forme de virgule, plus poilu que la larve du Lyctus, s’en distinguant par le dernier élément du corps plus gros que les autres.
Cycle larvaire : 1 à 3 ans

Aspect de l’insecte parfait

Roux à brun, dur sous l’ongle, plus trapu et arrondi que le Lyctus.
La tête est cachée par une sorte de capuchon (pronotum).
Les antennes sont terminées par une massue.
Taille : 6 à 9 mm.

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Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Concevoir le mur creux

Remplissage partiel ou intégral ?

En général…

… on choisit, de préférence, un remplissage intégral de la coulisse du murs creux par de l’isolant car :

Cette technique est moins délicate au niveau de l’exécution.
Cela permet d’augmenter la résistance thermique du mur.

1. Exécution

Des défauts d’exécution sont très fréquents lors d’un remplissage partiel de la coulisse.

Exemples de défauts d’exécution

Des déchets de mortier tombés dans l’espace laissé vide encombrent la lame d’air entre le parement et l’isolant.

Les panneaux isolants ne sont pas placés contre le mur intérieur (en remplissage partiel) : ce qui engendre des pertes de chaleur par convection autour des panneaux.

Les panneaux d’angle ne sont pas superposés.

Exemples de détails corrects

Un placement correct de l’isolation en remplissage partiel veille essentiellement à assurer une jonction parfaite entre les panneaux isolants ainsi qu’entre les panneaux et le mur porteur. En outre la lame d’air doit être propre et dégagée de tous déchets.

La KUL a effectué des mesures de coefficients de transmission thermique moyens réels sur des murs creux où la mise en œuvre de l’isolant a été soignée et sur les mêmes murs creux où la mise en œuvre a été exécutée sans soin particulier; et ce, pour des murs creux isolés avec remplissage partiel et intégral.

En voici les résultats :

	U_théorique(W/m²xK)	U_pratique(W/m²xK)
Pas d’isolant dans le mur creux	1,34	1,35
Remplissage partiel du creux
Pose correcte de l’isolant.	0,42 à 0,49	0,54 à 0,61
Pose déficiente de l’isolant.	0,42 à 0,49	0,99
Remplissage intégral du creux
Pose correcte de l’isolant.	0,27 à 0,32	0,39 à 0,44
Pas de soin particulier apporté à la mise en œuvre de l’isolant.	0,27 à 0,32	0,39 à 0,44

Les mesures montrent qu’une mise en œuvre de l’isolant réalisée avec soin apporte finalement peu de diminution du coefficient de transmission thermique dans le cas d’un remplissage intégral. Ceci s’explique par le fait que le remplissage intégral du creux d’un mur souffre moins des erreurs de pose que le remplissage partiel.

2. Amélioration de la résistance thermique

Le remplissage intégral de la coulisse permet de profiter au maximum de la largeur de celle-ci pour isoler; un vide d’air est moins bénéfique qu’un supplément d’isolant au niveau de la résistance thermique du mur.

En effet, en cas de remplissage partiel, la lame d’air entre la paroi extérieure et le matériau d’isolation doit avoir une épaisseur minimale de 3 cm.
Une lame d’air de cette épaisseur a une résistance thermique maximale de 0,35 [m²xK/W] (cas d’une couche d’air verticale, une des faces latérales a une émissivité diminuée, la lame d’air est non ventilée) (Annexe A de la NBN EN ISO 6946).
Si l’on remplit cet espace de laine minérale (isolant le plus couramment utilisé dans le cas d’un remplissage intégral) cette dernière va augmenter la résistance thermique de la paroi de R = d/λ = 0,03/0,04 = 0,75 [m²xK/W], ce qui est nettement supérieur à la résistance thermique apportée par l’épaisseur de lame d’air supplémentaire.

Remarque.
Le coût d’un isolant un peu plus épais risque d’être plus élevé, mais est insignifiant vis-à-vis de l’augmentation de coût d’exécution dû à une mise en œuvre plus difficile d’un remplissage partiel.

Dans certains cas…

Le remplissage partiel (parfaitement exécuté) est choisi lorsque le vide ventilé est recommandé; seul ce remplissage permet la présence d’un vide ventilé.

Lame d’air ventilée ou non ventilée ?

> Un vide ventilé est nécessaire dans les deux cas suivants :

Les façades très exposées aux pluies battantes,
Les façades dont la maçonnerie de parement est recouverte d’une couche faiblement perméable à la vapeur (briques émaillées, maçonnerie peinte, certains crépis,…) ou dont le parement lui-même est étanche à la vapeur (pierre naturelle, briques de grès, tôle métallique).

1. Façades très exposées aux pluies battantes :

Par « façades très exposées aux pluies battantes », il faut entendre celles des bâtiments :

situés en site urbain ou suburbain et dont la hauteur est supérieure à 50 m,
situés en zone rurale et dont la hauteur est supérieure à 25 m,
situés en zone côtière et dont la hauteur dépasse 8 m,
construits en bord de mer.

2. Parements peu perméables à la vapeur :

Dans le cas d’un mur de parement recouvert, sur sa face extérieure, d’une couche faiblement perméable à la vapeur d’eau (peinture, briques émaillées, …), un séchage effectif ne peut s’effectuer que par sa face intérieure et, pour le favoriser, il est nécessaire de ventiler le creux.

En effet, une couche d’émail ou de peinture a deux effets sur le comportement hydrique du mur :

D’une part, elle augmente l’étanchéité à l’eau de pluie, mais celle-ci n’est pas totale.
Si la peinture, par exemple, peut réduire considérablement la quantité d’eau infiltrée dans le mur par capillarité, l’eau peut, malgré tout, pénétrer dans le mur par les inévitables petites discontinuités (joints incomplètement remplis, petits trous, fissures, …) qui ne peuvent pas toujours être colmatées par le feuil de peinture (le rôle de la peinture réside donc essentiellement dans la décoration et non dans la réalisation d’une étanchéité).

D’autre part, elle diminue la perméabilité à la vapeur d’eau. Or l’eau infiltrée dans le mur ne pourra s’évacuer par évaporation par la face extérieure qu’en fonction de la perméabilité à la vapeur de cette face.
Il est apparu, lors d’études effectuées par le CSTC et la KUL, que toute peinture ralentissait tellement le séchage du parement qu’une humidité progressive s’installait dans celui-ci.

Ce comportement se présente aussi lorsque le parement lui-même est étanche à la vapeur : pierre naturelle, briques émaillées, tôle métallique, … et le vide ventilé est, dans ce cas également, fortement conseillé.

Dans tous les autres cas, bien qu’elle ne constitue pas un défaut, la ventilation du mur creux ne présente aucun avantage; on choisit donc une coulisse non ventilée avec remplissage intégral.
En effet, dans le cas d’un remplissage partiel (avec isolation correctement posée), le coefficient de transmission thermique du mur augmente légèrement (4,7 % avec un vent de 26 m/sec – résultat calculé sur base de modèles mathématiques) lorsque le vide est ventilé; on a donc tout intérêt à choisir un remplissage intégral.

Remarque.
Beaucoup d’idées reçues circulent à propos de la ventilation des murs creux. Celles-ci plaident en sa faveur mais sont sans fondement !
Le texte ci-dessous est très largement inspiré de l’article « Faut-il remplir intégralement d’isolant le creux de mur extérieur ? » paru dans le magasine Je vais construire n°148 de février 1992.

Une idée reçue…

La ventilation du creux du mur permet d’éviter les infiltrations d’eau vers l’intérieur du bâtiment.

En réalité…

En cas de fortes pluies prolongées, le mur de parement finit par laisser passer l’eau.

La coulisse a alors pour fonction d’empêcher le transfert de cette eau vers le mur intérieur. Elle remplit la fonction de rupture capillaire, de chambre de décompression et de canal d’évacuation (elle interrompt le passage de l’eau au travers des matériaux, elle évite que l’eau qui a pu traverser la paroi extérieure ne soit projetée par le vent sur la paroi intérieure et permet à cette eau de s’écouler sur la face interne du parement).

Ces fonctions peuvent aussi bien être remplies par un vide (c’est le cas en remplissage partiel) que par un isolant non capillaire (c’est le cas de la laine minérale en remplissage intégral).

La ventilation du vide ne joue donc aucun rôle déterminant à cet égard.

Les seuls problèmes rencontrés au niveau du passage de l’eau de pluie résultent soit d’erreurs d’exécution (déchets de mortier coincés entre les murs extérieurs et intérieurs, pose déficiente des membranes d’étanchéité, crochets non inclinés vers l’extérieur (remplissage intégral) ou sans casse-gouttes (remplissage partiel), soit d’un défaut d’étanchéité à l’air du mur intérieur.

Une autre idée reçue…

La ventilation du creux du mur empêche toute condensation interne.

En réalité…

La condensation interne est de si faible importance dans le cas d’un mur creux qu’elle ne mérite pas d’être évoquée. La ventilation ou non de la coulisse n’a donc aucune influence sur le phénomène.

Une autre idée reçue…

La ventilation du creux du mur accélère le séchage du mur de parement et permet de la sorte d’éviter tout dégât par le gel de la maçonnerie.

Schéma ventilation du creux du mur.

En réalité…

Un mur de parement complètement trempé s’assèche en deux phases

Assèchement rapide : quelle que soit la saison, l’assèchement par la face en contact avec le vide ventilé n’atteint qu’au maximum 5 % de l’assèchement obtenu par la face extérieure.

Shéma assèchement rapide du mur creux.

Assèchement approfondi : une fois que la contenance en humidité du mur s’abaisse de manière telle que l’assèchement de surface doit faire place à un assèchement par diffusion, le vide ventilé joue un rôle plus important 55 % de l’assèchement s’effectue encore par l’extérieur pour 45 % par le vide ventilé.
À ce moment toutefois, on se situe déjà au niveau d’une humidité structurelle qui ne risque plus d’engendrer de dégâts à la maçonnerie en cas de gel.
Une accélération de l’assèchement du mur n’est plus aussi vitale.

Une dernière idée reçue…

La ventilation du creux du mur évite la condensation superficielle et la moisissure à l’intérieur du bâtiment.

En réalité…

Les problèmes de condensation superficielle dans un bâtiment résultent généralement d’une combinaison négative de 4 facteurs :

Un comportement thermique défaillant du bâtiment provenant soit de l’absence d’isolation thermique, soit d’une mise en œuvre déficiente de l’isolation, soit encore de la présence de ponts thermiques.
Un apport d’air neuf insuffisant (ventilation insuffisante).
Une température intérieure trop basse.
Une production anormalement élevée d’humidité dans le bâtiment.

La discussion de l’utilité d’une ventilation du creux de mur dans le cadre des problèmes de condensation superficielle ne concerne évidemment que le 1^er facteur (la qualité thermique de l’enveloppe du bâtiment). La chance de réduire ces ennuis par la ventilation du creux de mur serait effective si l’on parvenait de la sorte à réduire la valeur du coefficient U et à effacer l’effet des ponts thermiques.
Ce n’est évidemment pas le cas et l’on constate, au contraire, qu’en pratique la ventilation du creux de mur accentue le risque de formation de moisissures en cas de pose défaillante de l’isolant (rotation d’air autour des panneaux). Par ailleurs, si l’isolation est placée conformément aux règles de l’art, aucun problème de ce type n’apparaît quelle que soit la structure adoptée (remplissage total de laine minérale, remplissage partiel avec vide ventilé ou non) mais le résultat le meilleur est obtenu avec un remplissage intégral du creux de mur, le moins bon avec le vide ventilé.

Vouloir écarter le problème des moisissures en ventilant le creux de mur est donc un non-sens.

Quel type d’isolant?

L’eau étant un très bon conducteur de chaleur, il faut éviter que l’isolant ne s’humidifie. Un bon isolant thermique est donc étanche à l’eau ou hydrophobe et non capillaire, c.-à-d.. qu’il ne peut ni s’humidifier dans la masse, ni transférer l’eau qui aurait traversé la maçonnerie de parement.

L’étanchéité à l’air du mur creux étant assurée par un enduit, la perméabilité à l’air de l’isolant est une propriété de moindre importance. De même, la condensation interne ne posant pas de problème dans un mur creux, la perméabilité à la vapeur d’eau est également une caractéristique de moindre importance. Enfin, vu le faible risque d’exposition à la chaleur de l’isolant, la réaction au feu de l’isolant est une propriété d’importance secondaire.

Pour les murs creux, il est fortement conseillé de choisir des panneaux rigides ou semi-rigides, càd. une mousse rigide ou une laine minérale ayant une masse volumique supérieure ou égale à :

20 kg/m³ pour la laine de verre;
45 kg/m³ pour la laine de roche.

Cas d’un remplissage partiel

Le remplissage partiel se fait en général avec des plaques isolantes rigides ou semi-rigides en matériaux tels que :

la mousse de polystyrène expansé,
la mousse de polystyrène extrudé,
la mousse de polyuréthane,
le verre cellulaire,
la laine minérale hydrofugée, semi-rigide à rigide.
…

Cas d’un remplissage intégral

Dans le cas d’un remplissage intégral, on choisit généralement des panneaux de laines minérales rigides ou semi-rigides ayant reçu un traitement hydrofuge. En effet, ceux-ci permettent de bien colmater la coulisse : les deux parois (intérieure et extérieure) sont maçonnées pour que les faces vues soient planes, il en résulte des irrégularités sur les faces se trouvant dans la coulisse; celles-ci sont « reprises » par un matériau suffisamment souple.

L’épaisseur d’isolant dépendra du type d’isolant choisi, de sa configuration dans la paroi et des performances thermiques à atteindre.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Adapter la consigne de température de l’air ambiant

En hiver

La consigne de température résulte d’un compromis entre confort optimum et consommation minimale ! Chaque degré épargné sur la saison de chauffe entraîne une diminution de 8 % (minimum) de la facture chauffage du bâtiment. Mais le confort doit être atteint.
En hiver, dans les bureaux, une température opérative de 20°C est requise. Puisque celle-ci est donnée par :

T°_opérative= (T°_air+ T°_parois) / 2 (NBN X 10-005)

On adoptera une température de l’air de 21°C pour une température moyenne des parois de 19°C (RGPT).
Ou de 20,5°C pour une température moyenne des parois de 19,5°…

Évaluer

Pour évaluer le confort thermique

Pour respecter le confort thermique des occupants :

La température de consigne doit être adaptée au bâtiment (par exemple, avec des châssis à simple vitrage la température de l’air devra être plus élevée).
La température de l’air peut être relevée le lundi matin pour compenser les parois refroidies par le week-end.
La température de l’air peut être relevée en plein hiver pour compenser l’effet des parois froides.

Autrement dit, si l’on souhaite promouvoir la préservation des énergies

Dans un bâtiment bien isolé (c’est généralement le cas des bâtiments climatisés), on peut se permettre de diminuer la température de l’air, jusqu’à approcher des 20°C (voire moins si chauffage par rayonnement).
La température de l’air peut être diminuée dès le mardi puisque les parois sont chaudes.
La température de l’air peut être abaissée en mi-saison sans risque d’inconfort.

Les régulations numériques d’aujourd’hui permettent d’automatiser ce genre de gymnastique !

En été

C’est souvent la rentabilité du travail des occupants qui guide le choix du niveau de consigne de la température intérieure. Mais il importe de prendre conscience des conséquences énergétiques de ce choix.

Quel est l’impact d’une consigne de température réglée sur 24° ou 25° en été ?

Hypothèses

Une simulation informatique réalisée sur un local de bureau type, en façade Sud, avec double vitrage ordinaire, gains internes moyens (30 W/m²), occupation 10 h/jour, 5 jours/semaine.

Situation 1

consigne à 25°C : consommation de refroidissement : 100 % (référence)

Situation 2

consigne à 24°C : consommation de refroidissement : 129 % !

(cet accroissement élevé est du au fait qu’à ce niveau de température, une augmentation de 1°C entraîne une large augmentation de la durée de refroidissement).

Pour définir la consigne de température intérieure, plusieurs stratégies sont possibles (à imposer via la régulation). Voici leur classement par ordre décroissant de consommation :

Soit une consigne intérieure qui augmente linéairement en fonction de la température extérieure, entre deux limites minima et maxima. Cette solution, appelée « consigne compensée » est très coûteuse en énergie (près de 200 % de la situation de référence de l’exemple ci-dessus). En pratique, elle conduit par exemple à refroidir en mi-saison jusqu’à 21°, parce que la température extérieure est très fraîche, mais que le soleil enclenche la climatisation. Une consigne flottante aurait généré 23 à 24°C dans le local sans enclenchement de la climatisation.Cette consigne « compensée » ne semble pas adaptée à notre région.L’absence de zone neutre engendre bien souvent un gaspillage énergétique (« pompage » entre les équipements de chaud et de froid, ou « destruction » d’énergie pure et simple).
Soit une consigne flottante entre 21 et 24°C, sans référence à la température extérieure. Il lui correspond un mode de régulation des vannes du type ci-dessous.
Soit une consigne flottante entre 21 et 25°C, sans référence à la température extérieure. L’élargissement de la zone neutre est financièrement intéressante sans diminution forte du confort (ce sont les 29 % gagnés dans l’exemple ci-dessus).
Soit une consigne flottante entre 21 et 24°C (ou 25°), et une augmentation linéaire de la température au-delà de 24°C afin de ne pas dépasser un écart intérieur-extérieur de plus de 6°C. Cette dernière solution est favorable en matière de consommation et de confort, car elle évite un « choc thermique » trop important des occupants à chaque passage du sas d’entrée (source de refroidissements).

Remarque : le système de climatisation peut modifier le niveau de consigne intérieure : la technique de plafonds rayonnants froids permet de sélectionner une température de consigne de l’air de 25°C, voire 26°C. La consommation en diminue d’autant.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir le condenseur et la tour de refroidissement

Critères de choix généraux

Il faut évacuer la chaleur du réfrigérant vers l’air ambiant.
On distingue deux techniques :

soit refroidir directement le fluide frigorigène par l’air : c’est le rôle du condenseur à air,
soit refroidir le fluide frigorigène par de l’eau : la machine frigorifique sera équipée par un condenseur à eau. Mais cette eau doit alors être elle-même refroidie en toiture, via une tour de refroidissement.

Soit la pulvérisation est celle de l’eau qui circule dans le condenseur, soit c’est de l’eau indépendante de l’eau du circuit de condensation qui est pulvérisée.
Cela conduit aux 5 technologies développées dans la technologie des condenseurs.

Critères de choix globaux

Energétiquement, la solution d’un refroidissement direct du fluide frigorigène par l’air extérieur possède des avantages, puisque tous les intermédiaires (et leurs consommations) sont évités et ainsi que la maintenance coûteuse de la tour de refroidissement. Aujourd’hui, la pression de condensation des condenseurs à air est bien gérée par l’arrivée des détendeurs électroniques. C’est la solution couramment adoptée lorsque l’on peut placer le groupe frigorifique sur la toiture : le condenseur fera partie du système « monobloc ».

En toute logique, on retouvera donc le condenseur à air en toiture. Mais la machine frigorifique est parfois située en cave. Dans ce cas, il est exclu de faire confiance à des « ventilations naturelles », des « soupirails », … la température dans la cave risquerait de monter fortement et le condenseur se retrouverait balayé par de l’air déjà réchauffé. La pression de condensation du fluide monterait et le compresseur verrait sa consommation fortement augmenter. Par forte chaleur, le compresseur ne pourrait suivre et déclencherait par son pressostat haute pression.

L’évacuation de la chaleur demande un réel balayage par un fluide frais et il appartient au bureau d’études de comparer 2 solutions :

Soit une gaine d’air est prévue pour apporter l’air extérieur au condenseur et évacuer l’air réchauffé (les pertes de charge générées créent des consommations au ventilateur).
Soit il est décidé de placer un condenseur à eau et de transférer l’eau chaude en toiture pour la refroidir dans une tour de refroidissement.

Le transfert de la chaleur par cette deuxième solution est plus efficace (bon coefficient d’échange de l’eau, faible consommation d’une pompe par rapport à un ventilateur),… mais il y a investissement et consommation de la tour. Un bilan global doit être réalisé.

Paramètres de dimensionnement

Pour augmenter les performances du compresseur, on a tout intérêt à abaisser la température de condensation. Autrement dit, il faut augmenter la surface d’échange et augmenter le débit de circulation de l’eau ou de l’air. Le « pincement », c’est-à-dire l’écart entre la température du fluide refroidissant à la sortie du condenseur et la température du fluide frigorigène sera minimal. Mais l’investissement et les pertes de charge en seront augmentées, et donc la consommation de la pompe…

En pratique, pour un condenseur à eau, le bureau d’études choisit couramment un pincement final de 4 à 8°C et un échauffement de l’eau de 5 à 10°C. Autrement dit, si l’eau entre avec une température de 36°, elle ressortira entre 41 et 46°C et la température de condensation s’établira entre 45 et 54°C.

De même, pour un condenseur à air, la vitesse sera comprise entre 2 et 4 m/s et, si l’air entre avec une température de 30°C, la température de condensation s’établira entre 40°C et 50°C.

Un constructeur annonce que l’optimum entre la température de condensation et la température d’entrée du fluide refroidissant doit être de 12°C, maximum. Maximum car la régulation permet de moduler cette valeur en fonction de la charge réelle du compresseur.

Comparaison entre les modes de refroidissement

À partir d’une température de l’air de 30°C, quelle sera la température de condensation ? Tout dépend du type de refroidissement de l’eau de condensation choisi !

En partant du fonctionnement d’une tour de refroidissement, voici les résultats comparés pour une température d’air de 30°C 40 % HR
Comparons les systèmes en fixant des valeurs moyennes : une « approche » de 5°C, un pincement des échangeurs de 6°C et un échauffement de la température de l’eau de 7°C.

–	–	–	Entrée condenseur	Sortie condenseur	T°condens. fluide frigorifique
Condenseur à air	normal	T° air sec = 30°	T° air = 30°	T° air = 37°	43°
Condenseur à air	avec évaporation d’eau	T° air sec = 30°	T° air = 25°	T° air = 32°	38°
Condenseur à eau	tour ouverte	T° air humide = 20°	T° eau cond = 25°	T° eau cond = 32°	38°
	tour fermée	T° eau pulvér. = 25°	T° eau cond = 31°	T° eau cond = 38°	44°
	dry-cooler	T° air séche = 30°	T° eau cond = 36°	T° eau cond = 43°	49°

Dans cette approche très simplifiée, on constate que le condenseur à eau est un échangeur intermédiaire entre le fluide frigorigène et l’air extérieur. Il provoque une augmentation de température de condensation du fluide (et donc une augmentation de la consommation du compresseur). Cette pénalité se retrouve entière pour l’aéro-refroidisseur ou dry-cooler. L’augmentation de la consommation du compresseur est de 2 à 3% par degré K, ce qui n’est pas négligeable !

Si une tour de refroidissement est insérée, on va rattrapper cet handicap par la fabuleuse capacité de refroidissement de l’eau lors de son évaporation !
La tour ouverte fait mieux que combler l’handicap puisqu’elle permet même de descendre la température de condensation. Mais elle entraîne beaucoup de soucis de corrosion…

La tour fermée semble un très bon compromis dans les installations avec condenseur à eau, tandis que l’appoint d’une pulvérisation d’eau est à étudier pour les condenseurs à air.

Abaisser la température de l’air extérieur

La consommation énergétique augmente si la température de condensation augmente.

Aussi, l’emplacement du condenseur doit éviter un réchauffement local de l’air de refroidissement. Par exemple, un condenseur placé sur une toiture couverte de roofing noir entraînera une surchauffe locale de l’air de plusieurs degrés en période d’ensoleillement … Le placement de gravier blanc sur la toiture sera favorable.

L’emplacement du condenseur devra éviter un ensoleillement direct de l’échangeur. Si le placement à l’ombre est impossible, le placement d’un système d’ombrage permettra d’abaisser le niveau de température.

Il faut éviter également qu’un recyclage de l’air ne se fasse autour du condenseur : de l’air chaud se mélange à l’air froid, la température de l’air d’aspiration augmente, … de même que la température de condensation.
C’est pourtant parfois une solution réalisée pour la limitation du niveau de bruit, puisque les parois latérales peuvent être couvertes d’absorbant acoustique… Qu’il est difficile de concilier toutes les contraintes…!

Dans le même esprit, il faut éviter que l’air de refroidissement d’un condenseur ne soit recyclé sur lui-même ou dans un condenseur voisin.

Sans commentaires…

Dans la mesure du possible, il faut donc aussi proscrire le placement le condenseur dans un local fermé. Si c’est le cas (pour des condenseurs de chambres frigorifiques, par exemple), il faut assurer une forte ventilation du local et même parfois sa climatisation, si on veut que la température de l’air du local reste suffisamment basse pour pouvoir continuer à refroidir les condenseurs sans faire monter la pression de condensation. On conviendra que cette situation est aberrante sur le plan énergétique !

Protéger l’isolation extérieure

Les tuyauteries d’eau glacée sont toujours isolées, ne fut-ce que pour éviter la condensation de l’eau de l’ambiance. Mais il est utile d’insister sur la nécessité d’entourer l’isolant d’une gaine en plastique rigide. À défaut, les oiseaux sont friands de cette mousse de polyuréthanne pour la confection de leur nid !

Choix d’un condenseur à air

Le gaz chaud du réfrigérant cède sa chaleur à l’air traversant le condenseur et passe à l’état liquide.

L’entretien du condenseur à air est limité. Il n’y a aucun risque de gel en hiver.

Mais le coefficient d’échange avec l’air étant faible, le condenseur sera volumineux, et donc lourd et encombrant.
Les températures de condensation sont directement liées aux conditions de température extérieure : la pression de condensation sera forte en été (dégradation du COP de la machine frigorifique), mais plus faible en hiver, entraînant d’ailleurs un besoin de régulation adaptée pour un fonctionnement correct.

Choix du ventilateur

La circulation forcée de l’air nécessite des ventilateurs dont la consommation électrique n’est pas négligeable. De plus, ils constituent une source de bruits, par frottement sur les pales du ventilateur, mais aussi par frottement sur les ailettes de l’échangeur.

Pour information, des condenseurs à air à convection naturelle existent (pas de ventilateur, pas de bruit, pas de consommation) mais leur puissance très faible en limite l’usage à des climatiseurs ne dépassant pas 1 kW.

Deux types de ventilateurs sont utilisés :

ventilateur hélicoïdal

Le ventilateur hélicoïdal (ou axial), pour des appareils placés à l’air libre, là où le bruit ne constitue pas une nuisance pour le voisinage. Le niveau sonore dépend de la vitesse de rotation du ventilateur. Dans les emplacements exposés, le régime ne doit pas dépasser 500 t/min.

Si des ventilateurs existants sont trop bruyants, on peut les munir d’amortisseurs de bruit cylindriques (tenir compte de la perte de charge).

ventilateur centrifuge

Le ventilateur centrifuge, souvent pour des appareils placés à l’intérieur d’un immeuble, raccordé à l’extérieur par des gaines (le ventilateur centrifuge peut vaincre des pertes de charges plus élevées).

Si le bruit du ventilateur dépasse les valeurs admissibles, on peut le munir d’amortisseurs de bruit.

La vitesse de passage de l’air est comprise généralement entre 2 et 4 m/s. Cette information dans le catalogue constructeur est un indice qualité puisque si elle se rapproche de 2 m/s, on a plus de garantie que l’appareil fera peu de bruit et que la consommation du ventilateur sera limitée (en fait, le constructeur a dû écarter davantage les ailettes pour faciliter le passage de l’air, donc l’appareil demandera plus de matière, sera plus volumineux et… sera plus cher : la qualité se paie !).

Complément de puissance par aspersion d’eau

Schéma complément de puissance par aspersion d'eau.

Pour augmenter la puissance d’échange, on peut transformer le condenseur à air en tour fermée par aspersion de l’échangeur avec de l’eau. Par exemple, de l’air extérieur de 30°C 50 % HR passe à 25°C 100 % HR . On abaisse donc la température de condensation en dessous de la température de l’air ambiant. Ce qui facilite le travail du compresseur !

Schéma technique.

Dans ce cas, il faut cependant tenir compte du risque de corrosion de l’échangeur et, de ce fait, des fuites possibles de l’agent réfrigérant. L’eau évaporée est remplacée par de l’eau du réseau. Un débit complémentaire de déconcentration est nécessaire afin de réduire l’entartrement. Un traitement de l’eau peut donc s’avérer nécessaire.

Récupération de chaleur du condenseur

Une récupération de la chaleur est possible pour chauffer directement un local. Ainsi, un supermarché Delhaize à Bruxelles évacue la chaleur du condenseur du groupe frigorifique (armoires de congélation) en créant un rideau d’air chaud à l’entrée du magasin. En été, la chaleur est déviée en toiture par un clapet.

Choix d’un condenseur à eau

Le réfrigérant de la machine frigorifique cède sa chaleur à l’eau circulant dans le condenseur.
Grâce au coefficient d’échange avec l’eau de 20 à 30 x plus élevé que le coefficient d’échange avec l’air, la taille du condenseur à eau sera plus réduite. L’échangeur sera moins encombrant.

Machine frigorifique avec condenseur à eau, installée en salle des machines et raccordée à une tour de refroidissement à l’extérieur.

Il est moins bruyant que le condenseur à air. Il permet plus facilement la récupération de chaleur puisque la chaleur est contenue dans de l’eau, plus facilement déplaçable.

La température de condensation peut plus facilement être stabilisée que dans les condenseurs à air.

Mais le condenseur à eau nécessite forcément une tour de refroidissement complémentaire qui, elle, est encombrante, génère du bruit, des frais d’entretien parfois importants, une éventuelle consommation d’eau, … Pourrait-on dire que l’on a déplacé le problème ?

La matière utilisée est souvent le cuivre ou l’acier, bons conducteurs thermiques, en fonction des contraintes (le cuivre ne peut être adopté pour l’ammoniac, par exemple).

Pour le refroidissement, on peut utiliser :

L’eau du réseau (eau potable), mais cette solution est à proscrire vu la consommation exorbitante d’eau qu’elle entraîne.
L’eau de nappes phréatiques, de lac ou de rivière (demander l’autorisation). Les eaux contiennent plus ou moins d’impuretés qui se déposent sur les tubes. Ces dépôts peuvent réduire considérablement le coefficient de transfert de chaleur. À défaut de la mise en place d’un système de nettoyage automatique, il faut surdimensionner l’échangeur de sorte que les performances de l’installation restent suffisantes.
Un circuit d’eau, ouvert ou fermé. C’est le cas le plus fréquent. Il entraîne l’utilisation d’une tour de refroidissement.

Choix de la tour de refroidissement

Pour évacuer la chaleur captée par le condenseur à eau, on rencontre trois technologies de tour de refroidissement. Voici quelques critères de choix.

Le refroidissement atmosphérique ouvert : la tour ouverte

L’eau est pulvérisée dans l’air qu’un ventilateur pulse à travers la tour de refroidissement. Une partie de l’eau s’évapore. Simultanément, elle refroidit le reste de l’eau qui retourne vers le condenseur. L’eau évaporée est continuellement remplacée par de l’eau fraîche spécialement traitée. Cette configuration entraîne donc une consommation d’eau, estimée à 1,5 litre par kWh dissipé. Elle se rencontre généralement dans les installations de plus de 1 000 kW.

Cette tour ouverte a la faveur :

du financier : solution bon marché, ne prenant pas beaucoup de place,
de l’énergéticien : la température de condensation est très basse (ce qui diminue le travail du compresseur).

Mais elle constitue le cauchemar de l’équipe de maintenance : corrosion par oxygénation de l’eau, encrassement par introduction de poussières et de grains de sable qui risquent de se déposer dans le condenseur, risque de gel accru,… problèmes qui limitent d’ailleurs la durée de vie moyenne à une dizaine d’années.

Elle peut poser également un risque en matière de contamination par la légionelle : l’eau pulvérisée se situe à une température de 30 à 50°C. Emporté par le vent, le nuage de vapeur d’eau + fines gouttelettes qui s’échappe de la tour risque d’être respiré par des personnes à proximité… On sera particulièrement attentif à ne pas placer une tour ouverte près de la prise d’air neuf du bâtiment, ou près d’un autre bâtiment plus élevé dont les occupants pourraient respirer le panache de vapeur en ouvrant leur fenêtre. Un entretien régulier doit de plus être prévu.

À noter qu’il existe des tours ouvertes sans ventilateurs. La pulvérisation d’eau est réalisée avec une pression assez élevée et cette pulsion d’eau entraîne l’air avec elle par effet induit (effet Venturi). L’avantage premier est la diminution des bruits et des vibrations. La consommation un peu plus élevée de la pompe est très largement compensée par la suppression du ventilateur. Mais ce type de tour est limité dans la gamme de puissance de refroidissement.

Si la tour doit travailler par des températures extérieures assez basses, une régulation de la température de l’eau du circuit « tour » est à prévoir. En effet, si l’eau du condenseur est anormalement froide, la haute pression s’établira difficilement et on aura des difficultés au démarrage.
La solution consiste à agir d’abord sur la diminution de la vitesse du ventilateur et ensuite sur la vanne trois voies diviseuses qui permettent à l’eau de by-passer la tour de refroidissement.

Remarques.

Si l’installation reste en fonctionnement en période de gel, une résistance chauffante sera prévue dans le bac de collecte d’eau, avec une régulation qui autorise le chauffage pour une température de l’eau inférieure à 5°C, par exemple.

Puisque le risque de corrosion est élevé dans les tours ouvertes, il est judicieux d’utiliser des tuyauteries en polyéthylène à haute densité ou en PVC haute densité, pour raccorder la tour au condenseur.

Le refroidissement atmosphérique fermé : la « tour fermée »

L’échangeur de chaleur eau/air est également aspergé d’eau quand la puissance de réfrigération est élevée. Cette eau d’aspersion constitue toutefois un circuit autonome. Pour cette installation il faut compter environ 20 % d’emplacement supplémentaire au sol et 50 % de budget en plus par rapport à la tour ouverte.
Le principal avantage est d’abaisser le point de condensation tout en conservant propre le circuit du condenseur. Les problèmes hydrauliques sont résolus mais les autres problèmes subsistent :

consommation d’eau (évaporation et déconcentration),
régulation,
protection contre le gel.

La réserve (mentionnée pour les tours ouvertes) concernant le risque de contamination par légionellose reste d’application dans ce cas-ci. Ici encore, le choix de ce système sera donc moins adéquat si des personnes sont susceptibles de respirer l’air sortant de la tour de refroidissement (fenêtres à proximité).

Le refroidissement atmosphérique fermé : l’aéro-refroidisseur où « dry-cooler »

Cette fois, pas d’aspersion d’eau, c’est le ventilateur qui pulse simplement l’air extérieur dans une batterie d’échange. Technologiquement, il s’agit d’un condenseur à air, à la seule différence que c’est de l’eau qui le parcourt et non du fluide frigorigène.

Pour éviter le gel, l’eau sera glycolée. Par exemple, pour atteindre une protection contre le gel à – 16°C, la concentration en éthylène-glycol sera de 30 % en masse.
Problème : la température de l’air en été peut dépasser les 30°C. Par rapport aux tours de refroidissement avec aspersion d’eau, la surface d’échange doit être plus importante, l’emplacement au sol également. Le coût d’investissement peut atteindre le double de celui de la tour ouverte.
Mais le dry-cooler est cependant souvent utilisé pour sa fiabilité (absence de corrosion du circuit hydraulique), la possibilité de le faire fonctionner en toutes saisons (avec eau glycolée), l’absence de consommation d’eau.
Ces caractéristiques sont appréciées surtout pour le refroidissement des installations informatiques dont le fonctionnement et la charge thermique sont constants toute l’année, et donc aussi en hiver.

Quelques recommandations particulières

Pour une installation de qualité, on sera attentif aux éléments suivants :

Pour limiter la corrosion, préférer de l’acier revêtu (polymères) à l’acier galvanisé (il n’est pas lisse, ce qui favorise le développement d’algues),
Choisir des ailettes très larges ou des batteries lisses pour un nettoyage facile,
Choisir une pompe à eau en inox,
Privilégier un accouplement et des roulements de haute qualité (> 80 000 heures), sachant qu’une tour peut fonctionner jusqu’à 5 à 6 000 heures/an !
Si le bruit est un facteur important, favoriser les ventilateurs à aubes inclinées vers l’avant, malgré leur moins bonnes performances énergétiques que les ventilateurs à aubes inclinées vers l’arrière (qui doivent fonctionner à 3 000 tours), ou penser au placement d’un silencieux,
Vérifier la résistance de la structure : une tour fermée de 300 kW pèse de 3 à 4 tonnes et une tour de 1 000 kW pèse de 9 à 12 tonnes !
Prévoir l’absorption des vibrations sonores par des silent-blocs,
Prévoir un appareil de mesure de la conductivité de l’eau (pour mieux gérer le débit d’eau de déconcentration),
Pour les très grosses tours, le placement de capteurs de vibration pour la surveillance des paliers sera un outil très efficace de maintenance et d’économie à long terme.

Choix de la régulation

Principe de base : abaisser la température de condensation

Abaisser la température de condensation, c’est abaisser le niveau de pression à la sortie du compresseur, c’est donc diminuer le travail de celui-ci et l’énergie qu’il consomme.

Par exemple, abaisser la température de condensation de 10°C génère généralement plus de 10 % de réduction de la puissance électrique. Les constructeurs annoncent même 2 % d’économie par degré abaissé, dans certains cas.
De plus, une basse température de condensation entraîne un niveau moins élevé de pression, ce qui permet souvent de choisir un compresseur d’un modèle plus petit, donc moins cher.

Nous devrions avoir d’ excellents rendements dans nos régions où les canicules sont rares ! La température extérieure avoisine les 12 à 20°C lorsque la climatisation est en route. La température de condensation devrait être de l’ordre 24 à 32°C. Mieux, certains locaux à charges internes importantes (par exemple, les salles informatiques) doivent être aussi climatisés en mi-saison ou encore en hiver. Dans ce cas, lorsque la température de l’air extérieur diminue, la capacité de refroidissement du condenseur augmente.
En théorie, c’est tout bénéfice pour le compresseur qui a moins de mal à travailler !
Et pourtant …

Problème avec les détendeurs thermostatiques

Le constructeur souhaite qu’une différence de pression minimale existe au niveau du détendeur, pour assurer une quantité de débit de fluide frigorifique suffisante dans l’évaporateur. C’est la Haute Pression qui pousse le réfrigérant à travers l’orifice de la vanne du détendeur. Il en résulte, avec une haute pression trop faible, que l’alimentation en réfrigérant est insuffisante, particulièrement au démarrage. Le compresseur aspire mais il est sous-alimenté.

La basse pression devient aussi insuffisante et le groupe se met en sécurité basse pression. Mais comme cette sécurité est à réenclenchement automatique, le groupe « pompe », se fatigue et finalement déclenche par son thermique.

Avec un détendeur thermostatique, il est donc nécessaire de maintenir une haute pression suffisamment élevée. Dès lors, le constructeur impose une pression minimale, côté HP, à la sortie du condenseur (par exemple 12 bars pour le R22).
Ce problème est renforcé en hiver… Si l’air est à 0°C, la surface d’échange devient excessive. De plus, on n’aura plus besoin de la pleine puissance frigorifique. De sorte que le condenseur sera largement surdimensionné pendant les périodes froides.
S’il fait plus froid dehors, le constructeur va diminuer le débit d’air de refroidissement (en arrêtant l’un ou l’autre ventilateur, par exemple), mais il va maintenir le niveau de pression ! en fait, la régulation des ventilateurs sera réalisée sur base du pressostat HP.

Il y a économie sur le ventilateur… mais pas sur le compresseur !

Première amélioration : travailler avec un ventilateur à vitesse variable ou une cascade de ventilateurs

Supposons que le ventilateur du condenseur fonctionne en tout ou rien, avec l’exigence constructeur de maintenir les 12 bars minimum.
Par exemple, il s’enclenche lorsque la pression monte à 16 bars et déclenche lorsque la pression descend à 12 bars. Ceci entraîne des cycles on-off « rapides » (+/- 2 min.) et une « fatigue » du moteur. En plus la mise en route brutale du ventilateur provoquera une chute soudaine de la pression et de la température de condensation. Ceci provoque à son tour une ré-évaporation du liquide resté à la même température. Les bulles de vapeur provoqués par ce phénomène peuvent perturber le bon fonctionnement du détendeur et donc de l’installation. (« flash gaz »).

Si par contre, on utilise un ventilateur à vitesse variable (moteur spécial ou régulateur de vitesse de rotation externe), en plus de la réduction de consommation du ventilateur, on optimisera le fonctionnement du compresseur qui restera régulé à 12 bars (dès que la pression augmente, le ventilateur accélère; et si la charge augmente encore, c’est la pression qui augmente naturellement).

Si le condenseur dispose de plusieurs ventilateurs, on obtient un résultat similaire à partir d’une mise en cascade des ventilateurs, via un pressostat à plusieurs étages. Cette fois, la pression de condensation est stable, ce qui évite la formation de bulles de gaz à l’entrée de l’évaporateur.

Cas particulier

Comme le condenseur est entièrement à l’extérieur, par très basse température, c’est toute la masse métallique qui est à 0°C et, même clapets complètement fermés, le réfrigérant se condense à trop faible pression. Il faut dans ce cas rendre inopérants un certain nombre de tubes.

Pour les rendre inopérants, il suffit de remplir d’office certains tubes avec du réfrigérant liquide. Ce réfrigérant liquide sera sous-refroidi mais la surface d’échange utile du condenseur ayant fortement diminué, il ne pourra en condenser trop. Ce remplissage est obtenu par une vanne à 3 voies fonctionnant automatiquement et branchée sur un réservoir auxiliaire de réfrigérant.

Comme il faut une certaine quantité de liquide pour remplir ces tubes, il y a lieu de prévoir un réservoir et une quantité de réfrigérant suffisamment grande.

Exemple.

Un climatiseur devant fonctionner pour des températures extérieures inférieures à 17°C doit être équipé d’un ventilateur de condenseur à vitesse variable. La diminution de vitesse du ventilateur est alors commandée par un pressostat ou un thermostat placé sur le condenseur. La puissance d’échange de celui-ci est ainsi maintenue constante quelle que soit la saison.

Au minimum, le fonctionnement du ventilateur sera commandé en tout ou rien. Idéalement la vitesse sera modulée, soit en continu, soit par paliers.

Deuxième amélioration : travailler avec un détendeur électronique

Détendeur électronique.

Il est plus cher à l’investissement, mais ce prix est largement récupéré par l’usage de l’installation.
De plus, la présence d’un détendeur numérique permet d’optimiser la température de condensation en fonction de la charge du compresseur.

Exemple.

Voici la séquence prévue par un constructeur de régulation :

A 100 % de puissance, l’écart « température de condensation – fluide de refroidissement » est choisi à 12 K.

A 0 % de puissance, l’écart est de 4 K : la consommation du compresseur est diminuée par la baisse de pression de condensation et le ventilateur adaptera sa vitesse de rotation pour maintenir cette consigne. L’écart n’est pas de 0 K, car les ventilateurs tourneraient tout le temps.

** à corriger

Exemple.

si la T°ext = 30°C et Travail compresseur = 25 %, la T°condensation = 36°C
si la T°ext = 30°C et Travail compresseur = 50 %, la T°condensation = 38°C
si la T°ext = 20°C et Travail compresseur = 25 %, la T°condensation = 26°C

si la T°ext = 10°C et Travail compresseur = 25 %, la T°condensation = … 20°C car c’est la valeur minimale de condensation.

Remarque.
Adopter une température minimale de condensation de 20°C suppose que le sous-refroidissement soit suffisamment élevé.
À défaut, la moindre perte de charge sur le tracé va provoquer une vaporisation dans le condenseur (« flash-gaz »). C’est parfois un problème rencontré lorsqu’il faut remonter plusieurs mètres avec la tuyauterie.

Pour s’en prémunir, il est possible de sous-refroidir volontairement le liquide par la création d’une zone de sous-refroidissement dans le condenseur (voir figure), ou en plaçant un échangeur à plaques sur le liquide (à la sortie).

Régulation de la tour de refroidissement

La tour de refroidissement sera commandée suivant la même logique : maintenir constante la température de l’eau de refroidissement.
Classiquement, on retouvera une régulation par vanne 3 voies mélangeuses. La température de l’eau de sortie de la tour est mélangée à l’eau venant du condenseur. Si ce système permet de conserver le débit constant dans le condenseur (ce qui limite le dépôt de sédiments), il est peu efficace au niveau des ventilateurs : ceux-ci tournent en permanence quels que soient les besoins de refroidissement. En dehors du gaspillage d’énergie, le coût de fonctionnement des ventilateurs est loin d’être négligeable…

Aussi est-il préférable de concevoir une installation qui régule d’abord sur le nombre et la vitesse des ventilateurs, pour ensuite affiner en modulant sur la position de la vanne mélangeuse (si ventilateur à 2 vitesses, par exemple). Idéalement, c’est un ventilateur à vitesse variable qui sera choisi.
N’oublions pas que toute l’installation de climatisation est dimensionnée pour les jours de canicule. Hélas, ces jours sont rares dans nos contrées…!

Il est donc facile d’imaginer que les besoins réels moyens seront largement en dessous des puissances de dimensionnement. Réduire la vitesse du ventilateur de moitié, c’est diviser sa consommation par 8 !

Critères acoustiques

Bruit aérien

La principale source de bruit d’un condenseur est constituée par le(s) ventilateur(s). On aura toujours intérêt à les faire fonctionner à faible vitesse.

L’émission du bruit des aérocondenseurs à ventilateurs hélicoïdes est pratiquement uniforme dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation des ventilateurs. Les faces d’aspiration et de refoulement d’air étant plus bruyantes que les autres, l’aérocondenseur doit être convenablement orienté par rapport aux plaignants potentiels.

Certains constructeurs proposent des moteurs de ventilateur à deux vitesses, option qui peut être déterminante dans certains cas. Ainsi, la petite vitesse pourra être utilisée la nuit, les bruits de fond et les besoins frigorifiques diminuant la nuit. Certains constructeurs annoncent qu’une réduction de moitié de la vitesse de rotation des ventilateurs entraîne un gain de 15 dB(A) sur le niveau de puissance acoustique de l’aérocondenseur.

Il est aussi possible d’utiliser des silencieux à baffles sur l’aspiration et le refoulement d’air mais ceux-ci risquent d’augmenter considérablement l’encombrement et les pertes de charge des aérocondenseurs. Certains matériaux absorbants peuvent servir de revêtement insonorisant de la carcasse, mais ceux-ci ne peuvent constituer une solution à eux seuls. Il est possible enfin, dans les cas les plus délicats, de disposer des écrans acoustiques autour de l’appareil.

Exemple de baffles acoustiques
intégrés sur une tour ouverte (vue du dessus).
Les poignées permettent de les retirer facilement lors de l’entretien.

Bruit solidien (ou bruit d’impact)

Les vibrations se transmettent vers les locaux sensibles par les tuyauteries en cuivre, et par la dalle sur laquelle est posé l’appareil. Il faut traiter les vibrations par dalle flottante posée sur isolateurs à ressort, utiliser des manchons anti-vibratoires pour le raccordement sur des canalisations, et des suspensions anti-vibratiles pour les supports des canalisations.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Stérilisateur (autoclave)

Au premier abord, on se dit que le stérilisateur n’est pas bien plus compliqué qu’une « cocotte minute ». Il n’en est rien ! La technologie de cet équipement est très complexe car il est soumis à des contraintes thermiques et mécaniques importantes (vides poussés suivis de mise en pression). De plus, la qualité de la vapeur et du vide doit être maintenue dans une fourchette très étroite; ce qui signifie que l’autoclave doit être doté d’une régulation précise.

La double enveloppe

La double enveloppe a pour but de :

Constituer une réserve tampon de vapeur au condition de stérilisation,
réchauffer la chambre de stérilisation par conduction de la chaleur au travers de la paroi de séparation.

Elle est de forme extérieure cylindrique ou parallélépipédique et construite, en règle générale, en acier inoxydable type 316 Ti. Dans la plupart des cas, la paroi extérieure est isolée avec de la laine minérale afin de réduire les risques de brûlures et les déperditions thermiques vers l’ambiance de la zone technique.

La chambre de stérilisation

Comme son nom l’indique, la chambre de stérilisation est destinée à recevoir les charges à stériliser. Pendant un cycle, alternativement :

Elle reçoit la vapeur de la double enveloppe ou en direct du générateur et, par conséquent elle monte en température et en pression.
On y fait le vide.

Il en résulte des contraintes thermiques et mécaniques importantes qui imposent à la structure de la chambre d’être robuste.

Pour une question de compacité et de facilité de chargement, la chambre de stérilisation est souvent de forme parallélépipédique et construite en acier inoxydable type 316 Ti. De plus, pour une question d’hygiène, le degré de polissage de l’intérieur de la chambre est imposant; on parle de « poli miroir ».

Les « set » de stérilisation sont normalisés selon différents modules standards. On parle de :

STE (600x300x300)
ISO (600x400x200)
SPRI (585x395x195)

Sur base de ces modules, on peut qualifier la capacité utile de la chambre de, par exemple, 8 STE, 9 ISO, 9 SPRI pour un volume interne de chambre de l’ordre de 580 litres.

Le fond de cuve est aménagé pour recevoir les condensats qui ultérieurement seront évacués par la pompe à vide.

Les portes

Dans la plupart des services de Stérilisations Centrales, les autoclaves sont dotés de deux portes automatiques à ouverture horizontale ou verticale (une côté zone « propre », l’autre côté zone stérile). Ces portes, construites en acier inoxydable type 316 Ti, doivent être :

étanches,
thermiquement isolées pour limiter les brûlures par contact des parois et les déperditions,
robustes pour résister à la pression exercée par la vapeur et au vide produit par la pompe à vide.

Mise à part la porte en temps que telle, le joint de porte est la pièce maîtresse du bloc de porte; c’est lui qui conditionne l’étanchéité et, par conséquent, la réussite de l’épreuve de stérilisation.

Pour isoler thermiquement les portes de la zone d’ambiance, on utilise souvent de la laine minérale.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Appareils de montée en température (régénération)

Ci-dessous sont décrits les différents types de chariots de régénération
Les armoires de remise en température fonctionnent selon les mêmes principes. Les premières traitent, en général, des plats collectifs, tandis que les secondes traitent des portions.

Four de remise en température à thermoconvection.

Fonction

Ils sont utilisés pour la restauration en liaison froide.

Ils doivent remettre en température les barquettes d’une charge type de + 3 °C à + 65 °C (dans le cas de plats cuisinés réfrigérés) et de -18 °C à + 65 °C (dans le cas des surgelés) en un temps égal ou inférieur à 1 heure avec une tolérance de 15 minutes pour les plats congelés ou surgelés.
Ils comportent une fonction de maintien en température à 65°C de 30 à 90 minutes.
En général, la remontée en température est réalisée en 30 minutes.

Caractéristiques générales

A côté de la fonction « régénération », les chariots disposent, en général, d’une fonction « maintien en température ».

Les chariots de régénération peuvent être couplés à des chariots isothermes ou équipés d’un système de production de froid.

Le froid peut être mécanique, cryogénique (CO₂) ou eutectique (utilisation du froid dégagé par un matériau solide lorsqu’il se liquéfie. Exemple : glace.)

Il existe aussi des chariots qui combinent les deux fonctions. Ils possèdent à la fois un compartiment chaud et un compartiment simplement isotherme ou avec production de froid. Une paroi isolée sépare les deux. Ces chariots sont plus compacts que deux chariots couplés mais ils ont pour inconvénient d’être encombrants pour distribuer un simple petit déjeuner, par exemple.

Le froid peut être également produit dans le compartiment « chaud » de manière à conserver les aliments à bonne température avant la régénération.

Il existe le système « embarqué » et le système « splité ». Dans le premier, la partie qui comporte tous les organes électriques et techniques pour la remise en température et le maintien au froid éventuel fait partie du chariot. Le tout doit être branché sur le réseau électrique. Dans le second, la borne reste fixée aux étages où les plats sont distribués. Le chariot est connecté à cette borne.

Le chariot de régénération à thermoconvection ou à air chaud

Un ventilateur est placé au-dessus d’une résistance chauffante. L’air chaud est envoyé dans le compartiment chaud du chariot. La régénération se fait en 30 à 35 minutes.

Dans la nouvelle génération de chariots qui combinent la production de chaud et de froid, il n’y a plus qu’un seul plateau avec d’un côté le plat froid, de l’autre le plat chaud qui se retrouvent dans le compartiment correspondant lorsqu’ils sont glissés dans le chariot.

Avantage

La montée en température est très rapide.

Inconvénient

Il y a un seul thermostat pour tout le chariot. Tous les aliments (petites ou grandes portions) sont chauffés de la même manière. Le chariot chauffe dans tout le compartiment chaud quelle que soit sa charge.

Après régénération, lorsque le chariot n’est plus branché sur le secteur, le manque d’inertie ne permet pas de garder les aliments à bonne température très longtemps.
La ventilation risque de sécher les aliments.

Le chariot de régénération à thermocontact

Les aliments sont chauffés par des plaques électriques.

La séparation entre aliments chauds et froid peut aussi se faire par une « cloche » ou couvercle isolé(e) au-dessus de la partie du plateau qui vient au-dessus de la plaque électrique.

Avantages

En général, chaque plaque dispose de son thermostat ce qui permet de chauffer différemment un plateau selon son contenu.

Le chariot dispose d’un obturateur qui se met en place en cas d’absence de plateau.

Après régénération, lorsque le chariot n’est plus branché sur le secteur, l’inertie permet de garder les aliments à bonne température relativement longtemps.

Inconvenients

La montée en température est plus lente vu qu’il faut chauffer les plaques.

La vaisselle en porcelaine doit avoir un fond parfaitement plane pour que le contact se fasse convenablement.

Le chariot de régénération à induction

Le chariot utilise le principe de l’induction.

Des inducteurs (bobines) se trouvent sur les plaques séparant les plateaux. Des courants induits sont produits en présence de vaisselle pourvue sous leur fond d’un revêtement spécifique. La chaleur gagne ensuite les aliments. Cette technique permet de définir avec exactitude les zones à réchauffer et celles qui doivent rester froides.

Les plats chauds sont recouverts d’un couvercle isolant de manière à ce que les plats froids restent froids pendant la régénération Ce couvercle est pourvu du côté intérieur d’un revêtement spécifique le rendant inducteur (exemple : chrome-nickel) de manière à ce que les aliments soient chauffés par le haut et par le bas.

Le système et le couvercle rendent la cloison entre la partie chaude et la partie froide inutile. S’il y a un système de réfrigération, c’est l’ensemble du chariot qui est réfrigéré. Les aliments qui doivent être régénérés pourront dans ce cas, être placés avant la mise en route de la régénération tout en conservant la bonne température.

Théoriquement, plusieurs puissances, durées de régénération et durées de maintien en température peuvent être programmées pour les différents niveaux du chariot et ce de manière différente pour les différents repas de la journée et les différents jours de la semaine.

Avantages

Efficacité énergétique : l’énergie sert à chauffer uniquement ce qu’il faut : tout reste froid à part les assiettes et les aliments à chauffer.

Facilité de manutention : les mets froids et chauds peuvent être disposés sur un même plateau, les plats chauds sont réchauffés, tandis que les plats froids restent froids.

Possibilité de régénérer plusieurs mets de quantité ou de type différents : possibilité de plusieurs puissances et durées de chauffe.

Inconvénients

Il faut de la vaisselle spécifique. Les coûts d’investissement sont de 20 % plus élevés.

Gamme

Le chariots permettent, en général, de régénérer de 10 à 30 plateaux.

Les armoires ou fours de régénération ont une capacité plus importante que les chariots.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Propriétés des aliments

Chaleur spécifique des aliments

Produits	Chaleur spécifique (moyennes) au-dessus de 0°C (Wh/kgK)	Chaleur spécifique (moyennes) en-dessous de 0°C (Wh/kgK)	Chaleur latente de congélation (moyennes) (Wh/kg)
Viandes	0,87	0,47	64
Poissons	0,93	0,50	67
Fruits et légumes	1,04	0,53	80
Laitages	1,05	0,53	80
Fromage/beurre	0,76	0,41	47
Boissons	1,10	0,56	87
Pain/pâtisserie	0,52	0,52	37

Grammage par repas

Restaurant d’entreprise

Produits	Grammage par repas (g)
Fruits et légumes	400
Crémerie	50
Boucherie	250
Poisson	250
Divers	50

Source : Traité d’Ingénierie hôtelière.

Quantité de déchets par repas

Pour un repas complet, il faut compter environ 300 g de déchets. Ce chiffre monte à 400 g pour une maison de repos, et à 500 g dans un hôpital.

Déchets par repas	Repas complet traditionnel	En maison de repos	En hôpital
Poids (g)	300	400	500

D’autre part, les 300 g de déchets estimés pour un repas normal se divisent en 17 grammes de graisse et 283 g d’autres déchets.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Évaluer l’état de la membrane d’étanchéité

Quelle est la durée de vie normale des membranes d’étanchéité ?

La durée de vie d’une membrane dépend de nombreux facteurs, et notamment :

de sa nature,
de son épaisseur,
de ses armatures,
de la rigidité de son support,
de la façon dont elle est protégée des agents extérieurs,
de la conception et de la réalisation correcte du complexe isolant-étanchéité,
de la façon dont elle est entretenue,
et du site où elle se trouve.

Toutes les étanchéités sont garanties 10 ans.
Dans de bonnes conditions, la durée de vie des membranes actuelles dépassera largement les dix ans.
Des tests réalisés sur des étanchéités anciennes montrent que la longévité de certaines membranes est de toute évidence supérieure à 20 ans.
C’est donc une analyse visuelle qui sera déterminante dans l’évaluation de la vétusté de la membrane.
En cas de doute, des prélèvements suivis de tests peuvent être effectués par des bureaux d’expertise spécialisés.

Quels sont les indices de vétusté ou d’altération d’une membrane d’étanchéité ?

L’eau stagnante

L’eau de pluie stagne sur la toiture.

Les stagnations d’eau sur une toiture présentent différents inconvénients

Des fuites éventuelles peuvent entraîner de graves infiltrations d’eau.

Le gel engendre une sollicitation mécanique.

Les fuites sont plus difficiles à réparer aux endroits humides.

Dans le cas de structures porteuses légères, le poids supplémentaire entraîne des déformations importantes et des contraintes anormales sur la structure.

Les saletés se concentrent, provoquent des nuisances et attaquent la couche de protection.

Les blessures

Ce genre d’altération est généralement provoqué par une agression mécanique extérieure :

La circulation intempestive

La pose de matériaux, d’échafaudage ou d’outils, durant des travaux

La trace d’un pied d’étançon posé sans précaution sur la toiture.

La pose de charges ponctuelles permanentes

Une antenne.

L’isolant est-il capable de supporter la charge permanente ?
Ne faut-il pas agrandir la surface de contact entre le socle et la toiture ?

La grêle

Les effets de la grêle.

Les membranes minces sont plus sujettes aux dégâts causés par des agressions mécaniques (membranes monocouches synthétiques ou bitumineuses).
L’isolant peut également se déformer sous l’effet des charges et provoquer des contraintes de traction dans la membrane d’étanchéité.
Ces agressions sont d’autant plus redoutables que la membrane est rendue fragile par vétusté.
Dans le cas d’une toiture chaude, la perforation de la membrane entraîne immédiatement la pénétration de l’eau dans la couche isolante. Si cette couche est inondable, l’eau va imprégner totalement l’isolant, entraînant une surcharge importante et l’inefficacité de l’isolation. Une fois imprégné, l’isolant ne peut plus sécher et doit être enlevé.
Les dégâts provoqués par la perforation de l’étanchéité d’une toiture chaude sont moindres lorsque l’isolant a été compartimenté ou lorsque l’isolant utilisé est le verre cellulaire (toiture compacte).

Concevoir

Pour savoir comment compartimenter l’isolant.

Les déchirures

Les déchirures sont généralement dues à des tractions excessives dans le plan de la membrane. Ces tensions peuvent provenir d’un retrait du matériau, d’une instabilité thermique du support, une mauvaise réalisation des joints de mouvement.

Déchirures de la membrane.

La végétation

Trois types de développement végétaux peuvent se retrouver sur une toiture plate : les plantes, les algues et les mousses.
Les plantes sont de loin les plus agressives. Les graines amenées par le vent sur l’isolant avant la pose de l’étanchéité, peuvent y trouver, dans certains cas, suffisamment d’humidité pour se développer et perforer la membrane à la recherche de la lumière.

Les graines ont germé et les plantes ont percé la membrane d’étanchéité.

D’autre part, certaines plantes développées au-dessus de la membrane, dans le lestage (gravier, sable, dalles,…) ou dans les dépôts sur une toiture mal entretenue, peuvent en cas de sécheresse au-dessus de la membrane, perforer celle-ci pour aller pomper de l’eau de condensation présente dans l’isolant.

Ces plantes doivent être enlevées et la membrane doit être vérifiée.

Dans le cas des toitures jardins, les membranes sont protégées des racines et les plantes sont choisies en fonction de la faible agressivité de leurs racines vis-à-vis des membranes.

Les toitures-jardins doivent être correctement réalisées.

Les mousses se développent généralement au-dessus de la membrane dans la poussière déposée sur la membrane ou le lestage. Pour se développer, elles n’ont besoin que d’humidité et ne possèdent pas de racines.
Elles ne pénètrent donc pas dans la membrane et ne sont pas agressives sauf en ce qui concerne le maintien de la membrane dans un milieu humide acide.

Des mousses.

Les algues se développent uniquement dans l’eau. On les retrouve donc dans les zones de stagnation.
Ce sont des algues microscopiques qui peuvent s’incruster dans les micro fissures de la membrane et décrocher par effet mécanique lors du séchage, la couche de protection légère de celle-ci (peinture, paillettes d’ardoise, …).
Ces algues survivent par temps sec et forment des croûtes sèches cassantes.

Des algues.

L’usure de la protection UV

Suite à l’action mécanique ou chimique des agents extérieurs (pluie, vent, pollution, chaleur, froid, algues, …) les couches de protection légères de l’étanchéité s’usent et finissent par ne plus remplir leur fonction. L’absence de protection peut avoir provoqué un vieillissement accéléré de la membrane. Son état doit être vérifié et la couche de protection doit être régénérée.

Paillettes d’ardoise, feuille d’aluminium, peinture.

Défauts des fixations mécaniques

Il n’est pas possible de connaître l’état des fixations mécaniques sans effectuer un sondage. Néanmoins, certains indices extérieurs peuvent indiquer des désordres: déchirure autour de la fixation, soulèvement du complexe étanchéité + isolant, poinçonnement de l’étanchéité par la fixation, …

Localement, les fixations sollicitent plus fort la membrane.

Les boursouflures
Les boursouflures sont dues à l’occlusion de poches d’air humide ou de vapeur d’eau entre les différentes couches qui composent l’étanchéité.
La poche peut se trouver entre les différentes couches de l’étanchéité multicouche, ou entre l’isolant peu perméable à la vapeur d’eau et l’étanchéité.
Les boursouflures en elles-mêmes ne sont pas source d’infiltration, mais rendent l’étanchéité fragile aux contraintes mécaniques (circulation pour l’entretien, …)

Des boursouflures.

Les plis
Les plis peuvent être dus à une mauvaise fixation de la membrane d’étanchéité ou à un coefficient de dilatation trop élevé du matériau constituant la membrane.

Des plis.

Les fissures, craquelures, émiettements
Le vieillissement de la membrane sous l’effet des rayonnements UV, des variations de températures, des chocs thermiques, l’évaporation de certains constituant se traduit par une fragilisation de celle-ci entraînant des désordres profonds visibles en surface.

Vieillissement de la membrane.

Comment réagir ?

Améliorer

Pour savoir comment réparer la membrane d’étanchéité.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Critères de confort liés aux bouches de pulsion

Deux grandeurs vont conditionner le confort thermique fourni par une bouche de pulsion :

la vitesse « v » du jet d’air dans la zone d’occupation et le long des murs,
la différence de température entre l’air ambiant et le jet d’air à l’entrée de la zone d’occupation (+ en chauffage, – en refroidissement).

Les valeurs citées ci-après sont issues, soit de la pratique, soit de la norme DIN 1946 (vitesse dans la zone d’occupation).

Dans la zone d’occupation, la différence de température entre l’air pulsé et l’air ambiant ne peut dépasser :
1,5°C avec de l’air pulsé chaud
1°C avec de l’air froid

En résumé
Grandeurs à respecter	Où ?	Combien ?
Débit	zone d’occupation	selon les besoins
Puissance acoustique	au niveau la bouche	max : 45 dB(A)
Vitesse de l’air	zone d’occupation (à 1,8 m de haut)	max : 0,2 m/s
Vitesse de l’air	le long des murs (à 1,8 m de haut)	max : 0,4 m/s
Ecart de température dans l’air ambiant	zone d’occupation	max : + 1,5°C (chauffage)
Ecart de température dans l’air ambiant	zone d’occupation	max : – 1°C (en refroidissement)

Un problème d’inconfort thermique ou lumineux ? N’hésitez pas à tester notre nouvel outil de diagnostic afin de trouver la solution à votre problématique.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Luminaires intérieurs pour lampes à décharge de puissance élevée

Types de réflecteur

Réflecteur en aluminium
	Ce réflecteur est le plus courant, le plus polyvalent (grâce à la gamme d’accessoires qui peut y être adapté) et le moins cher. Le réflecteur en aluminium peut être émaillé blanc sur sa partie interne. Son rendement est alors légèrement moins élevé qu’un réflecteur en aluminium anodisé, par exemple.
Réflecteur interne en verre
	Le réflecteur peut également être en verre ou en acrylique sans enveloppe en aluminium. La lumière sort dans toutes les directions et la répartition photométrique de ce réflecteur est équivalente à celle d’un éclairage « direct/indirect ». De plus, il est très apprécié pour son esthétique.

Accessoires

Glace de protection.

Vasque en polycarbonate.

Grille de protection.

Grille de défilement.

Glace de protection.

Vasque en polycarbonate.

Grille de protection.

Grille de défilement.

Pour obtenir un luminaire fermé, on utilise un verre de protection ou une vasque en polycarbonate.

La grille de protection protège des chocs.

La grille de défilement protège contre l’éblouissement direct.

Particularités

Effet de cheminée.

Les ouïes de ventilation créent un courant d’air, provoquant un effet auto-nettoyant à l’intérieur du réflecteur. Le cycle de maintenance peut être prolongé et les pertes de flux entre deux nettoyages sont réduites.
De plus, le courant d’air refroidit la lampe et augmente sa durée de vie.
Ces ouïes ne doivent pas exister dans un luminaire de classe IP54 qui est toujours fermé par un verre.

Certains luminaires sont équipés d’une lampe de secours en plus de la lampe à décharge, par exemple une lampe halogène de 100 W. Le luminaire sera alors équipé d’un dispositif de commutation. La lampe halogène fonctionnera pendant la phase d’allumage de la lampe à décharge, en cas de défaillance de celle-ci ou de coupure de courant.

Des luminaires de protection électrique de classe II peuvent être placés là où il n’y a pas de conducteur de protection (« fil de terre ») et là où il n’est pas envisageable d’en tirer un.

Mode de pose

Le montage se fait soit directement au plafond (ou sur une structure fixe), soit suspendu par chaîne ou tige filetée rigide.

Suspension par chaîne.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Gestion en fonction de l’apport en éclairage naturel

Très souvent dans les zones proches des fenêtres, l’éclairage artificiel n’est nécessaire que le matin, le soir ou la nuit. En journée, l’éclairage naturel est suffisant pour assurer le confort visuel.

On tient compte de l’éclairage naturel en agissant :

soit en tout ou rien (on/off), soit par une gradation continue du flux lumineux,
soit en fonction de l’éclairement extérieur, soit en fonction de l’éclairement intérieur,
soit individuellement sur chaque luminaire, soit sur un groupe de luminaires.

Pour ces 3 modes de gestion, il existe des systèmes intégrant la gestion en fonction d’une présence et la gestion en fonction de l’apport en éclairage naturel. De plus ces systèmes permettent souvent une dérogation par bouton-poussoir ou télécommande.

Plusieurs types de réglage sont possibles :

Réglage en fonction de l’éclairement extérieur

Dans les grands bâtiments dont les locaux sont caractérisés par un éclairage naturel très important (dans lesquels l’éclairage artificiel n’est utilisé qu’en début et en fin de journée), un système de déclenchement ON/OFF automatique en fonction de l’éclairement extérieur peut être suffisant.

Une commande on/off doit être accompagnée d’une temporisation pour éviter qu’une variation brusque de luminosité extérieure (passage d’un nuage) ne modifie l’éclairage artificiel. En effet, les variations brusques de l’éclairement artificiel sont souvent mal acceptées par les occupants, alors que ce n’est pas le cas pour les variations tellement courantes de l’éclairement naturel. Bien que peu couteux, ce système n’est pas facile à régler, car il dépend de la configuration de la pièce à gérer (type et taille de la fenêtre) et doit prendre en compte l’éloignement des luminaires par rapport à la façade. Il n’intègre pas non plus la présence éventuelle de protections solaires, d’ombres portées sur la façade,…

Pour affiner le réglage, il est possible de prévoir une régulation pas à pas, soit en éteignant progressivement les rangées de luminaires à partir des fenêtres, soit en jouant avec le nombre de lampes allumées dans les luminaires multilampes.

Aujourd’hui, la gestion électronique centralisée permet de pallier à ces problèmes et de généraliser la gestion du flux sur base de l’éclairement extérieur.

Le principe est le suivant : un héliomètre, muni d’une série de cellules photoélectriques (et donc multidirectionnel), mesure les composantes directes et diffuses de la lumière ainsi que la position du soleil. L’organe de régulation détermine les conditions d’éclairement de chaque local du bâtiment. Cela lui permet alors, par un adressage individuel de chaque luminaire, de « personnaliser » le contrôle du flux lumineux luminaire par luminaire. À noter que ce système peut se coupler très aisément avec une gestion en fonction de l’occupation (détection de présence ou bouton poussoir).

Réglage en fonction de l’éclairement intérieur

Dans les locaux à plus faible niveau d’éclairage naturel, l’éclairage artificiel doit toujours assurer un appoint. Un dosage fin de cet appoint par réglage continu du flux lumineux (appelé « dimming« ) peut seul apporter une économie d’énergie. Dans ce cas, c’est le niveau d’éclairement intérieur qui sert de grandeur représentative pour le réglage.

Avantages

L’éclairage artificiel est constamment réajusté en fonction des apports naturels et cet ajustement n’est pas perçu par l’œil humain.
La majorité des paramètres influençant l’éclairement d’un plan de travail sont pris en compte grâce à la mesure dans le local.
La surconsommation inévitable de l’installation du fait de son surdimensionnement (intégration dans les calculs d’un facteur de vieillissement et de salissement de l’installation) est réduite.

Inconvénients

Le choix de la position du capteur et le réglage indépendant des différentes rangées de luminaires peut être délicat.
L’investissement est plus élevé car on a besoin d’un système par local.

Le dimming de tubes fluorescents nécessite l’usage de ballasts électroniques dimmables.

Le seuil minimal en dessous duquel on ne peut descendre dépend du type de ballast utilisé. Certains ballasts électroniques permettent de réduire le flux lumineux de manière continue jusqu’à 0 % du flux lumineux total de la lampe. Cependant, la puissance de l’ensemble formé par la lampe et le ballast restera toujours supérieure à 5 % de la puissance totale car la consommation du ballast est indépendante de la puissance de la lampe. Pour éviter cette consommation résiduelle lorsque la lampe est dimmée au maximum, il est important que le système éteigne automatiquement l’alimentation des ballasts.

Pour être totalement efficace, un simple dimming doit être complété par certaines fonctions complémentaires. Lorsque l’occupant quitte son bureau alors qu’il fait encore clair, il peut facilement oublier d’éteindre les lampes (à ce moment-là dimmées au maximum). Celles-ci se rallumeront durant la nuit.

Pour éviter cette situation, il faut que :

L’allumage soit lié à un détecteur de présence ou à une horloge,
ou seule l’extinction soit commandée par le régulateur, l’allumage restant manuel (commande on/off).

Cas concret dans la situation « stores ouverts » ou « stores fermés » :

Stores ouverts, la lumière naturelle est suffisante, en cas de détection de présence, le luminaire reste éteint. Éventuellement un interrupteur manuel pourrait-être intégré de manière à pouvoir déroger et tout de même allumer le luminaire pour certaines tâches.

Stores fermés, la lumière naturelle est insuffisante, en cas de détection de présence, le luminaire s’active.

Mesure de la luminance de la fenêtre

Un capteur mesure en permanence la luminance de la fenêtre (proportionnelle à l’apport de lumière naturelle). Au sein d’un régulateur, une correspondance est établie entre le niveau mesuré et le réglage du ballast pour maintenir le niveau d’éclairement requis.

Dans les locaux plus profonds, les besoins en éclairage artificiel peuvent être différents en fonction de l’éloignement de la façade. On peut alors, avec ce type de matériel, régler chaque rangée de luminaires suivant une loi de correspondance différente.

Notons qu’à l’arrière de ces locaux, un éclairage artificiel maximum reste parfois nécessaire, quelles que soient les conditions atmosphériques. Un dimming ne se justifie alors pas pour les rangées de luminaires les plus éloignées de la fenêtre.

Mesure de la luminance en un point du local

Sondes de luminosité locales.

Un capteur mesure la luminance en un point du local et adapte en conséquence la puissance des luminaires. Ces sondes de luminosité locales peuvent être placées :

Dans des blochets au même emplacement que les interrupteurs ;
En plafonnier ;
Encastrés dans des faux-plafonds.

Ce système a comme inconvénient de modifier le niveau d’éclairement en fonction d’une modification de couleur de la zone observée par le capteur (manteau foncé déposé sur le plan de travail, papier noir…) mais cette influence locale sera minime si la surface vue par le capteur est grande (rayon de plusieurs mètres) par rapport à la tache foncée.

Ici aussi, il existe des systèmes qui permettent un réglage différent par rangée de luminaires en fonction de l’éloignement à la fenêtre.

Dans ce cas, le capteur doit être placé au niveau de la rangée de luminaires la plus proche des fenêtres.
Le régulateur règle la puissance de cette rangée et ajoute une constante pour le réglage des autres rangées.

Le réglage est moins fin que pour le premier système (représenté par les droites pointillées dans le graphe ci-dessus) : on suréclaire toujours un peu les zones les plus éloignées de la fenêtre, par rapport aux besoins réels. En effet, pour un flux lumineux maximum de 100 % de la rangée la plus proche des fenêtres (pas d’éclairage naturel) les autres rangées doivent aussi fournir 100 % de leur flux lumineux. Lorsque l’éclairage naturel augmente, la proportion nécessaire du flux lumineux des luminaires diminue d’autant plus qu’ils sont proches des fenêtres.
La surpuissance du luminaire par rapport au besoin réel est donnée par la différence d’abscisse entre la droite pleine et la droite pointillée.

Si on place le capteur entre les rangées de luminaires, seul un réglage identique de chaque rangée est possible. Dans ce cas, pour contenter le fond du local, ce sera la première rangée qui sera en surpuissance par rapport aux besoins.

Mesure de la luminance au niveau de chaque luminaire

Ce mode de régulation consiste à équiper chaque luminaire d’un capteur qui mesure l’éclairement sous le luminaire. Le capteur agit directement sur le ballast du luminaire et régule le flux lumineux pour maintenir en permanence l’éclairement recommandé.

Contrairement aux systèmes à régulation centrale, ce système est très simple et bon marché. Il ne demande aucun câblage spécial, ni régulateur central (l’équipement de chaque luminaire est indépendant). Il s’applique donc très facilement à la rénovation. De plus, le réglage de chaque appareil s’effectue en fonction des conditions particulières de chaque poste de travail ou zone de local.

L’inconvénient de ce système est son mode de régulation purement proportionnel (à l’inverse des systèmes à régulateur central). Pour fonctionner, le système doit maintenir un écart par rapport à sa consigne. Il est donc nécessaire d’augmenter la consigne (par exemple : 650 Lux) pour obtenir l’éclairement souhaité (par exemple : 500 Lux) en absence d’éclairage naturel. Il en résulte alors toujours un suréclairement par rapport aux besoins lorsqu’apparaît la lumière naturelle. Le réglage n’est donc jamais optimum. De plus, une diminution maximum du flux de la lampe n’entraîne pas son extinction automatique, n’éliminant donc pas la consommation résiduelle du ballast.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Répartition lumineuse et uniformité

Si le niveau d’éclairement et la luminance varient dans le champ visuel, une adaptation de l’œil est nécessaire lorsque le regard se déplace. Durant ce moment, l’acuité visuelle est diminuée, entraînant des fatigues inutiles.

La répartition lumineuse ou l‘uniformité des niveaux d’éclairement caractérise les variations du niveau d’éclairement et est définie comme étant le rapport entre l’éclairement minimum et l’éclairement moyen observé dans la zone de travail.

L’uniformité d’éclairement des zones de travail et des zones environnantes immédiates est définie, dans la zone considérée, comme étant le rapport :

Éclairement minimum / Éclairement moyen

Données

Pour connaitre les valeurs recommandées d’uniformité.

Exemple : implications pour les salles de sport

L’uniformité d’éclairement est particulièrement importante pour les jeux de ballon : celui-ci semble accélérer lorsqu’il passe d’une zone plus claire à une zone plus foncée. Pour le joueur, il est alors difficile d’évaluer la vitesse de ce dernier. Cet effet se produit, par exemple, lorsque les courbes de répartition photométrique de deux luminaires adjacents ne se recouvrent pas suffisamment.

En ce qui concerne l‘uniformité de la luminance, c’est beaucoup plus compliqué ! En effet, la distribution de la lumière dans un espace dépend de la répartition des sources lumineuses et de la réflexion des parois. Elle est d’autant meilleure que les réflexions de chaque paroi sont élevées et uniformément réparties (couleurs uniformes).

De plus, il faut une certaine uniformité de luminance d’une part entre le champ visuel en position de travail (le plan de travail) et au repos (les murs), d’autre part entre les différentes surfaces de référence (éclairement de la zone de travail et de la zone voisine).

Pour un même niveau d’éclairement au niveau du plan de travail, la première situation est nettement plus agréable que la troisième.

Pour garantir une répartition harmonieuse des luminances, il convient de ne pas dépasser certaines valeurs de contraste entre les différentes zones du champ visuel ou les surfaces de référence.

Données

Pour connaitre les valeurs recommandées d’uniformité.

Cependant, pour structurer l’espace, il peut être intéressant de créer des ambiances lumineuses localisées. Dans ce dernier cas, un niveau d’éclairement général existe pour tout l’espace et un éclairage localisé complémentaire est prévu en fonction des besoins spécifiques de la tâche visuelle.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Ventilo-convecteurs

Principe de fonctionnement

Le ventilo-convecteur est au radiateur, ce que le mix-soup est au presse purée ! Cela va plus vite mais cela fait du bruit… !

Plus sérieusement,

Un radiateur traditionnel est alimenté par une eau à …50°…70°… dans une ambiance à 21°. L’échange de chaleur s’effectue facilement grâce à un tel écart de température.

Mais pour fournir du froid, on fait circuler de l’eau (dite « glacée ») à …5°…10°… dans une ambiance à 24° : l’écart de température devient trop faible pour fournir une bonne puissance frigorifique. On passe dès lors à un échange forcé : un ventilateur est ajouté et le radiateur est remplacé par une batterie d’échange. En pulsant de l’air sur l’échangeur, la puissance frigorifique est fortement augmentée mais le bruit envahit les locaux.. !

Pour assurer le refroidissement l’été mais aussi le chauffage en hiver, un ventilo-convecteur comprendra donc :

une prise d’air du local (à chauffer ou à refroidir),
un filtre grossier pour arrêter les poussières,
un ou plusieurs ventilateurs, à faible vitesse,
une ou deux batteries d’échange, de faible section, alimentées en eau chaude et/ou en eau glacée,
éventuellement une résistance électrique d’appoint
un bac inférieur pour récolter les condensats,
et un habillage éventuel qui coiffe le tout pour l’intégrer au local.

Photo ventilo-convecteur.

On le retrouve en position verticale (allège de fenêtre), ou en position horizontale (accroché au plafond ou intégré dans un soffit

Types de ventilo-convecteur

Il existe quatre grandes familles :

1. Les ventilos « à 2 tubes réversibles » : ils ne disposent que d’un seul échangeur, alimenté alternativement en eau chaude en hiver, et en eau glacée en été. Mais un risque de perte d’énergie apparaît par mélange entre eau froide et eau chaude si la zone neutre est trop faible (voir régulation des ventilos).

2. Les ventilos « à 4 tubes » : ils disposent de deux échangeurs, pouvant être connectés en permanence soit au réseau d’eau chaude, soit à celui d’eau glacée.
La taille (le nombre de rangs) de l’échangeur de froid est plus élevé que celui de la batterie chaude, suite au delta T° plus faible sous lequel travaille la batterie froide. On dit que « le pincement » est plus faible entre T°eau et T°air dans l’échangeur.

3. Les ventilos « à 2 tubes – 2 fils » : pour diminuer les coûts d’installation, on ne prévoit que le réseau d’alimentation en eau glacée. Pour assurer le chauffage d’hiver, une résistance électrique d’appoint est prévue (le ventilateur pulse l’air du local au travers de la résistance, comme dans le cas d’un convecteur électrique direct).

Mais le prix du kWh électrique étant nettement plus élevé que le kWh thermique, les coûts d’exploitation seront importants…

4. Les ventilos « 2 tubes réversibles + 2 fils » : astuce ! Ce dernier système peut être utilisé en fonctionnement deux tubes (c.-à-d. eau glacée en été, eau chaude en hiver), la résistance électrique sert alors uniquement en résistance d’appoint en mi-saison.
Les coûts d’exploitation sont dès lors plus limités que dans la version « 2 tubes « .

Remarque : nous avons écarté ici la solution « 3 tubes » (1 départ chaud, 1 départ froid et 1 retour commun) qui a été installée autrefois, mais qui ne l’est plus aujourd’hui puisque le mélange entre l’eau chaude et l’eau froide est aujourd’hui considéré comme inacceptable.

Détails technologiques

Quelques détails technologiques

> Vannes

La batterie d’échange air-eau à tubes ailettés est encadrées par deux vannes d’isolement et une vanne de réglage du débit d’eau. Cette vanne est commandée par un thermostat dont le bulbe est situé dans la prise d’air.

> Ventilateurs

La ventilation est assurée par une ou deux turbines, centrifuge ou tangentielle, de 40 à 50 Pa de pression totale, généralement à 3 vitesses (avec un sélecteur accessible à l’utilisateur… qui le positionne souvent en première vitesse pour limiter le bruit !). La puissance demandée est généralement de l’ordre de 80 à 125 W, suivant les modèles.

> Condensats

Le bac de récupération des condensats sera raccordé au réseau d’évacuation. Dans le cas où le ventilo est accroché au plafond, cette évacuation n’est pas toujours aisée. On aura parfois recours à une petite pompe de relevage des eaux de condensat.

> Habillage

L’habillage est constitué en acier galvanisé, généralement recouvert intérieurement de laine de verre ou de mousse polyuréthane pour des raisons thermiques et acoustiques. Mais il arrive que pour des raisons esthétiques, la carcasse du ventilo soit intégré dans la structure décorative du local ou dans une armoire et dans ce cas, seules les grilles restent visibles.

Des ventilos particuliers

Il est possible d’intégrer complètement le ventilo dans un faux plafond ou un faux plancher (des hauteurs d’équipement de 200 à 300 mm existent).

Soit il s’agit un appareil « cassette » : il aspire l’air du local en partie centrale et le repulse après traitement latéralement, tangentiellement au faux plafond.

Certains ventilos sont prévus pour être intégrés sous le plancher des locaux montés sur vérins (local informatique, par exemple). Dans ce cas, l’ouverture de l’appareil doit pouvoir se faire par le dessus.

Soit il s’agit d’un appareil dont le raccordement est prévu via des gaines de distribution vers différentes grilles de pulsion. Cela améliore le confort (meilleure diffusion de l’air, diminution du bruit, …) mais il faut que le ventilo reste facilement accessible pour la maintenance (ouverture prévue par le dessous).

Variante : le Module de Traitement d’Air (MTA)

Il s’agit d’une variante côté « émission » : les ventilos sont remplacés par de petits caissons de préparation, disposés en batterie dans le local technique.

Au départ, il s’agit de la réponse d’un constructeur à un promoteur immobilier qui lui demandait : « faites-moi un système simple, modulable, facile à entretenir ».

Ce caisson comprend

une batterie chaude (à eau ou électrique),
une batterie à eau glacée,
une prise d’air neuf,
un filtre de classe F5,
un ventilateur centrifuge,
un régulateur pouvant communiquer avec une centrale de régulation (GTC),
un départ pour le soufflage,
un retour pour la reprise.

Schéma principe Module de Traitement d'Air (MTA).

Ces caissons sont prolongés par des gaines pour alimenter les diffuseurs d’air dans les locaux (ces diffuseurs assurent aussi bien la pulsion que la reprise).

Ils sont eux-mêmes les extrémités d’une gigantesque pieuvre qui les nourrit

en air neuf prétraité,
en eau glacée,
éventuellement en eau chaude.

Tout a été prévu pour diminuer la main d’œuvre : préindustrialisation des supports, raccordement par flexible,… Chaque équipement défaillant est rapidement démonté et remplacé.

La régulation est particulièrement performante (dans la version « full options » !)

action sur l’ouverture des vannes, à basse vitesse,
puis action sur le ventilateur s’il faut augmenter les puissances (périodes de relance, par exemple),
pilotage possible de l’éclairage et des stores extérieurs,
possibilité de fonctionner en tout air neuf (free cooling de nuit, par exemple)

Chaque module de 25 à 50 m2 dispose de son propre caisson, et peut donc définir ses propres conditions de confort.

Le principe de fonctionnement est donc fort proche de celui des ventilo-convecteurs. Mais en plus, il apporte une flexibilité totale s’adaptant très bien aux bâtiments modulaires dont on voudrait pouvoir modifier les cloisons (immeubles de bureaux, chambres d’hôtel,…).

Le coût d’installation fort élevé est sans doute un inconvénient du système …

Variante : le système modulaire à eau glacée ou « Hydrosplit »

Il s’agit d’une variante côté « production » et « distribution ».

Cette technique, encore appelée « hydrosplit », est un système modulaire, préfabriqué, pour ventilos 2 tubes – 2 fils (sans être exhaustif, et à titre d’information, on range dans cette catégorie « l’Hydroflow » de Carrier, « l’Aquajet » de Technibel, « l’Aquastream » de Trane, ….).

Est vendu « en kit »

un groupe d’eau glacée,
un module hydraulique de distribution primaire,
des modules hydrauliques de distribution secondaire,
sur lesquels viennent se greffer des ventilos 2 tubes – 2 fils.

Schéma principe système modulaire à eau glacée ou "Hydrosplit".

Groupe frigorique généralement disposé en toiture.
Circulateur de la boucle primaire .
Capacité tampon, dimensionnée pour absorber les besoins frigorifiques durant 5 à 10 minutes
(le compresseur est équipé d’un anti-court cycle qui interdit le démarrage du compresseur durant 5 à 10 minutes).
Circulateur secondaire.
Clapet anti-retour.
Unité terminale de traitement d’air (ventilo-convecteur).
Module hydraulique secondaire. **
Module de bypass qui permet une irrigation permanente de la boucle.

*par exemple, chez un fabricant, la boucle primaire peut présenter 50 m. de dénivellation verticale et 100 m. d’éloignement.

**par exemple, chez un fabricant, il peut y avoir jusqu’à 9 modules de distribution secondaire, auxquels on peut raccorder 8 ventilos chacun, soit un total de 72 ventilos dans le bâtiment.

L’objectif commercial est de faire baisser les prix par cette standardisation du produit, et d’ouvrir le marché de la climatisation aux chauffagistes qui n’ont plus qu’à assembler le mécano !

Pourquoi pas… mais ce système entraîne un chauffage électrique direct, peu écologique et d’un coût d’exploitation fort élevé ! Il faut s’assurer que les besoins de chauffage seront tout à fait occasionnels.

Certains systèmes sont greffés sur une installation frigorifique réversible, d’autres présentent l’avantage de pouvoir lui raccorder également une distribution d’eau chaude (pour réaliser du « 2 tubes » ordinaire). cela peut constituer alors une solution intéressante en rénovation, puisqu’il y a récupération de la chaudière existante.

La régulation locale des ventilo-convecteurs

On peut imaginer différents niveaux, en fonction de la qualité énergétique du projet

Gestion locale : uniquement laissé à l’initiative de l’occupant, donc pas de certitude de l’arrêt du ventilo en période d’inoccupation, ni de respect des consignes. Cela peut fonctionner toute la nuit…
Gestion locale + gestion centrale : cette fois, l’occupant peut faire varier la température de 1 ou 2 degrés autour d’une consigne fixée centralement. Par exemple, en centrale, on peut imposer une conduite économique de 20° (chaud) – 25° (froid). La garantie d’une plage neutre est assurée. De plus, la programmation horaire est possible centralement.
Gestion locale + gestion centrale + contrôle de présence : un détecteur de présence perfectionne la gestion dans les locaux à utilisation intermittente.

Il existe actuellement des systèmes de centralisation pour unités terminales accessibles financièrement, sortes de GTC minimum, avec une incidence non négligeable sur la consommation énergétique.

Dans tous les cas, la gestion doit considérer la température, le débit hydraulique et le débit aéraulique. Si le débit aéraulique est souvent laissé aux bons soins de l’occupant, les deux autres paramètres sont

Régulation de température du ventilo

Deux principes sont possibles

soit la vitesse du ventilateur est constante et le régulateur module la température de l’eau en fonction des besoins de l’ambiance au moyen d’une vanne à trois voies,
soit la température de l’eau est constante et le régulateur module la vitesse du ventilateur en fonction des besoins de l’ambiance.

La première solution est très confortable, d’autant que la vitesse du ventilateur est fixée par l’occupant (réglage manuel à 3 positions), occupant qui choisit ainsi le niveau de bruit qu’il souhaite. Bien sûr, si les besoins sont élevés et que la vitesse du ventilateur est faible, la consigne ne sera pas atteinte…

Commutateur de vitesse du ventilateur.

La deuxième solution est moins chère, mais nettement moins confortable, surtout si le ventilateur fonctionne en tout ou rien. Il faut au minimum un appareil à trois vitesses ou, mieux, un ventilateur à vitesse variable.

Dans les deux cas, on prévoira une plage neutre suffisamment large (minimum 2°C) : par exemple, une plage neutre entre 21 et 24°C. La température intérieure du local va « flotter » entre ces deux valeurs, sans consommation énergétique.

Il est préférable que la sonde de température soit placée dans l’ambiance : si elle était placée dans la reprise d’air, il faudrait laisser le ventilateur en 1ère vitesse même lorsque la température ambiante est en plage neutre…!

Ventilateur en vitesse 1 dans la zone neutre.

Ventilateur à l’arrêt dans la zone neutre.

Remarque : une technique URE consiste à placer un contact de feuillure sur les châssis de telle sorte que le fonctionnement du ventilo-convecteur soit interrompu lors de l’ouverture des fenêtres.

Régulation des débits hydrauliques du réseau

Dans les circuits avec vannes à trois voies, le débit hydraulique total de l’installation est constant.
Par contre, dans les installations avec vannes deux voies, lorsque celles-ci se ferment, la pompe risque de souffrir. Deux solutions sont possibles :

Soit une vanne à décharge (encore appelée vanne à soupape différentielle) est placée en parallèle sur le réseau de distribution. La pompe est protégée, elle travaille à débit constant, mais sa consommation est constante également, alors qu’on aurait pu économiser de l’énergie électrique !
Soit la pompe travaille à vitesse variable, en maintenant une pression constante dans le réseau. Ceci est nettement plus économique, mais suppose une protection des installations de production lorsque le débit d’irrigation devient faible : un by-pass pour la chaudière et un ballon tampon pour la machine frigorifique.

Gestion de la pointe électrique dans les installations 2 tubes – 2 fils

Il est utile de prévoir une technique de délestage pour éviter le fonctionnement simultané des résistances électriques des installations 2 tubes – 2 fils !

Gérer

Pour en savoir plus sur le délestage certains équipements électriques.

Un fonctionnement séquentiel est possible puisque le bâtiment constitue en lui-même un réservoir tampon et que la stabilité des températures intérieures ne sera que peu affectée par les coupures provoquées par le délesteur.

La programmation devrait également permettre de profiter au mieux des tarifs de nuit, en réalisant les relances du matin avant 7h00 (heure variable régionalement suivant les distributeurs).

Schémas d’installation et régulation des ventilos 2 tubes

Deux systèmes s’entrecroisent au niveau de l’échangeur

le circuit d’eau (transfert thermique de la production vers l’émetteur),
le circuit d’air (transfert thermique de l’émetteur vers la pièce).

et les régulations de ces deux systèmes sont distinctes.

Sur ce schéma de base, on distingue 2 régulations :

1. Une vision de la régulation locale de chaque ventilo-convecteur

avec vanne 3 voies,
avec vanne 2 voies et régulateur de pression différentielle,
avec vanne 2 voies et circulateur à vitesse variable.

>> Pour plus d’informations

2. Une régulation de l’alimentation eau chaude/eau glacée des ventilo-convecteurs

chaud ou froid + commutation été/hiver,
chaud ou froid par une machine frigorifique réversible,
chaud et froid simultanément + distribution par zone,
chaud et froid simultanément + distribution par zone + circulateur de zone.

>> Pour plus d’information

Schémas d’installation et régulation des ventilos 4 tubes

Trois systèmes s’entrecroisent au niveau de l’échangeur

le circuit d’eau glacée,
le circuit d’eau chaude,
le circuit d’air (transfert de l’émetteur vers la pièce).

et les régulations de ces systèmes sont distinctes.

Sur ce schéma de base, on distingue dès lors 2 régulations :
1. Une régulation locale de chaque ventilo-convecteur :

avec vanne 3 voies,
avec vanne 2 voies et régulateur de pression différentielle,
avec vanne 2 voies et circulateur à vitesse variable.

>> Pour plus d’informations

2. Une régulation de l’alimentation eau chaude/eau glacée des ventilo-convecteurs

production de chaud et froid distinctes,
production combinée de chaud et froid, via une machine frigorifique avec récupération de chaleur au condenseur.

>> Pour plus d’informations

Schéma d’installation et régulation des ventilos « 2 tubes – 2 fils »

Le schéma d’installation des ventilos « 2 tubes – 2 fils » est simple : hydrauliquement, seul le réseau d’eau glacée est réalisé.

La résistance d’appoint électrique est, soit commandée en tout ou rien, soit soumise à une régulation progressive (régulation chrono-proportionnelle).

Schéma d'installation et régulation des ventilos "2 tubes - 2 fils"

Les schémas de régulation sont simples puisque les productions de chaud et de froid sont indépendantes. L’équipement frigorifique peut être complété par un stockage de glace.

>> Pour plus d’informations

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir la pompe à vide

Pompe à vide à anneau liquide

Généralités

On rencontre généralement la pompe à vide à anneau liquide au niveau du process de stérilisation; ce type de pompe créant un vide suffisant pour l’application.

Le dimensionnement de la pompe s’effectuera nécessairement en fonction du niveau de vide. Le niveau de vide est gouverné par la limite de cavitation de la pompe, elle même conditionnée par la pression de vapeur au niveau de l’anneau liquide (type et température du liquide de refroidissement formant l’anneau liquide).

Afin d’éviter un surdimensionnement de la pompe à vide, les constructeurs recommandent d’accroître la capacité de la pompe en terme de débit (à pression de vide nominale) plutôt que de chercher à dimensionner la pompe avec un facteur de sécurité sur la pression de succion.

Les paramètres du système de vide (cuve de stérilisation, conduites, vannes, …) qui influencent le débit d’entrée de la pompe à vide sont:

le débit volumique nécessaire au système (débit à l’entrée de la pompe);
le volume du système où le vide est créé;
le débit massique d’air de fuite;
les débits massiques de vapeur et de condensats réels utilisés lors d’un cycle de stérilisation;
le temps d’évacuation requis pendant un cycle.

Le temps d’évacuation est le paramètre important dans les process discontinus comme un cycle de stérilisation.

Influence du liquide de refroidissement

Dans le cas de la stérilisation, le liquide de refroidissement formant l’anneau liquide, et par conséquent l’étanchéité entre les ailettes de la roue à aube (ou niveau de vide), est en général de l’eau. La température de ce liquide de refroidissement influence fortement le niveau de vide. En effet, dans l’ouie d’aspiration, la basse pression régnant, le liquide de refroidissement a tendance à s’évaporer et à augmenter la pression partielle de vapeur au niveau de la cellule cloîtrée entre deux ailettes et l’anneau liquide. Il en résulte que plus la température du liquide de refroidissement est élevée, plus il aura tendance à s’évaporer et, par conséquent, le niveau de vide et de débit d’aspiration diminuera.

Le choix de l’eau comme liquide de refroidissement va de soi avec l’utilisation de vapeur comme moyen de stérilisation. Il va sans dire que la gestion de la température de l’eau de refroidissement sera un élément primordial dans la performance énergétique du système de vide.

Influence du gaz à aspirer

Les performances de la pompe à vide, notamment au niveau de la cavitation, dépendant de la capacité du gaz à aspirer à condenser ou pas. Le cas de la vapeur d’eau est intéressant puisqu’elle possède cette qualité.

L’interaction entre la vapeur et le liquide de refroidissement est forte :

D’une part, la vapeur se condense au contact de l’eau de l’anneau liquide en renforçant l’effet de vide (la pression partielle de vapeur diminue), c’est l’effet de « condensation ».
D’autres parts, l’eau de l’anneau liquide tend à se vaporiser et à diminuer l’effet, d’où la nécessité de contrôler la température de l’anneau liquide.

Il arrive que les fabricants placent des échangeurs avant la pompe à vide afin de condenser la vapeur et de renforcer l’effet de vide dans la pompe à anneau liquide.

Choix d’un éjecteur

Pour renforcer l’effet de vide à l’entrée de la pompe à vide, certains fabricants propose de placer un éjecteur (venturi). Ce système permet de dimensionner la pompe à sa valeur nominale de vide nécessaire pour la stérilisation tout en renforçant le vide par une pièce statique.

Choix du moteur électrique

Le dimensionnement de la pompe à vide influence naturellement celui du moteur électrique d’entraînement. Tenir compte en priorité d’un facteur de sécurité sur le niveau de vide plutôt que sur le débit d’aspiration risque de surdimensionner la pompe à vide et par conséquent le moteur électrique; on sera alors doublement pénalisé au niveau de l’investissement.

Gestion du refroidissement de l’eau de l’anneau liquide

Le choix du mode de gestion de l’alimentation en eau de l’anneau liquide influence le niveau de vide. En effet, la température de l’anneau liquide conditionnant le niveau de vide, l’utilisateur sera tenté de le refroidir avec des grandes quantité d’eau adoucie entraînant une envolée importante de la consommation.

Exemple.

Soit un stérilisateur 9 DIN effectuant 1 600 cycles par an. Sa consommation d’eau adoucie au niveau de l’anneau liquide est de l’ordre de 216 litres/cycle.

La consommation d’eau adouci est de l’ordre de :

nbre de cycle/an x quantité d’eau [m³/cycle] / 1 000

= 1 600 x 216 / 1000

= 346 [m³/an]

Le coût annuel pour un stérilisateur est de :

346 [m³/an] x 2,5 [€/m³]

= 864 [€/an]

Plusieurs modes de gestion du refroidissement de l’eau de l’anneau liquide sont disponibles sur le marché. À l’heure actuelle, la plupart des constructeurs proposent des solutions où les consommations sont réduites de manière draconienne.

Il est intéressant à ce sujet de comparer plusieurs solutions que propose un constructeur de pompe à vide :

circuit ouvert,
circuit semi-fermé,
circuit fermé.

Circuit ouvert

Ce circuit était classiquement installé en standard sur l’ancienne génération de stérilisation.

En nouveau projet, pitié, bannissez-la !

Théories

pour en savoir plus sur le circuit ouvert, cliquez ici !

Le constructeur annonce des débits moyens de 216 [litres/heure]. Si le choix de l’utilisateur se porte sur ce type de circuit, il doit s’attendre à couvrir des consommations d’eau importante. Si malgré tout vous optez pour ce type d’installation, pour limiter les consommations excessives, il sera nécessaire:

de prévoir un compteur d’eau au départ afin de s’assurer qu’il ne s’installe pas une dérive de la consommation au cours du temps par rapport au réglage initial;

d’exiger un réglage de la part d’un technicien qualifié en pompe à vide avant la « mise à feu » de l’installation de stérilisation;
de prévoir, dans le cadre du contrat d’entretien, l’optimisation régulière du réglage du débit d’eau.

Circuit semi-ouvert

Ce type de circuit est de plus en plus proposé en standard par les constructeurs qui, pour la plupart ont compris l’enjeu énergétique et environnemental.

Mais il y a mieux !

Théories

pour en savoir plus sur le calcul de la quantité d’eau d’appoint dans le circuit semi fermé, cliquez ici !

L’évaluation théorique de ce système donne une réduction de l’ordre de 30 %

de la consommation d’eau de refroidissement,
des pertes d’énergie par rejet à l’égout.

Même dans ce cas, il sera nécessaire de :

Otpimiser le débit à la mise en route de l’installation par un technicien compétant.
Contrôler régulièrement la consommation d’eau dans le cadre du contrat d’entretien afin d’éviter toute dérive.

Circuit fermé

Dans les services de Stérilisation Centrale il y a souvent de la climatisation. Une prolongation de la boucle d’eau glacée et un investissement limité dans une petite régulation autonome permettrait d’y brancher une installation de pompe à vide à anneau liquide en circuit fermé. Ce système permettrait de ne pratiquement plus consommer d’eau adoucie.

Théories

pour en savoir plus sur le calcul de la quantité d’eau d’appoint dans le circuit semi fermé, cliquez ici !

L’évaluation théorique de ce système donne une réduction de l’appoint d’eau de l’anneau liquide de la pompe à vide élevée. Il est risqué de donner une valeur précise de réduction sachant que les cycles de fonctionnement de la pompe à vide sont particulièrement fluctuants en température. En effet :

En début de phase de prise de vide, les températures risquent d’être élevées. À cet instant, le risque que l’échangeur ne soit suffisant est présent; ce qui signifie qu’il faut un appoint d’eau brute.
En fin de phase, les températures redeviennent normales puisqu’il n’y a pratiquement plus de vapeur ni de condensats à évacuer (l’échangeur suffisant à refroidir l’eau de l’anneau liquide).

Certains constructeurs annoncent 75 % de réduction de consommation d’eau.

Pompes centralisées ou locales ?

Ces deux alternatives existent. En général, les constructeurs proposent de placer une pompe à vide à proximité de chaque stérilisateur et, par conséquent, de préférer la configuration locale.

Configuration locale

Si on ne dispose pas d’un local technique à proximité de la stérilisation centrale, il va de soit que la configuration locale s’impose.
Cependant on sera attentif aux avantages et inconvénients suivants :

(+)

le rapprochement de la pompe du stérilisateur réduit le risque de fuite dans le circuit du vide;
le dimensionnement de la pompe à vide sera plus aisé;
l’investissement sera réduit;
…

(-)

la pompe à vide est plus sollicitée (plus de démarrage);
en cas de panne le cycle de stérilisation est perdu et le stérilisateur immobilisé;
les nuisances sonores (si les parois entre l’espace technique des stérilisateurs et l’ambiance de travail ne sont pas isolées) peuvent être importantes;
la compacité de l’installation peut être source d’ennui par rapport à l’entretien;
…

Configuration centrale

Si on dispose d’un local technique à proximité de la stérilisation centrale, on étudiera la possibilité de regrouper l’installation de vide dans cet espace en restant attentif aux avantages et inconvénients suivants :

(+)

on peut tenir compte de l’effet de foisonnement des cycles (réduction de la puissance des pompes à vide);
les pompes peuvent être soulagées par leur mise en cascade (inversion automatique des cascades);
les consommations d’eau peuvent être mieux maîtrisées
on évite les nuisances sonores;
réduction du risque d’abandon de cycle en cas de panne;
…

(-)

le risque de fuite dans le circuit vide augmente;
le coefficient de foisonnement est difficile à évaluer au risque de quand même surdimensionner les pompes;
…

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Traitement des déchets

Introduction

Les déchets résultants de la préparation des repas dans les cuisines collectives doivent être évacués suivant certaines règles d’hygiène et de respect de l’environnement.

L’origine des déchets dans les cuisines collectives est diverse :

Aliments périmés des chambres froides et autres zones de stockage,
déchets de nettoyage des fruits et légumes,
déchets de préparation : poisson, viande, fruits et légumes,
déchets de préparations cuisson : restes dans les récipients de cuisson, graisses de friteuses et autres, etc.,
restants sur les assiettes.

Selon la taille de la cuisine, les déchets peuvent être traités manuellement ou automatiquement.

Dans le premier cas, les déchets sont rassemblés dans des poubelles situées dans un local poubelle réfrigéré (pour raisons hygiéniques) avant d’être évacués vers une décharge. Le prix de l’enlèvement des déchets est estimé à 0,2 à 0,25 €/kg en comptant les taxes, sacs payants, etc.

Dans le second cas, différents systèmes automatiques peuvent être envisagés en fonction du nombre de repas préparés : systèmes à panier à partir de 50 repas, systèmes plus complexes à partir de 200 à 250 repas.
Dans ce cas, les déchets sont traités avant stockage, et sont, dans la plupart des cas, transportés automatiquement vers ce lieu de stockage.

On distingue deux systèmes de traitement et de transport des déchets :

Par voie humide
par voie sèche

Le premier système produit des déchets « impurs » qui contiennent beaucoup trop d’eau pour être réutilisés. Leur prix d’enlèvement varie entre 0,2 à 0,25 €/kg.

Le second système produit des déchets dits biologiques qui permettent de faire :

Du compost,
de la nourriture pour animaux (après stérilisation),
des produits cosmétiques,
du bio-gaz qui permet de produire de l’électricité (100 litres de déchets donne environ 45 litres de bio-gaz, 50 litres d’eau et 5 litres de déchets (à mettre en décharge ou à utiliser comme compost).

Le prix d’enlèvement de ces déchets tourne autour de 7,5 c€/kg.

Traitement par voie humide

Les déchets sont transportés et/ou traités en utilisant une grande quantité d’eau. Les eaux usées résultant de ce traitement transitent par un séparateur de graisse avant d’être rejetées à l’égout.

L’efficacité du système est faible : 10 à 20 % des déchets seulement sont récupérés, le reste partant à l’égout et dans le séparateur de graisse. Celui-ci doit donc être vidé très régulièrement (environ une fois par mois au lieu d’une fois tous les trois mois pour une cuisine sans ce type de traitement des déchets). Le prix de la vidange du séparateur de graisse (0,2 à 0,375 €/kg) doit être ajouté au prix d’enlèvement des déchets (0,2 à 0,25 €/kg).

Deux systèmes existent pour la séparation entre les déchets solides et liquides :

Vis d’Archimède

Des postes de travail, les déchets sont transportés dans des goulottes remplies d’eau puis dans des canalisations jusqu’à une vis d’Archimède (puissance de 5 à 8 kW par vis) inclinée vers le haut, située dans un local réfrigéré. Cette vis tourne dans une canalisation perforée elle-même incorporée dans une autre conduite plus large. Les déchets solides sont comprimés dans la vis, le résidu liquide traverse la canalisation perforée et est récupéré dans la canalisation plus large.

Ce résidu liquide peut être récupéré à concurrence d’environ 50 % et être réutilisé pour le transport des déchets, moyennant traitement (filtration, désinfection, désodorisation).
Les déchets solides tombent, au bout de la vis d’Archimède, dans un container situé également dans le local réfrigéré. Ce container est évacué régulièrement vers une décharge.

Ce système demande beaucoup d’entretien non seulement sur le système mais aussi sur le dégraisseur et consomme beaucoup d’eau. Il est utilisé pour des cuisines préparant au minimum 200 repas par jour.

A panier

Ce système moins encombrant et moins automatisé peut être utilisé pour de plus petites cuisines (à partir de 50 repas par jour).

Une station de traitement contient un entonnoir, une vis d’Archimède verticale (puissance de l’ordre de 2 à 3 kW) et un panier perforé, ainsi qu’une alimentation en eau. Le tout est relié aux égouts.

Les déchets sont envoyés, avec un apport d’eau, dans la vis d’Archimède qui effectue une première séparation entre les déchets solides, et le résidu liquide. A la sortie de la vis, les déchets solides sont envoyés dans le panier perforé arrosé régulièrement et dans lequel s’opère la séparation définitive entre solide et liquide. Le panier est vidé manuellement dans un container situé dans un local réfrigéré. Les résidus liquides sont envoyés dans le réseau d’égout via le dégraisseur.

Le coût d’entretien reste élevé : entretien des stations et du dégraisseur.

Traitement par voie sèche

Le traitement par voie sèche a l’avantage de ne pas être raccordé aux égouts, ce qui évite l’entretien très régulier du séparateur de graisses et l’apport de déchets dans les égouts. Il ne demande pas non plus d’apport d’eau.

Il est utilisé pour des cuisines préparant un minimum de 250 repas par jour (sinon, le coût d’investissement reste trop important).

Il existe trois systèmes par voie sèche :

A air pulsé : le transport des déchets se fait par mise sous pression d’un réservoir amont.
Sous vide : le transport des déchets se fait par mise sous vide du réservoir aval.
Par déshydratation : les déchets sont stocker dans un réservoir variant entre 55 et 120 litres par cycle.

A air pulsé

Les déchets sont introduits dans un entonnoir et envoyés dans un broyeur (puissance de l’ordre de 2 à 8 kW en fonction de l’importance des stations) puis dans un réservoir intermédiaire. Lorsque celui-ci est rempli, il est mis sous pression à l’aide d’un compresseur (2.2 kW minimum) et les déchets sont propulsés vers le réservoir principal.

Un moteur de 7.5 kW malaxe les déchets dans ce réservoir principal pour conserver une masse homogène (fonctionnement 5 min de l’ordre de 4 à 6 fois par jour). Sans cela, les déchets les plus denses se concentrent dans le bas du réservoir où ils peuvent former une masse trop dense qui empêche le vidangeage.

Schéma principe traitement par voie sèche a air pulsé.

Sous vide

Ce système ne nécessite pas de broyeur ni de réservoir intermédiaire avant le réservoir principal.

Il comprend :

Des entonnoirs de déversement,
des clapets de fermeture (électromagnétique ou pneumatique) séparant les entonnoirs de déversement des conduites,
les conduites reliant les entonnoirs avec le réservoir principal,
des clapets pneumatiques séparant les conduites du réservoir principal,
le réservoir principal avec homogénéisateur (7.5 kW),
une pompe (5.5 kW) pour faire le vide dans le réservoir,
un compresseur (2.2 kW) qui aliment les clapets pneumatiques.

Les déchets sont introduits dans des entonnoirs de déversement. Lorsqu’un entonnoir doit être vidé, les clapets situés aux deux extrémités de la conduite sont ouverts, et les déchets sont aspirés dans le réservoir sous vide.

Schéma principe traitement par voie sèche sous vide.

N.B. : Il existe aussi des machines de taille plus réduite (légèrement plus grande qu’un appareil ménager) permettant de réduire considérablement le volume des déchets organiques. Ces derniers sont alors réduits par un processus de déshydratation entre une partie de résidus solides (pouvant être réemployés comme ressource organique) et une partie de résidus liquides (rejetés à l’égout).

Par déshydratation

Les déchets (à l’exception des huitres) sont chargés dans une machine permettant de déshydrater les déchets fermentescibles en de courtes périodes (de 6 à 12 heures selon les volumes). En fin de cycle, le dispositif restitue un résidu solide égal à 10 – 30% des déchets à l’origine. Selon la législation propre à chaque pays, le résidu peut être utilisé comme engrais organico-minéral utilisable dans l’agriculture ou le secteur horto-floricole de manière directe ou après retraitement dans un centre de compostage agréé.

Comparaison énergétique

Le traitement par voie humide nécessite une alimentation électrique limitée : la vis d’Archimède et le local réfrigéré. Il demande une importante consommation en eau, et rejette une quantité importante de déchets liquides dans les égouts.

Le traitement par voie sèche demande plus d’énergie à l’utilisation, pour l’alimentation de l’homogénéisateur et du compresseur, du ou des broyeur(s) pour le système par air pulsé, de la pompe à vide pour le système sous vide ou du système de déshydratation. Par contre, il ne nécessite pas d’apport d’eau, et surtout ne rejette pas de déchets liquides dans les égouts.

Il est difficile des comparer la consommation globale de chaque système étant donné :

que la puissance installée dépend du type et de l’importance de l’installation,
qu’il est difficile d’estimer l’énergie nécessaire pour le traitement des déchets liquides dans les stations d’épuration.

À titre d’exemple, la machine permettant la déshydratation des déchets consomme pour 120 litres de déchets fermentescibles, 35 kWh / cycle en moyenne sur une durée de 8 à 12 heures / cycle.

Il semble néanmoins que les traitements par voie sèche sont plus hygiéniques et plus respectueux de l’environnement. Le traitement par vis d’Archimède est d’ailleurs déjà interdit par certains services des eaux pour des raisons environnementales.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Isolation par l’extérieur

Les systèmes à structure

Cette technique peut être déclinée en de nombreuses variantes et de nombreux matériaux peuvent être utilisés mais on retrouvera toujours :

Une structure en bois massif, bois composite ou dérivés ou encore métal. La structure est uniquement fixée à la façade existante ou supportée en bas de mur. Elle peut aussi être fermée pour former des caissons dans lesquels l’isolation peut être insufflée.
Un isolant thermique remplissant l’intervalle de l’ossature. On peut trouver une isolation en laine végétale ou minérale, en cellulose, en panneaux dérivés du bois ou des produits pétroliers, etc.
Une finition extérieure fixée sur la structure. Cette finition peut être constituée d’un panneau enduit minéral ou synthétique ou d’un bardage en bois, métallique ou en plastique.
Une membrane d’étanchéité à l’air peut être intégrée au système.

Cette technique permet de conserver l’indépendance des éléments, grâce à leur assemblage mécanique, et donc la possibilité de les désassembler complètement ou partiellement en fin de vie.

L’ensemble peut également être constitué d’éléments préfabriqués.

Mur plein existant.
Ancrages.
Isolant thermique.
Ossature.
Lame d’air, ventilée ou non.
Structure, verticale ou horizontale, support de la finition.
Panneaux, support de l’enduit.
Enduit.
Lattage, fixé transversalement à la structure.
Bardage.

Remarques.
La structure bois doit être traitée contre les attaques par les champignons et les insectes.

Ci-dessus, on n’a représenté que la partie courante du mur. L’isolation par l’extérieure de la partie du mur enterré n’est pas représentée.

Les panneaux isolants collés

Ce système est le plus courant. Il est constitué :

D’un mortier de collage et/ou de fixation mécanique. Le collage des panneaux isolant rend très difficile tout tri et recyclage des éléments en fin de vie. Les fixations mécaniques, même si elles constituent des faiblesses thermiques, sont préférables.Pour un support ancien recouvert de peinture ou d’un enduit, il y a lieu de vérifier leur bonne adhérence à la maçonnerie et leur comptabilité avec le produit de collage de l’isolant. Toute partie qui ne serait pas stable doit être décapée. Si la surface de l’enduit est irrégulière, celle-ci doit être ragréée. La surface doit être propre, dépoussiérée (brossage) et sèche.
De panneaux d’isolant : le polystyrène expansé et de panneaux semi-rigides de laine minérale sont les isolants les plus fréquemment mis en œuvre. Les panneaux de fibre de bois et de liège sont des alternatives plus écologiques, le verre cellulaire est utilisé pour son comportement au feu et sa perméabilité à la vapeur d’eau, le polystyrène extrudé (XPS), la mousse polyuréthane (PUR), la mousse phénolique (PF), très performants thermiquement, peuvent également être utilisés.
D’un enduit de finition armé d’un treillis synthétique ou métallique.

Mur plein existant.
Mortier de collage de l’isolant.
Panneau d’isolation.
Armature synthétique ou métallique + sous-couche de l’enduit.
Enduit de finition.

Bruxelles Environnement a édité une vidéo illustrative de la mise en œuvre correcte des panneaux d’isolation collés :
Isolation : Éviter les ponts thermiques lors du placement d’isolant en panneaux – [Vidéo réalisée dans le cadre du projet Conclip, soutenu par Bruxelles Environnement].

Remarques.

La plupart des ciment-colle ont des impacts environnementaux très lourds. Même utilisés en faible épaisseurs, ils font de ce type de système un système peu écologique.

Les systèmes à enduit nécessitent un entretien au minimum tous les 10 ou 15 ans pour des raisons esthétiques (encrassement de l’enduit). Des problèmes d’apparition de mousses peuvent survenir sur les façades non exposées au soleil.

Ci-dessus, on n’a représenté que la partie courante du mur. L’isolation par l’extérieur de la partie du mur enterré n’est pas représentée.

La création d’un mur creux isolé

Le but est d’obtenir un réel mur creux « moderne » composé de :

La surface de la maçonnerie existante qui doit être sèche, propre et dépoussiérée.
Un isolant posé contre le mur plein. Il est fixé mécaniquement à la paroi à l’aide de crochets et rondelles.
un mur de parement monté devant l’isolation en laissant ou non un espace formant coulisse, dans ce cas, celle-ci a une épaisseur de 2 à 3 cm. Le mur de parement est également relié mécaniquement au mur porteur via les crochets.

Dans le cas d’une remplissage partiel de la coulisse, tous les panneaux isolants sont fixés. On contrôle ensuite toute la surface (fermeture des joints, ancrage des crochets, intégrité des panneaux…). Ensuite seulement, le mur de parement est monté.

Dans le cas d’une remplissage intégral, l’isolant est en général une laine minérale traitée (hydrophobe et non capillaire). Le mur de parement est monté en même temps que l’isolant.

Maçonnerie existante.
Cornière métallique avec protection anti-corrosion, ancrée mécaniquement au mur porteur.
Membrane d’étanchéité pour protéger l’isolant contre l’humidité.
Membrane d’étanchéité collée au mur porteur et engravée, et joint vertical ouvert.
Isolant thermique.
Mur de parement.

Bruxelles Environnement a édité une vidéo illustrative de la mise en œuvre correcte des panneaux d’isolation en mur creux :

Isolation : Isolation correcte d’un mur creux – [Vidéo réalisée dans le cadre du projet Conclip, soutenu par Bruxelles Environnement].

Remarques.

Les déchets de mortier dans la coulisse doivent être enlevés au fur et à mesure de l’élévation du parement.

Une membrane d’étanchéité et un joint vertical ouvert doit être prévu à toute interruption de la coulisse (pied de mur, linteau) pour drainer vers l’extérieur les eaux infiltrées dans la coulisse.

Les joints de la maçonnerie de parement doivent être bien fermés de manière à éviter les infiltrations d’eau.

Les enduits isolants

L’enduit isolant consiste en une couche isolante constituée par un mortier composé de granulés (polystyrène expansé et/ou perlite, …) et d’un liant de type ciment. Si le mur est très absorbant, un mortier d’accrochage est préalablement projeté sur celui-ci pour assurer une bonne adhérence entre le support et l’enduit isolant. La couche isolante est ensuite recouverte d’une couche de finition le plus souvent à base d’un liant hydraulique (cimentage).

Mur existant.
Couche d’accrochage.
Enduit isolant.
Enduit minéral décoratif.

Remarque.
Les mortiers constitués de ciment et de billes de polystyrène expansé ou de perlite siliconée ont, en général, une masse volumique comprise entre 200 et 450 kg/m³ et un coefficient de conductivité thermique λ entre 0,07 et 0,12 W/mxK. Ces enduits dits « isolants » ne peuvent donc être considérés comme des isolants proprement dits.

Dès lors, cette technique nécessite des épaisseurs excessives pour atteindre un coefficient de transmission thermique U de 0,24 W/m²K demandé par la réglementation.

Comportement à l’étanchéité à l’eau de pluie

La mise en œuvre d’une isolation par l’extérieur exige que l’isolant soit protégé de l’eau de pluie. Dans le cas d’un parement extérieur non étanche à l’eau (bardage, maçonnerie, …), il est nécessaire de prévoir une coulisse pour drainer l’eau qui se serait infiltrée au-delà du parement ainsi qu’une sortie au pied du mur pour évacuer cette eau vers l’extérieur. Cette technique peut également être utilisée lorsque l’enduit est supporté par la structure indépendante.

Lorsque l’enduit est directement appliqué sur l’isolant, c’est lui qui assure l’étanchéité à la pluie. Il doit être choisi tel qu’il n’absorbe pas trop d’eau et que celle qu’il aurait absorbée sèche rapidement par l’extérieur.

Comportement à la condensation superficielle

L’isolant thermique extérieur suffisamment épais et correctement mis en œuvre permet de supprimer tout risque de condensation superficielle sur la face intérieure du mur. En effet, elle permet, dans la plupart des cas, d’éviter tous les ponts thermiques.

Il faut toutefois veiller à la continuité de l’isolation au niveau des détails suivants :

soubassement de façade,
retour de baie,
éléments en encorbellement (balcons, corniches, …),
jonction entre le mur isolé et le mur extérieur (mur coupe-vent, par exemple).

Comportement à la condensation interne

Le mur plein isolé par l’extérieur ne présente pas de risque de condensation interne pour autant que la migration de vapeur puisse se faire normalement de l’intérieur vers l’extérieur. Ce qui peut s’obtenir des 3 façons suivantes :

Soit par une finition extérieure perméable à la vapeur tout en étant imperméable à la pluie battante, pour autant que le climat intérieur soit « normal » (classe de climat intérieur inférieure à III).

La mise en œuvre de l’isolation du côté extérieur empêche la formation de condensation interne pour autant que l’isolation ne reçoive pas une finition étanche à la vapeur d’eau.

Soit par une lame d’air ventilée entre l’isolant et la finition extérieure.
Soit dans le cas d’un revêtement extérieur imperméable à la vapeur, en plaçant un pare-vapeur sur la face intérieure du mur ou du côté chaud de l’isolant.

Comportement à l’étanchéité à l’air

Il faut éviter, à tout prix, que de l’air froid extérieur, ne puisse s’infiltrer du côté intérieur du mur; ce qui réduirait sensiblement l’efficacité de l’isolation. Pour que cette étanchéité soit effective, il faut que les panneaux isolants soient posés de manière bien jointive. De plus, si l’isolant est perméable à l’air (laine minérale, par exemple), il doit être posé sur un support lui-même étanche à l’air.

De plus, pour éviter les courants de convection, les panneaux doivent être appliqués contre le mur-support. Le risque est encore plus important lorsqu’il y a une lame d’air ventilée entre l’isolant et le parement extérieur.

Schéma sur le comportement à l'étanchéité à l'air.

Enfin, il faut éviter toute perforation de la maçonnerie intérieure qui permettrait une pénétration directe d’air intérieur (humide) dans l’isolant.

Comportement thermique du bâtiment isolé par l’extérieur

L’isolation extérieure permet de garder accès à la capacité thermique du bâtiment; ce qui entraîne des refroidissements et réchauffements moins brutaux du climat intérieur.

Cela permet de réduire les risques de surchauffe en été.

Mais en cas de chauffage intermittent, le réchauffement prendra plus de temps.

Comportement aux fissurations du mur plein isolé par l’extérieur

Le placement de l’isolant du côté extérieur de la maçonnerie réduit très fortement les variations de température au sein de la maçonnerie. En effet, celles-ci restent très proches des températures intérieures relativement constantes par rapport aux températures extérieures. Ce qui supprime pratiquement les risques de fissurations d’origine thermique de la maçonnerie.

Évolution de la température au sein d’un mur plein isolé par l’extérieur lors d’une journée d’été et lors d’une journée d’hiver.

Enduit extérieur.
Isolation thermique (5 cm).
Maçonnerie.
Enduit intérieur.

Par contre, vu la position de l’isolant et la faible inertie thermique de l’enduit extérieur, celui-ci peut être soumis à des écarts de température allant jusqu’à plus de 50°C. Pour réduire le risque de fissuration de l’enduit (sans l’exclure), celui-ci doit donc être muni d’une armature.

Remarque : ce sont les variations de température de courte période qui provoquent le plus de sollicitations thermiques dans l’enduit extérieur.

Découvrez ces exemples de rénovation de l’enveloppe : les bâtiments existants du CoRI, les locaux du bureau d’études écoRce à Liège et le Centre d’accueil pour réfugiés « Le Merisier » à Fraipont.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir un préparateur d’eau chaude instantané au gaz

Choix de la technologie

Avant toute installation du préparateur d’eau chaude sanitaire au gaz

On devra s’assurer :

que le local dans lequel doit être installé le générateur est conforme à la réglementation,

qu’il est suffisamment ventilé si ce n’est pas un appareil à ventouse, et à l’abri du gel,

que le conduit de fumée sera capable d’évacuer les gaz brûlés ou que les sorties de ventouses respectent la réglementation,

qu’il n’y a pas d’incompatibilité de tirage avec une installation de ventilation ou une hotte d’extraction,

que la présence d’un adoucisseur d’eau en amont ne soit pas de nature à affecter la durée de vie du réservoir par la présence du sel dissous.

Puis, parmi les différentes technologies de préparateur instantané gaz, on pourra distinguer différents critères de choix :

Choix d’un appareil étanche ou appareil « à ventouses »

En vue de limiter les risques de mauvaise combustion et de production de CO dans l’ambiance (toxicité très importante), on ne pourrait trop recommander l’appareil « étanche », encore appelé « appareil à ventouses ». Celui-ci fonctionne de façon totalement indépendante du local : l’air est pris à l’extérieur, il participe la combustion puis est rejeté vers l’extérieur par deux tubes concentriques (sortie en façade ou en toiture).

Il est d’usage obligatoire en Hollande.

Accumulateur gaz à ventouse.

Sortie ventouse en façade.
Conduit de fumées.
Coupe-tirage.
Arrivée d’eau froide (tube plongeur).
Départ d’eau chaude.
Habillage à haute isolation.
Anode magnésium (protection corrosion).
Réservoir.
Corps de chauffe.
Mystère…
Foyer.
Socle thermo-isolant.
Brûleur atmosphérique à rampes inox et régulation pneumatique avec thermostat incorporé.

Aujourd’hui les raccordements ne posent plus de problèmes, puisqu’il existe des appareils à ventouse équipés d’un ventilateur qui règle l’amenée d’air de combustion et l’évacuation des gaz. Ces modèles sont plus chers mais il faut faire le bilan complet, y compris l’absence du coût de construction d’une éventuelle cheminée.

Allumage

On choisira un allumage électronique plutôt que le système dépassé de la veilleuse. Celle-ci consomme en pure perte environ 120 m³ de gaz par an, soit un coût d’environ 40 € par an.

Il existe des veilleuses électroniques dont l’électricité est créée par le passage de l’eau elle-même, ce qui a pour avantage de ne pas devoir raccorder électriquement l’appareil.

Question : la durée d’allumage en est-elle ralentie ?

Les accumulateurs gaz à chauffe rapide

Un compromis entre préparateur instantané gaz et accumulateur gaz peut être trouvé dans les appareils dits « accumulateur à gaz à chauffe rapide ».

Ils peuvent travailler en toute autonomie, ce qui permet de séparer les fonctions chauffage et production ECS.

Leur gros point faible reste le rendement. Si les constructeurs ont amélioré les rendements de combustion et l’isolation de leur matériels, il reste cependant une perte permanente liée à leur fonctionnement « atmosphérique ». Leur foyer est ouvert, donc de l’air ambiant, attiré par la dépression de la cheminée, va balayer l’appareil et refroidir l’eau stockée en permanence. La flamme s’allumera régulièrement rien que pour maintenir l’eau en température.

Exemple.

Voici la fiche catalogue de l’appareil ci-contre :

Capacité : 185 l
Quantitié d’eau disponible en 1 heure : 385 l avec Delta T° = 35 K

Puissance utile : 9,18 kW
Puissance enfournée : 10,2 kW

Consommation d’entretien : 5,04 kWh/24 h
Température des fumées : 171°C

Sur base des données catalogue, on obtient un assez bon rendement instantané de combustion :

9,18 / 10.2 = 90 %

Mais par contre on annonce une consommation d’entretien de 5,04 kWh/24 h.

Imaginons que seulement 150 litres d’eau à 45°C soient utilisés. Cela représente une énergie utile de :

0,150 m³ x 1,163 kWh/m³.K x (45 – 10) K = 6,1 kWh

Le rendement de stockage devient

6,1 / (6,1 + 5,04) = 55 %

Soit un rendement global de

55 % x 90 % = 49,5 % !!!

Bien sûr, on a utilisé l’appareil en mode accumulation pure… Si, par contre, on lui fait tirer 2 000 litres d’eau chaude sur la journée, le rendement se rapproche des 90 % annoncés.

Lors de l’achat, il est très important de vérifier la consommation d’entretien annoncée (ou cachée…) par le fabricant. D’une certaine manière, ces pertes par la cheminée centrale correspondent à celles d’une mauvaise isolation de l’enveloppe.

S’il faut stabiliser la température de l’eau, a priori, il semble que la réserve d’eau doit être dissociée du lieu de production. Il vaut mieux que ce soit la boucle qui dispose d’une réserve d’eau puisque ce ballon peut être bien isolé. On peut alors s’inspirer des schémas de régulation d’un producteur instantané à plaques.

Schéma d’installation

Voici les schémas tels que proposés par Gaz de France (brochure « eau chaude sanitaire collective au gaz indépendante », disponible au Cegibat).

Générateur seul.

Générateur.
Vanne d’arrêt gaz.
Filtre gaz.
Réducteur de pression.
Vanne d’arrêt.
Compteur d’eau.
Filtre eau.
Clapet anti-retour.
Manomètre.
Soupape de sécurité.
Purgeur automatique.
Pompe de bouclage.
By-pass.
Raccord isolant.

Générateur avec…

Générateur.
Vanne d’arrêt gaz.
Filtre gaz.
Réducteur de pression.
Vanne d’arrêt.
Compteur d’eau.
Filtre eau.
Clapet anti-retour.
Manomètre.
Soupape de sécurité.
Purgeur automatique.
Pompe de bouclage.
By-pass.
Raccord isolant.
Vanne mélangeuse/mitigeur.

Le choix des tuyauteries de raccordement

Le cuivre s’érode facilement, si bien que de nombreuses particules de cuivre se mettent en circulation, se déposent sur les tuyauteries acier et constituent de nombreuses micropiles enclenchant le processus de corrosion galvanique. C’est une des raisons qui font que l’utilisation du cuivre est proscrite en amont de tuyauteries galvanisées.

Un ballon d’eau chaude sanitaire en acier galvanisé se détériore s’il est raccordé à l’arrivée d’eau de ville par des tuyauteries en cuivre. Si le cuivre est situé en aval de l’acier, il y aura peu de problèmes.

Sécurité des systèmes gaz

Le risque des appareils traditionnels

Les appareils de production d’eau chaude sanitaire fonctionnant au gaz sont à l’origine de nombreux accidents liés à la production de CO. Ce n’est pas la technique qui est en cause mais bien le non respect des règles d’installation et d’utilisation.

Un appareil traditionnel demande une évacuation des gaz brûlés correcte et le respect d’une ventilation suffisante (norme NBN D50-003).

Il sera sensible au bon tirage thermique de la cheminée. Il faut donc que l’étanchéité du local où il est inséré ne soit pas trop importante. Attention à la présence d’une hotte d’extraction d’air dans le local qui risquerait d’inverser le sens du flux d’air dans le conduit de fumées !

Chaque année, près de 300 personnes perdent la vie en Belgique par intoxication au CO… alors que la solution est techniquement si simple : l’appareil étanche.

Réglementation

En ce qui concerne les appareils non étanches, il existe une réglementation visant à limiter au maximum les accidents liés à la production de CO par les appareils instantanés (« chauffe-bains « ) ou chaudières murales combinées.

À partir du 1er janvier 96, seuls les appareils gaz portant un marquage CE peuvent être commercialisés en Belgique.

L’AR du 3 juillet 1992, transposant en droit belge la Directive européenne (90/396/CEE) « Appareils à gaz » du 29 juin 1990 qui constitue la base du marquage CE, autorise la commercialisation en Belgique d’appareils portant ce marquage pour autant qu’ils portent également l’indication CAT 12E+.

Cette indication signifie qu’il s’agit d’appareil fonctionnant uniquement (code 1) au gaz naturel (code 2) L ou H (code E) et ne comportant aucun réglage (appareil réglé en usine une fois pour toute).

Depuis cet AR, une nouvelle catégorie est permise pour les chauffe eau : CAT 12E(s)B. Les appareils de cette catégorie (principalement les chaudières à prémélange) possèdent un réglage possible de la pression de gaz mais celui-ci est scellé et donc non accessible aux utilisateurs.

Concrètement, l’impact direct de ces dispositions dans le domaine des appareils de production instantanée d’eau chaude est le renforcement de la sécurité. En effet, depuis le ler janvier 1996 deviennent obligatoires :

pour les petits appareils 5 l/min : un dispositif de contrôle d’atmosphère (dans la norme indiqué comme CDA),

pour les chauffe-bain et les chaudières murales : un dispositif de contrôle de l’évacuation des produits de la combustion (= sécurité de refoulement, appelée aussi TTB d’après la dénomination néerlandaise « thermische terugslagbeveiliging »).

CDA – Contrôle d’Atmosphère ?

Ce dispositif de sécurité doit interrompre l’arrivée du gaz au chauffe-eau type AAS (non raccordé à un conduit d’évacuation des produits de la combustion), avant que ne puisse apparaître, dans le local dans lequel il est installé, un niveau de CO dangereux pour les occupants éventuels (fixé à 100 ppm, ce seuil est totalement inoffensif pour un occupant éventuel du local).

La norme ne prescrit pas comment le fabricant doit réaliser un dispositif CDA. Elle prescrit les performances et les techniques d’essai à utiliser par le laboratoire d’agréation pour juger si la solution technique présentée par le fabricant répond bien à l’exigence de base.

La norme impose également au dispositif une deuxième performance : interrompre l’arrivée du gaz au brûleur en cas d’encrassement de l’échangeur, puisqu’un encrassement éventuel pourrait, à terme, mener à la formation de CO.

TTB – Thermische TerugslagBeveiliging ?

Ce dispositif de sécurité doit interrompre l’arrivée du gaz au chauffe-bain en cas de refoulement des produits de la combustion en quantité dangereuse dans le local où est installé l’appareil (cheminée bouchée ou évacuation dans une zone en surpression, vent refoulant, arrivée d’air insuffisante, extracteur mécanique trop puissant dans le local, …).

Son principe est basé sur un phénomène physique très simple : tout appareil à gaz avec brûleur atmosphérique raccordé à une cheminée doit comporter un coupe-tirage antirefouleur. Celui-ci comporte toujours un orifice par lequel de l’air ambiant du local est aspiré pour diluer les produits de la combustion.

En cas de déficience au niveau du tirage, le phénomène s’inverse et des produits de la combustion chauds sont envoyés dans le local. Il suffit donc de mesurer la température du flux dans cet orifice : en cas de refoulement la température sera nettement au-dessus de la température ambiante.

Il est admis qu’après intervention du dispositif de sécurité, l’appareil redémarre automatiquement mais, dans ce cas, il est exigé un délai d’attente (temporisation) de minimum 10 minutes. Il est clair que si la cause de l’intervention du dispositif persiste, l’appareil se remettra en sécurité après un certain temps. Puis redémarrera, puis se mettra en sécurité et ainsi de suite.

Remarque : en pratique , les fabricants et importateurs belges d’appareils instantanés de production d’eau chaude et de chaudières murales – réunis au sein de la Collectivité du Gaz – ont convenu, depuis le 1er janvier 1994 de ne plus commercialiser que des appareils munis du dispositif de sécurité de refoulement TTB.

D’autre part, et depuis début 1991, ils ne proposent plus que des chauffe-eau d’une capacité de 5 litres/min, raccordés ou non à une cheminée, équipés d’un dispositif de contrôle d’atmosphère CDA.

Sortie des ventouses en façade

Voici ce que dit la réglementation française à ce sujet :

Les orifices d’évacuation des appareils à circuit étanche rejetant les gaz brûlés à travers un mur extérieur doivent être situées à 0,4 mètre au moins de toute baie ouvrante et à 0,6 mètre de tout orifice d’entrée d’air de ventilation.

Schéma sur sortie des ventouses en façade.

Ces deux distances s’entendent de l’axe de l’axe de l’orifice d’évacuation des gaz brûlés au point le plus proche de la baie ouvrante ou de l’orifice de ventilation.

Les orifices d’évacuation et de prise d’air des appareils à circuit étanche débouchant à moins de 1,8 mètre au dessus du sol doivent être protégées efficacement contre toute intervention extérieure susceptible de nuire à leur fonctionnement normal.

Les orifices d’évacuation débouchant directement sur une circulation extérieure (voie publique ou privée) à moins de 1,8 mètre au-dessus du sol doivent comporter un déflecteur inamovible donnant au gaz une direction sensiblement parallèle au mur ».(Arrêté du 2 août 1977).

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Réparer l’isolation

Que faire lorsque l’isolant est détrempé ?

Lorsque suite à

une infiltration;
ou à une mauvaise conception (pare-vapeur insuffisant);
ou à une mauvaise réalisation (pare-vapeur mal posé),

l’isolant a été noyé, il est quasiment impossible qu’il parvienne à sécher naturellement même si les sources d’humidification ont été supprimées.

Un isolant trempé perd toute efficacité.

Il est donc nécessaire de le remplacer.

Son remplacement nécessite en outre l’enlèvement de la membrane d’étanchéité et la pose d’une nouvelle.

Lorsque les désordres sont dus à un défaut du pare-vapeur, outre le remplacement de l’isolant et de la membrane, le pare-vapeur lui-même devra être renforcé ou remplacé par un autre plus efficace.

En cas de fuite à travers la membrane, les dégâts peuvent être limités si lors de la réalisation initiale de la paroi, l’isolant à été compartimenté. Dans ce cas, seule la zone altérée devra être refaite.

Concevoir

Pour savoir , comment compartimenter l’isolant.

Remarque.

De par sa nature le verre cellulaire ne peut s’humidifier, le verre étant étanche tant à l’eau qu’à la vapeur. Il ne sera donc jamais nécessaire de le remplacer pour cause d’humidification.

Que faire lorsque l’isolant est écrasé ?

Lorsque l’isolant a été accidentellement écrasé, ses qualités d’isolation diminuent à l’endroit de l’écrasement.

Si l’écrasement est local, il y a risque de pont thermique à cet endroit. S’il ne provoque pas de condensation superficielle ou interne, il aura pour seule conséquence une perte d’énergie. Celle-ci sera cependant limitée à cause de la petite surface concernée.
Il ne sera donc alors pas nécessaire d’intervenir, sauf si l’écrasement a provoqué une rupture de la membrane d’étanchéité accompagnée d’infiltrations.

Si l’écrasement risque de se reproduire (à cause de circulations ou de dépôts d’objets lourds), il est intéressant de remplacer dans les zones concernées l’isolant par un autre ayant une meilleure résistance à la compression ou de répartir dans ces zones, les charges à l’aide de plaques de répartition.

Si l’écrasement concerne de grandes surfaces, la qualité thermique de la paroi est fortement diminuée. Il convient alors de vérifier si le niveau d’isolation est acceptable.

Évaluer

Pour évaluer le niveau d’isolation.

Le remplacement de l’isolant nécessiterait l’enlèvement et le remplacement de la membrane et donc un coût important. Si l’isolant n’est pas trempé il peut être conservé ainsi que la membrane d’étanchéité. L’intervention sur la toiture consisterait alors simplement à augmenter l’isolation thermique de la toiture existante.

Améliorer

Pour savoir comment augmenter l’isolation thermique.

Que faire lorsque l’isolant n’est plus continu ?

Suite à des retraits, des mouvements thermiques ou des contraintes mécaniques extérieures, il arrive que les panneaux isolants rétrécissent ou se déplacent créant ainsi des discontinuités dans la couche isolante.

Évaluer

Pour évaluer la déformation de l’isolant.

Là où l’isolation est interrompue, il y a présence de pont thermique. S’il ne provoque pas de condensation superficielle ou interne, il aura pour seule conséquence une perte d’énergie. La qualité thermique de la paroi est diminuée. Il convient de vérifier si le niveau d’isolation résultant est toujours acceptable sinon il faudra réparer le désordre.

Pour les toitures plates, il sera également nécessaire d’intervenir, si la déformation de l’isolant a provoqué une rupture de la membrane d’étanchéité accompagnée d’infiltrations.

Dans le cas d’une toiture chaude, il est nécessaire d’enlever et de replacer correctement l’isolant, et si ce n’est pas possible, le remplacer. Cette intervention nécessite évidemment l’enlèvement de la membrane d’étanchéité existante et la pose d’une nouvelle. S’il existe un lestage, celui-ci doit également être déplacé durant les travaux.

Dans le cas d’une toiture inversée, après enlèvement du lestage, l’isolant est enlevé et replacé correctement. Le lestage est ensuite replacé.

Que faire lorsque l’isolant fragilisé n’assure plus la stabilité au vent de la couverture ?

Sous l’effet du vent, l’isolant d’une toiture chaude dont les couches sont collées, peut se délaminer, s’il est de qualité insuffisante.

Dans ce cas, la couverture risque de s’envoler en cas de vent violent. Il convient donc de renforcer la fixation.

Si le support est capable de porter un lestage supplémentaire, la couverture peut être lestée.

Si le support est métallique ou en bois, une nouvelle fixation mécanique peut être mise en place. Elle nécessitera une couche de membrane d’étanchéité supplémentaire pour couvrir les fixations.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Remplacer par un chauffage gaz ou fuel ?

La démarche

Études de cas

Dans le home du CPAS de Gembloux « la Charmille », des accumulateurs statiques sont présents. La température intérieure a été mesurée autour des 25°C, jour et nuit.

La consommation de chauffage, après déduction de l’eau chaude sanitaire, se monte à 646 500 [kWh/an] pour un budget total de l’ordre de 55 000 [€/an] et une surface chauffée de 3 500 m².

L’économie financière résultant du remplacement par une installation au gaz a été estimée à 32 000 [€/an] (attention, le coût du chauffage électrique est « gonflé » suite au fait que 53 % de la consommation se réalise en chauffage direct).

La réduction des émissions de CO₂ serait de 28 % (alors que Kyoto en demande 7 seulement !)

Une installation de chauffage au gaz serait amortie dans un délai de 3 à 5 ans, suivant le coût des travaux.

La décision de remplacement vient d’être prise.

Les calculs réalisés pour préparer cette décision ont suivi la logique ci-dessous.

Déduire la consommation liée à la production d’eau chaude sanitaire

Si la facture comprend le chauffage électrique des ballons d’eau chaude, il faut retirer leur consommation de la consommation totale.

Une technique consiste à reprendre les consommations durant les mois d’été et d’extrapoler pour l’ensemble de l’année. On peut aussi estimer la quantité d’eau chaude sanitaire consommée à 60° :

X [m³/an] x 1,16 [kWh/m³.K] x (60 – 10) [K] = … [kWh/an]

Déduire les pertes par les ballons

Il est possible d’estimer les pertes d’énergie par les ballons de stockage.

Calculs

Pour évaluer les pertes des ballons de stockage.

Analyser la consommation de chauffage existante

consommation de chauffage = consommation totale – production d’eau chaude – pertes des ballons

Cette consommation est évaluée en kWh/an.

Remarque.

Nous avons supposé ici que la consommation était réalisée sur le tarif « exclusif nuit ». Si des résistances complémentaires sont enclenchées en relance de jour, il faut pouvoir en estimer l’importance, ce qui n’est pas aisé puisque les consommations peuvent être mélangées aux autres consommations électriques du bâtiment…

Dans le domaine domestique, une consommation moyenne de 4 000 kWh/an/ménage peut être prise en compte pour les consommations électroménagères. Mais pour le tertiaire ?

Sans doute, la meilleure méthode consiste-t-elle à multiplier le nombre de résistances d’appoint [kW] par le nombre d’heures [h] pour obtenir les [kWh] de chauffage complémentaires.

Normaliser la consommation en fonction d’une année type

Il ne faudrait pas que la décision d’investissement repose sur des chiffres de consommation d’une année particulièrement chaude ou froide. Il faut ramener la consommation à celle d’une année type moyenne.

La « règle de 3 » sera appliquée :

consom. moyenne = consom. année X x (Degrés-jours année moyenne / Degrés-jours année X)

Évaluer la demande thermique du bâtiment

La demande thermique est exprimée par :

demande = consommation moyenne x rendement de l’installation électrique

Pour le rendement d’un chauffage électrique, on peut prendre les valeurs moyennes de :

100 % pour du chauffage direct,
90 % pour du chauffage à accumulation dynamique,
80 % pour du chauffage à accumulation statique ou du chauffage électrique dans le sol.

À noter que l’on se situe du côté de la sécurité dans l’évaluation, car les rendements réels sont probablement 5 % à 10 % plus bas.

Remarque.

Si le fonctionnement actuel de l’installation génère de la surchauffe, la demande réelle du bâtiment peut être diminuée. On la diminuera de 7 % par degré de surchauffe moyenne journalière.

Attention, c’est une moyenne jour-nuit et non une surchauffe de pointe à 10h00 du matin.

Évaluer la consommation future du bâtiment

La consommation future est déduite de :

consommation = demande / rendement de l’installation au combustible

Une installation de chauffage au gaz ou au fuel moderne présente un rendement global annuel de 80 %, voire 85 % avec une chaudière gaz à condensation.

En divisant par 10 cette nouvelle consommation en kWh (c’est le pouvoir calorifique des combustibles), on obtient en première approximation le nombre de m³ de gaz ou de litres de mazout.

Études de cas

Il ya a quelques années le chauffage électrique du Centre d’Accueil de Bouge a été remplacé par une installation de chauffage par combustible.

Leur passer un coup de fil pour discuter de leur expérience ? (081 21 97 57).

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir le modèle d’isolation du plancher des combles

Le plancher léger sans aire de foulée

Dans le cas du plancher léger sans aire de foulée, l’isolation peut :

être placée entre les gîtes,
envelopper complètement le plancher,
être posée au-dessus du gîtage.

L’isolation entre les gîtes

Avantages

permet la pose ultérieure d’une aire de foulée ou d’entreposage;
encombrement minimum du plancher.

Inconvénients

difficulté d’encastrer des appareils dans le plafond;
léger pont thermique au droit des gîtes;
ajustage de l’isolant nécessaire.

Elle peut se réaliser de plusieurs façon :

L’isolation enveloppant, par le haut, l’ensemble du plancher

Avantages

pas de pont thermique au droit des gîtes;
pas de découpage de l’isolant.

Inconvénients

pose difficile;
difficulté d’encastrer des appareils dans le plafond;
ne permet pas la pose ultérieure d’une aire de foulée ou d’entreposage sans enlever l’isolant;
surface d’isolant nécessaire plus importante.

Par matelas de laine minérale

Isolation enveloppant l’ensemble du plancher non circulable.

L’isolation au-dessus du gîtage

Avantages

pas de pont thermique au droit des gîtes;
pas de découpage de l’isolant et pose facile;
possibilité d’encastrer les appareils d’éclairage dans le plafond;
permet éventuellement la pose ultérieure d’une aire de foulée ou d’entreposage sans enlever l’isolant si celui-ci résiste suffisamment à la compression.

Inconvénients

plaque de support supplémentaire;
épaisseur de plancher (isolant compris) plus importante.

Isolation continue au-dessus du gîtage
d’un plancher non circulable.

Le plancher léger avec aire de foulée

Dans le cas d’un plancher léger avec aire de foulée, l’isolation peut :

être placée entre les gîtes;
être posée au-dessus du plancher, sous l’aire de foulée.

L’isolation entre les gîtes

Avantages

encombrement minimum du plancher.

Inconvénients

difficulté d’encastrer des appareils dans le plafond;
léger pont thermique au droit des gîtes;
ajustage de l’isolant nécessaire.

Par panneaux de laine minérale semi-rigide entre les gîtes

Isolant semi-rigide
entre gîtes d’un plancher circulable.

Par matelas à languettes entre les gîtes

Matelas isolant avec languettes
entre gîtes d’un plancher circulable.

Par panneaux rigides entre les gîtes

Panneaux isolants rigides entre gîtes
d’un plancher circulable.

Par flocons ou granulés d’isolant entre les gîtes

Isolant posé en vrac entre les gîtes
d’un plancher circulable.

L’isolation au-dessus du plancher et sous l’aire de foulée

Avantages

pas de pont thermique au droit des gîtes dans le cas où l’isolant est rigide et ne nécessite pas de lambourdes;
pas de découpage de l’isolant et pose facile dans le cas où l’isolant est rigide et ne nécessite pas de lambourdes;
possibilité d’encastrer les appareils d’éclairage dans le plafond;

Inconvénients

plaque de support supplémentaire;
épaisseur de plancher (isolant compris) plus importante.

Par isolants souples ou semi-rigides entre lambourdes

Isolation entre lambourdes au-dessus
du gîtage d’un plancher circulable.

Par panneaux isolants rigides

Isolation continue au-dessus
du gîtage d’un plancher circulable.

Le plancher lourd sans aire de foulée

Dans le cas du plancher lourd sans air de foulée, l’isolant doit de préférence être placé au-dessus du plancher lourd. Il est vivement déconseillé de placer l’isolant sous le plancher lourd.

L’isolation au-dessus du plancher lourd

Avantages

pas de pont thermique;
pas de découpage de l’isolant et pose facile;
le plancher lourd ne subit pas de contraintes internes dues à une variation importante de température;
permet éventuellement la pose ultérieure d’une aire de foulée ou d’entreposage sans enlever l’isolant si celui-ci résiste suffisamment à la compression.

L’isolation au-dessus du plancher lourd se fait :

Par matelas de laine minérale sur le plancher

Matelas isolant au-dessus
d’un plancher lourd non circulable.

Par panneaux rigides sur le plancher

Isolant rigide au-dessus
d’un plancher lourd non circulable.

Par flocons ou granulés d’isolant sur le plancher

Isolant posé en vrac au-dessus
d’un plancher lourd non circulable.

Le placement de l’isolant sous le plancher (une solution à éviter !)

Avantages

l’aire de foulée est facile à aménager plus tard.

Inconvénients

ponts thermiques à l’aplomb des murs porteurs;
pose difficile de l’isolant au plafond;
le plancher lourd subit des contraintes internes dues à une variation importante de température;
difficulté de placer correctement le pare-vapeur par le dessous. D’où risque de condensation interne.

Le plancher lourd avec aire de foulée

Dans le cas du plancher lourd avec air de foulée, l’isolant doit de préférence être placé au dessus du plancher lourd, sous l’aire de foulée.
Il est vivement déconseillé de placer l’isolant sous le plancher lourd.

L’isolation au-dessus du plancher lourd

Avantages

pas de pont thermique;
pas de découpage de l’isolant et pose facile;
le plancher lourd ne subit pas de contraintes internes dues à une variation importante de température;

Inconvénients

l’aire de foulée est moins solide que la dalle brute.

L’isolation au-dessus du plancher lourd se fait :

Par isolants souples ou semi-rigides entre lambourdes

Isolation entre lambourdes au-dessus
d’un plancher lourd circulable.

Par panneaux rigides sur le plancher lourd

Isolant rigide au-dessus
d’un plancher lourd circulable.

L’isolation sous le plancher lourd circulable (Une solution à éviter !)

Avantages

une aire de foulée très solide et facile à aménager.

Inconvénients

ponts thermiques à l’aplomb des murs porteurs;
pose difficile de l’isolant au plafond;
le plancher lourd subit des contraintes internes dues à une variation importante de température.

Remarque générale relative à l’étanchéité à l’air du plancher

Dans tous les cas, l’étanchéité à l’air du plancher des combles doit être assurée de manière à éviter « la condensation interne par transport de vapeur par convection ».

Cette étanchéité est en général assurée lorsque le plancher est une dalle en béton.

Elle est forcément garantie si l’on pose un pare-vapeur correctement sous l’isolant.

Sinon, cette étanchéité à l’air peut être obtenue, par un plafonnage ou par des plaques de carton-plâtre correctement rejointoyées sous le plancher léger.

Le plafond n’est pas étanche à l’air lorsqu’il est constitué de planchettes de bois. Dans ce cas les planchettes doivent être doublées par un écran étanche à l’air.

Il ne l’est, bien sûr, pas non plus dès que la dalle en béton, le pare-vapeur, la finition intérieure ou l’écran d’étanchéité à l’air est perforé pour permettre le passage de conduites électriques ou pour une autre raison.

Si la présence de canalisation est nécessaire, celles-ci passeront dans un vide technique aménagé entre la finition intérieure et la couche de matériau sensée assurer l’étanchéité à l’air.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir la technique d’isolation d’un mur

La qualité hygrothermique recherchée

Continuité de l’isolation

Avec une isolation par l’intérieur, la continuité de l’isolation est très difficile à assurer au droit des murs de refend, des planchers, des fondations, des plafonds et des balcons. Avec une isolation par l’extérieur, la continuité de l’isolation est plus facile à assurer; seul le pont thermique au droit d’un balcon reste difficile à éviter. Dans les deux systèmes d’isolation, des précautions particulières doivent être prises au niveau des baies (linteaux, seuils, retours de baies). L’isolant insufflé dans la coulisse d’un mur creux ne sera continue que si cette coulisse n’est pas interrompue par les liaisons structurelles ou autres entre le parement et le mur porteur.

L’importance des ponts thermiques dans une isolation par l’intérieure, va, non seulement, engendrer des risques de condensation superficielle mais augmente également les déperditions calorifiques.

Isolation par l’extérieur et par l’intérieur.

Exemple.

Dans des immeubles collectifs à structure lourde, on a calculé que l’isolation par l’extérieur engendrant 2 à 3 fois moins de ponts thermiques que l’isolation par l’intérieur, une épaisseur de 5 cm équivalait à une épaisseur d’isolation intérieure de 7 à 10 cm au niveau des déperditions thermiques globales du bâtiment.

Inertie thermique

L’isolation par l’extérieur ou dans la coulisse permet de conserver l’accessibilité et donc d’utiliser l’inertie thermique des murs extérieurs, ce qui engendre des variations moins rapides du climat intérieur des locaux. L’inertie permet ainsi de limiter les surchauffes en été.

Le mur de façade, lorsqu’il est isolé par l’intérieur, ne peut plus accumuler puis restituer la chaleur (ou la fraîcheur) intérieure, ce qui diminue l’inertie thermique du bâtiment et est favorable en cas d’occupation intermittente.

Contraintes hygrothermiques dans le gros-œuvre

Un système d’isolation par l’extérieur protège le gros-œuvre des pénétrations de pluie, des variations importantes de température journalière et saisonnière ainsi que du gel et donc des contraintes hygrothermiques qui les accompagnent.

Avec une pose d’un isolant par l’intérieur, au contraire, les variations de température journalières et saisonnières sont amplifiées, engendrant des contraintes résultant des variations thermiques et des alternances d’humidification et de séchage des maçonneries. Dans ces conditions, des fissures résultant de mouvements hygrothermiques peuvent difficilement être évitées.

Ces mêmes contraintes peuvent se produire dans le parement lorsqu’on insuffle de l’isolant dans la coulisse. On vérifiera au moins par un test que la brique du parement n’est pas gélive.

L’importance des travaux que l’on est prêt à réaliser

L’isolation par l’extérieur ou dans la coulisse permet de ne pas devoir déplacer les conduites et appareils électriques, sanitaires et de chauffage. Par contre, lorsqu’on isole par l’extérieur, étant donné la surépaisseur, des problèmes d’alignement extérieurs doivent être résolus, par exemple au droit des gouttières, des descentes d’eau, des raccords avec les propriétés voisines ou publiques.
Les seuils en pierre doivent être remplacés par des seuils moins épais.
Dans certains cas (exemple : dormant des châssis trop fins, …), il faut remplacer les châssis ou tailler dans les maçonneries.

L’isolation par l’intérieur nécessite le déplacement des appareils électriques, sanitaires et de chauffage placés du côté des murs de façade.

En outre, l’isolation par l’intérieur permet d’isoler un ou plusieurs locaux mais pas nécessairement l’ensemble du bâtiment.

L’esthétique et les contraintes urbanistiques

L’isolation par l’extérieur modifie, en général, l’aspect extérieur du bâtiment. Une demande de permis d’urbanisme est nécessaire. Si le revêtement extérieur est vétuste, ce système améliore l’aspect extérieur.

Remarque : de par son épaisseur, l’isolant posé à l’extérieur fait apparaître les châssis plus enfoncés dans la façade. De même, suivant la pose au niveau du linteau et du retour de baie, la hauteur du dormant du châssis peut paraître moins importante.

Vu les risques liés à l’isolation par l’intérieur, cette technique ne peut se justifier que lorsque l’aspect extérieur doit rester inchangé (briques ou pierres « de caractère »….).

Notons cependant que l’évolution des besoins en matière d’isolation thermique des bâtiments va engendrer nécessairement une modification dans l’expression architecturale extérieure de ceux-ci. Cette évolution est comparable à celle qu’a connu le bâti au cours des siècles suites à l’évolution des techniques constructives et de chauffage, de la densité de la population et des exigences de confort.

L’isolation par remplissage de la coulisse ne modifie en rien l’esthétique de la façade, ni l’aspect de la finition à l’intérieur du bâtiment. Son efficacité est cependant limitée par l’épaisseur disponible pour l’isolant.

L’espace intérieur disponible

L’isolation par l’intérieur diminue l’espace intérieur disponible.

Exemple.

On isole un bâtiment par l’intérieur. Un local de (7 x 4) m², soit 28 m², par exemple, dont 2 des murs sont des murs de façade, une épaisseur de 10 cm d’isolant + finition diminue la surface au sol de 1,09 m², soit 4 %.

Certains locaux étroits peuvent devenir inutilisables. Un WC large de 90 cm se retrouve après transformation large de 78 cm. Et la tête de mur d’un côté de la porte doit être refaite.

Problème de l’isolation par l’intérieur des locaux étroits.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Protections intérieures

Les stores enroulables et les stores plissés

Description

Le mécanisme des stores enroulables intérieurs est similaire à celui de leurs homologues extérieurs.

Les stores plissés peuvent être à simple ou double paroi (structure alvéolaire). Ils associent une certaine esthétique à la protection.

Facteur solaire

Le facteur solaire d’un ensemble vitrage-store intérieur dépend de la composition de la toile :

Composée de feuilles réfléchissantes : FS associé à du double vitrage clair = … 0,2 …
En tissu (semblable aux stores extérieurs) en simple ou double paroi : FS associé à du double vitrage = 0,33 .. 0,55.

en fonction de la couleur et du coefficient d’ouverture de la toile. A même coefficient d’ouverture, plus le store est foncé, moins la protection est efficace. Pour que la protection solaire soit la plus efficace possible contre les surchauffes, on cherchera donc des toiles avec un coefficient de réflexion élevé (couleurs claires).

Transmission lumineuse

D’une manière générale :

TL = 0,02 .. 0,08 pour les stores réfléchissants et 0,04 .. 0,38 pour les stores en tissu.

La transmission lumineuse dépend de la couleur et du coefficient d’ouverture du store. Plus celui-ci sera clair, plus la lumière transmise sera importante. Remarquons que la transmission lumineuse de certains stores réfléchissants peut être insuffisante pour assurer un éclairage naturel lors du déploiement.

Pouvoir isolant

Dans le cas de stores en tissu, le coefficient U d’un double vitrage peut diminuer de 10 (tissu simple) à 25 % grâce à l’adjonction de la protection. Notons que l’ajout d’une protection intérieure permet aussi d’augmenter le confort de l’occupant à proximité de la fenêtre en coupant l’effet de rayonnement « froid » (particulièrement important pour les vitrages simples ou doubles anciens).

Moduler la protection par rapport aux besoins

Les possibilités de modulation sont semblables au cas des stores extérieurs. Les stores plissés sont généralement manœuvrés manuellement. Tandis que les stores enroulables peuvent être motorisés et automatisés

Notons que certains fabricants proposent des stores pouvant être rétractés soit en partie supérieure, soit en partie inférieure de la fenêtre. Ceci est un plus en matière de gestion de l’éclairage naturel. En effet, la partie haute de la fenêtre joue un rôle important en matière de distribution de la lumière en profondeur dans les locaux.

Résister aux contraintes mécaniques et à l’encrassement

Les stores intérieurs ne sont évidemment pas soumis aux perturbations extérieures. Ceci élimine un des objectifs d’une automatisation éventuelle si on ne doit pas craindre le vandalisme (lieux publics).

Possibilité de ventilation naturelle des locaux

Les fabricants risquent de ne pas couvrir une détérioration du store due à l’ouverture d’une fenêtre (air s’infiltrant entre la protection et le vitrage du fait de fenêtres voisines ouvertes pour les stores solidaires de l’ouvrant, courant d’air ou ouverture subite de la fenêtre pour les stores fixés au dormant ou au linteau).

Placement possible en rénovation sur une fenêtre existante

Les stores ne modifient en rien l’aspect extérieur du bâtiment.

Ils peuvent être fixés au dormant ou à l’ouvrant de la fenêtre ou encore au linteau.

Dans le cas de fenêtres ouvrantes, la place disponible doit être suffisante pour conserver la liberté d’ouverture lorsque le store est relevé. Lorsque le store est fixé au dormant ou au linteau, l’ouvrant ne peut heurter ni le store roulé, ni les guides éventuels. Lorsque le store est solidaire de l’ouvrant, les charnières latérales de la fenêtre doivent se situer suffisamment loin des retours de fenêtre pour garantir une ouverture complète.

Les stores plissés peuvent en outre s’adapter aux fenêtres de forme non rectangulaire.

Vision au travers et intimité des occupants

Les stores extérieurs modifient la vue de et vers l’intérieur de la pièce..

Pour les stores enroulables de type toile (screen), cette propriété dépendra à la fois de la couleur et du coefficient d’ouverture de la toile : à même coefficient d’ouverture, une toile foncée permettra une meilleur vue au travers. A même couleur, une toile avec un coefficient d’ouverture plus élevé permettra une meilleure vue au travers.

Exemple : vues au travers de différentes protections solaires enroulables de type « toile »

	Vue au travers de jour depuis l’intérieur	Vue au travers de nuit depuis l’extérieur
Noir Coefficient d’ouverture (C.O.) : 3.3
Noir C.O.:19.8
Blanc C.O. :4.3
Blanc C.O. :12.1

Source : Projet PROSOLIS UCL-CSTC financé le SPW). Publié dans CSTC Contact 2014/3. Outil d’aide au choix des protections solaires disponible sur : www.prosolis.be.

Les stores à lamelles et les stores vénitiens

Description

Les stores à lamelles verticales et les stores vénitiens peuvent être considérés comme un mode semblable de protection.

Les premiers sont composés de lames verticales orientables et escamotables de part et d’autre de la fenêtre, en aluminium laqué ou en tissu (semblable au tissu des stores enroulables).

Les stores vénitiens comportent des lames horizontales orientables en aluminium laqué, matière plastique ou bois. Certains stores peuvent avoir des lamelles perforées. Les stores peuvent être remontés ou abaissés selon les désirs. La largeur des lames peut être choisie en fonction de l’effet esthétique recherché.

Facteur solaire

D’une manière générale : FS associé à un double vitrage = 0,36 .. 0,60

Le degré de protection dépend entre autres de la couleur du store. Plus les lames seront de couleur claire et réfléchissante, plus la protection sera importante.

Les stores à lamelles ou vénitiens intérieurs offrent une protection souvent insuffisante contre les surchauffes.

Leur impact sur le confort thermique des occupants se limite principalement (ce qui peut être suffisant en fonction des besoins) à ‘couper’ le rayonnement chaud en provenance du vitrage ensoleillé.

Le choix de ce type de store sera principalement commandé par des objectifs visuels et/ou esthétiques.

Transmission lumineuse

Le principal objectif de ce type de store est de gérer l’éclairement naturel d’un local. La quantité de lumière transmise à l’intérieur d’un local dépendra de l’orientation des lames que choisira l’utilisateur en fonction de ses besoins.

Comme pour les stores vénitiens extérieurs, une orientation judicieuse des lames permettra de diffuser la lumière plus profondément dans les locaux tout en protégeant les occupants de l’éblouissement aux abords des fenêtres.

Certains stores en tissu conservent une certaine transparence lorsque les lamelles sont complètement fermées. Dans ce cas, ils ont une TL semblable aux stores enroulables en tissu.

Exemple : Un store vénitien avec des lames de 16 mm.

Pouvoir isolant

L’impact de la protection sur les déperditions du vitrage sera faible.

Moduler la protection par rapport aux besoins

La modulation de la protection est la propriété principale des stores à lames orientables. L’adaptation aux besoins peut se faire tant par retrait (latéral ou vertical en fonction du type de store) que par inclinaison des lamelles.

La manipulation des protections peut être réalisée grâce à des cordons, des chaînettes ou des manivelles ou peut être motorisée, ce qui facilite l’utilisation.

Résister aux contraintes mécaniques et à l’encrassement

Les stores à lamelles, étant intérieurs, sont peu soumis aux contraintes mécaniques.

Possibilité de ventilation naturelle des locaux

L’ouverture des fenêtres sera parfois malaisée lorsque l’on veut profiter de la protection. En effet, la protection sera souvent fixée à la partie fixe de la fenêtre (linteau, dormant). Pour les fenêtres basculantes, certains fabricants proposent des stores solidaires de l’ouvrant et des guides qui permettent l’ouverture tout en conservant la protection.

Placement possible en rénovation sur une fenêtre existante

Comme pour la plupart des protections intérieures, le placement des stores derrière des fenêtres existantes ne pose guère de problème.

Intimité des occupants

En fonction de l’orientation des lamelles, il est souvent possible de conserver une vue de l’intérieur vers l’extérieur tout en limitant les indiscrétions.

Les films adhésifs

Description

Un film est apposé de façon indélébile (le décollement du film est possible mais très difficile) sur une face du vitrage (généralement à l’intérieur).

Facteur solaire

La pose d’un film permet de réduire les gains solaires à travers de la fenêtre de 10 à 80 % en fonction du film choisi.
Dans certaines conditions défavorables, la pose d’un film peut entraîner le bris du vitrage sous les contraintes thermiques. Pour prévenir ce problème, il faut :

Choisir parmi les produits présents sur le marché et apportant une protection solaire satisfaisante, des films dont les capacités à absorber la chaleur sont très réduites (choisir les couleurs claires et très réfléchissantes).
Procéder à un examen de l’état des menuiseries et du vitrage. Un vitrage qui n’a pas de possibilité de dilatation (coincé dans le châssis, joints durcis, … ) risque de se briser.

Pour prévenir tout désagrément ultérieur, des garanties et un examen de sa propre situation peuvent être demandés aux fabricants de films.

Remarquons que le problème de tensions thermiques dans le vitrage est surtout crucial lorsque le film est placé à l’intérieur. En position extérieure, le film réfléchit le rayonnement avant qu’il n’atteigne le vitrage, évitant ainsi l’échauffement du verre.

Transmission lumineuse

Il faut évidemment considérer que lorsque la transmission énergétique au travers de la protection diminue, la transmission lumineuse diminue aussi.

D’une manière générale : TL = 0,04 ..0,80

Pouvoir isolant

Certains films sont dits « à basse émissivité ». Ils réfléchissent le rayonnement de chaleur vers l’intérieur. Leur application permet une diminution des pertes en énergie au travers d’un vitrage pouvant aller jusqu’à 30 %.

Il n’existe pas de relation entre le pouvoir isolant du film et son facteur solaire.

Moduler la protection par rapport aux besoins

La modulation est par définition nulle. De plus, on peut considérer que la protection est placée de façon indélébile. Après installation, un enlèvement ultérieur n’est souvent plus possible.

Ceci implique une réflexion préalable au choix des caractéristiques du film, ce choix ne pouvant plus être modifié après la pose.

Résister aux contraintes mécaniques et à l’encrassement

La plupart des films sont apposés sur la face intérieure du vitrage et ne sont soumis a priori à aucune contrainte mécanique. Le nettoyage de la vitre avec film est semblable au nettoyage de la vitre non protégée.

Certains films sont prévus pour une pose extérieure. Des garanties quant à leur résistance aux contraintes extérieures sont à demander aux fabricants.

Il existe des films qui associent protection solaire et protection du vitrage en cas de choc. Ces films sécurité constituent une défense contre les effractions et limitent les risques résultant des bris de verre.

Possibilité de ventilation naturelle des locaux

Les possibilités d’ouverture des fenêtres après pose du film restent inchangées.

Placement possible en rénovation sur une fenêtre existante

La pose de films protecteurs s’applique typiquement à la rénovation. Elle permet de corriger un mauvais choix des caractéristiques des vitrages.

La mise en place de la protection est rapide et ne demande pas de travaux lourds.

La possibilité de coller certains films sur la face extérieure du vitrage facilite certaines rénovation comme par exemple la protection des fenêtres de toit élevées.

L’aspect du film (couleur, réfléchissant, …) modifiera l’aspect extérieur du bâtiment, lui apportant parfois un « plus » esthétique. Par contre la forme de l’enveloppe du bâtiment est totalement inchangée.

Intimité des occupants

Certains films permettent une vue de l’intérieur vers l’extérieur mais pas l’inverse.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Moteurs pour ventilateurs

Plaque signalétique

Exemple de plaque signalétique de moteur électrique.

Types de moteur

Les moteurs asynchrones

Moteur monophasé (puissance < 1 kw)	1^~
Moteur triphasé (puissance > 1 kW)	3^~

Les moteurs asynchrones sont alimentés directement par le réseau électrique en 1 x 230 V, 3 x 230 V ou 3 x 380 V.

Dans le moteur à cage d’écureuil (triphasé ou monophasé), le rotor est composé d’un cylindre feuilleté muni d’encoches dans lesquelles sont logées des barres, reliées des deux côtés par des couronnes qui les mettent en court-circuit. Pour que le moteur tourne, il faut que la fréquence de rotation du rotor soit plus faible que celle du champ tournant, c’est pourquoi le rotor tourne de façon asynchrone.

Le rendement du moteur dépend pour une part de la place disponible pour monter les bobinages du stator. Ceci explique pourquoi les moteurs à plusieurs enroulements séparés (deux ou trois vitesses) ont des rendements plus faibles.

Les moteurs à rotor extérieur sont largement répandus dans le domaine de la ventilation. Comme le bobinage se trouve dans le cœur du moteur, il est en règle générale nécessaire de restreindre sa taille. Le rotor extérieur tourne autour du stator qui lui reste fixe. Ceci présente un avantage pour la construction, car la roue du ventilateur peut être fixée directement sur le moteur.

Ce type de construction a l’avantage de supprimer la courroie de transmission toujours source de pertes d’énergie. Par contre, pour pouvoir diffuser largement ce type de moteurs, il fallait lui adjoindre un système permettant de régler la vitesse de rotation. Ceci est réalisé couramment à l’aide de systèmes de réglage agissant sur le glissement du moteur par réduction de la tension d’alimentation. La plupart de ces systèmes de réglage occasionnent des pertes d’énergie considérables et créent des harmoniques.

Les moteurs à courant continu

Les moteurs à courant continu sans balais sont apparus depuis peu sur le marché. La conversion du courant alternatif du réseau en courant continu est intégrée au moteur.

Ventilateur à entraînement direct et moteur à courant continu.

Pour les petites puissances (environ jusqu’à 1 kW), ces moteurs ont des rendements supérieurs aux moteurs à courant alternatif (jusqu’à 85%). Étant donné l’absence de balais, ils ne présentent plus d’usure mécanique et demandent très peu d’entretien (absence de balai).

L’amélioration sensible du rendement du moteur à courant continu s’explique par la suppression des pertes de glissement, des pertes d’excitation et la diminution des pertes dans le cuivre.

Les moteurs à courant continu offrent en outre des possibilités de réglage importantes de la vitesse (par action sur la tension), sans grande perte de rendement : par exemple, lorsque l’on passe de 1800 tr/min à 300 tr/min, le rendement passe de 85 % à 60 %. Ceci facilite évidemment le réglage du débit après installation, tout en profitant d’un moteur à entrainement direct, c’est-à-dire sans perte au niveau des courroies (un moteur triphasé à entraînement direct nécessite un variateur de vitesse pour son réglage ou d’autres systèmes plus énergivores).

Les moteurs à courant continu peuvent aussi bien être construits avec rotor intérieur qu’avec rotor extérieur. Les moteurs à rotor extérieur seraient, par leur compacité, bien indiqués dans la fabrication de ventilateurs. Ils peuvent être montés directement dans la roue du ventilateur. On peut ainsi supprimer la transmission par courroie tout en ayant de bons rendements.

Notons que les moteurs à courant continu ont les mêmes dimensions que les moteurs à courant alternatif et sont donc interchangeables, indépendamment du remplacement du ventilateur.

Normalisation

Les dimensions principales des moteurs ont été standardisées par les normes CENELEC (Comité européen de normalisation électrotechnique) et CEI (Commission électrotechnique internationale). Cette standardisation concerne les hauteurs et diamètres d’axe, les dimensions des supports, … . Elle assure donc l’interchangeabilité des moteurs entre les différentes marques.

Classification

La classification des moteurs est effectuée en fonction de la hauteur d’axe, d’un indice (S, M, L) décrivant la longueur de l’exécution et en fonction de la puissance nominale qui dépend elle encore du degré de protection.

Moteurs à cage d’écureuil à 4 pôles
Hauteur d’axe (mm)	Puissance nominale (kW)
	IP54	IP23
56	0,06	–
56	0,09	–
63	0,12	–
63	0,18	–
71	0,25	–
71	0,37	–
80	0,55	–
80	0,75	–
90S	1,1	–
90L	1,5	–
100L	2,2	–
100L	3	–
112M	4	–
132S	5,5	–
132M	7,5	–
160M	11	11
160L	15	15
160L	–	18,5
180M	18,5	22
180L	22	30
200M	–	–
200L	30	37
225S	37	45
225M	45	55

Puissance à l’axe

La puissance à l’axe, appelée aussi puissance moteur est la puissance utile au ventilateur. La puissance absorbée au réseau électrique et facturée par le distributeur est égale à la puissance moteur divisée par le rendement du moteur.

Degré de protection

Le degré de protection est repéré par l’abréviation IP suivie de 2 chiffres. Le premier chiffre représente la protection contre les contacts accidentels et l’introduction de particules solides et le deuxième chiffre représente la protection contre l’introduction de particules liquides.

Moteur	Degré de protection	1er chiffre		2ème chiffre
		Contre les contacts accidentels	Contre l’introduction de solides	Contre l’introduction de liquides
Refroidissement interne	IP21	contact avec les doigts	corps étrangers de taille moyenne d > 12 mm	eau en gouttelettes verticales
	IP22			eau en gouttelettes obliques (max 15°)
	IP23			eau de pluie (max 60°)
Refroidissement en surface	IP44	contact avec des outils et autres objets	petites particules d > 1 mm	projections d’eau de toutes directions
	IP54	protection totale contre les contacts accidentels	dépôts de poussière	projections d’eau de toutes directions
	IP55			jets d’eau dans toutes les directions
	IP65		étanche à la poussière	jets d’eau dans toutes les directions
	IP67			immersion

Système de refroidissement et classe d’isolation

La classe d’isolation définie selon CEI 85 indique la température maximum que peut atteindre le moteur.

Les moteurs de construction standard sont prévus pour une utilisation à température ambiante maximale de 40°C (et une altitude maximale du site de 1 000 m). Tout écart nécessite une correction des puissances nominales.

Température maximale admissible par le moteur (température ambiante 40°C + température d’échauffement)
Classe d’isolation	E	B	F	H
Température limite du bobinage	115°C	130°C	155°C	180°C

Lorsque le moteur est exposé à des températures ambiantes différentes de 40°C, on corrige la puissance à l’aide de la formule indiquée ci-après. Le facteur de correction dépend de la classe d’isolation. Il est ici indiqué pour les classes les plus courantes qui sont B et F.

P_M= C_t x P_N P_M= Puissance à température ambiante t P_N= Puissance nominale du moteur à 40°C CT = Facteur de correction pour la température t	Temp.ambiante t	Facteur de correction CT pour la classe d’isolation
	Temp.ambiante t	B	F
	30°C	1,06	1,05
	35°C	1,03	1,02
	40°C	1,00	1,00
	45°C	0,96	0,97
	50°C	0,92	0,94
	55°C	0,87	0,91
	60°C	0,82	0,87

Lors du choix du moteur, il ne faut pas oublier que c’est la puissance absorbée par la machine qui détermine la puissance délivrée par le moteur et donc aussi la puissance absorbée au réseau. Il faut donc prendre garde à ce que le moteur ait une puissance suffisante pour satisfaire dans toutes les situations les besoins de la machine qu’il entraîne.

Exemple.

Prenons un ventilateur ayant une puissance absorbée de 12 kW. Le moteur fournira ces 12 kW, indépendamment du fait qu’il soit conçu pour 10 kW ou 15 kW. Un moteur de 10 kW, devant fonctionner à 40°C, serait donc toujours surchargé de 20 %.

La conséquence directe d’une surcharge du moteur est une augmentation de la température du bobinage. Lorsqu’elle dépasse la température limite prévue qui assure pour la classe d’isolation choisie une durée de vie acceptable (30 000 h), la durée de vie de l’isolation diminue. Un dépassement de la température limite de 8-10°C, diminue la durée de vie de l’isolation d’environ la moitié. Des dépassements de 20°C signifient un raccourcissement de 75 %.

Une augmentation de la durée de vie d’un facteur 4 peut être obtenue en prenant le même moteur avec une classe d’isolation F, au lieu B.

Type de raccordement électrique

Lorsque la plaque signalétique d’un moteur triphasé indique la tension aussi bien pour un couplage en étoile que pour un couplage en triangle, cela signifie que le moteur peut être employé pour par exemple 220 V, mais aussi pour 380 V. A 220 V, le bobinage doit être raccordé en triangle. A 380 V, il est branché en étoile.

Tensions d’un réseau triphasé (L1, L2, L3 : 3 phases, N : neutre).

Couplage triangle 230 V et couplage étoile 400 V .

Caractéristiques de démarrage

À l’enclenchement, le moteur développe un couple de démarrage, et un courant de démarrage nécessaire à la mise en mouvement des masses et à l’accélération du moteur jusqu’à la vitesse nominale. Pendant la phase d’accélération, le courant diminue pour atteindre le courant nominal si le fonctionnement est à charge nominale.

La valeur du couple de rotation maximum (couple de décrochage) est une mesure de la capacité de surcharge possible du moteur, surcharge qui ne peut toutefois être sollicitée que pendant une courte durée pour des raisons thermiques.

Le démarrage provoque un échauffement important du moteur à cause de l’augmentation du courant pendant cette phase.

Le temps de démarrage dépend de l’inertie de la masse en mouvement, de la vitesse de rotation finale et du couple d’accélération du moteur.

Aides pour le démarrage

Plusieurs modes de démarrage sont disponibles pour adoucir le démarrage. La majorité des distributeurs d’électricité interdisent le démarrage direct de moteurs dont la puissance nominale est supérieure à 3 – 5 kW.

Avec le démarrage étoile-triangle, le moteur, par exemple bobiné pour 400 V. est mis en marche avec les bobines commutées en étoile. Pour cela, on ponte ensemble une des extrémités de chacune des trois bobines à l’aide d’un contacteur. Les trois autres extrémités sont connectées aux trois phases du réseau. La tension par bobinage est ainsi diminuée d’un facteur 1,73. Par conséquent, le courant est plus faible et le démarrage plus lent. Après un certain temps, on commute les bobines en triangle et le moteur fonctionne avec sa tension nominale et son courant nominal jusqu’à ce que couple moteur et couple résistant s’équilibrent pour établir le point de fonctionnement.

La pointe de courant qui survient au passage étoile/triangle n’est toutefois pas beaucoup plus petite que pour un démarrage direct. Sa durée est par contre beaucoup plus courte.

On peut aussi assurer un démarrage doux si on prévoit une régulation de vitesse du moteur ou une variation de la fréquence.

Vitesse de rotation

La vitesse de rotation (n) d’un moteur asynchrone dépend de la fréquence du réseau (f), du nombre de paires de pôles du moteur (P) et du glissement (s) :

n [tr/min] = f [Hz ] x 60 x (1-s [-]) / P [-]

Le glissement s = (n_s– n) / NS où NS est la vitesse synchrone et n la vitesse asynchrone. Il est proportionnel à la charge et proportionnel au carré de la tension d’alimentation.

La vitesse reprise sur la plaque signalétique correspond à la vitesse pour laquelle la puissance à l’axe du moteur est absorbée.

Rendement du moteur

Les données de la plaque signalétique, correspondant à un fonctionnement en régime, permettent de calculer le rendement à la puissance nominale :

η = P / (1,73 x U x I x cos φ)

ou,

η = Rendement [-],
P = Puissance [W],
U = Tension [V],
I = Courant [A],
cos φ = Facteur de puissance.

Exemple.

À partir de la plaque signalétique ci-dessus :

η = 4 000 / (1,73 x 400 x 8,1 x 0,9) = 0,79

Les pertes au niveau des moteurs asynchrones sont constituées

des pertes par effet joule dans les bobinages parcourus par le courant au niveau du stator (pertes cuivre et pertes fer),
des pertes dans d’induit au niveau du rotor,
des pertes par frottement et ventilation au niveau du rotor.

Les rendements donnés par les fabricants tiennent compte de toutes ces pertes.

Le rendement d’un moteur électrique est fortement influencé par sa puissance nominale. Cela signifie que le rendement atteignable augmente avec la puissance nominale du moteur. Dans la pratique le rendement d’un moteur asynchrone se situe entre 58 % et 96 % en fonction de la taille du moteur.

Le moteur à cage d’écureuil (même monophasé) a des rendements meilleurs que les moteurs à rotor en disque ou à rotor extérieur.

Ceci d’autant plus que la vitesse de ces derniers est réglée par un simple réglage de la tension d’alimentation, système de réglage présentant des pertes importantes.

Pour tous les moteurs, le rendement chute assez fort lorsqu’ils travaillent à charge partielle. Il faut donc se méfier des rendements maximums indiqués sans les rendements à charge partielle pour plusieurs points de fonctionnement différents.

Au niveau constructif, les rendements des moteurs asynchrones peuvent être améliorés par

La réduction des pertes du bobinage du stator en augmentant la section du cuivre.
La réduction des pertes dans le fer du stator en utilisant des aciers de meilleure qualité.
Une meilleure ventilation.
L’amélioration des roulements et du graissage.

Rappelons ici que les nouveaux moteurs à courant continu présentent des rendements nettement plus importants que leurs homologues asynchrones.

Facteur de puissance

Le moteur à induction ne tire pas seulement du réseau, de la puissance active qu’il transforme en travail mécanique, mais aussi de la puissance réactive nécessaire à l’excitation, mais avec laquelle il ne fournit pas réellement du travail. Il en résulte un cos φ inférieur à 1.

Suivant la taille du moteur et le nombre de pôles, la valeur de cos j se trouve entre 0,6 (pour petits moteurs et nombre de pôles élevés) et 0,9 (pour grands moteurs et petit nombre de pôles).

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Améliorer la régulation du chauffage électrique

Remplacer le thermostat d’ambiance

Si la température intérieure a tendance à osciller (période de chaud et froid), c’est probablement parce que le thermostat est du type « tout ou rien ». On le remplacera avantageusement par un régulateur électronique équipé d’un différentiel très faible et travaillant par régulation proportionnelle (= il commence à diminuer l’intensité du chauffage à partir du moment où la température d’ambiance se rapproche de la consigne).

Il faut vérifier la position du thermostat qui n’est peut-être pas fidèle des besoins réels du local.

Concevoir

Pour plus d’informations sur les thermostats électroniques et leur emplacement.

Vérifier la gestion des batteries de chauffes terminales

Dans les bâtiments récents, vu l’isolation renforcée, les puissances de chauffage sont faibles. Pour limiter les coûts d’investissement, on est alors tenté d’installer un appoint électrique sur les unités terminales (bouches d’air, ventilo-convecteurs, …). Le courant utilisé étant forcément du courant de jour, il est très utile de vérifier la qualité de la régulation du chauffage des résistances :

point de consigne du thermostat,
gestion du niveau de préchauffe éventuelle, préchauffe commune à l’ensemble du réseau,
besoin de mettre en place d’une telle préchauffe par une batterie classique alimentée à l’eau chaude,
destruction d’énergie entre deux unités distinctes (chauffage de l’air de ventilation par la résistance de bouche et refroidissement du local par le plafond froid, par exemple)
…

Améliorer le régulateur de charge

Placer un régulateur de charge automatique en fonction de la température extérieure

Si vous disposez d’un régulateur manuel, vous ne pouvez demander que 3 niveaux de charge à votre appareil (bouton à 3 positions). Vu les incertitudes du climat de nos régions, par précaution, la position 3 risque d’être trop souvent adoptée, entraînant soit des surchauffes du local par pertes statiques, soit une prolongation de la durée de chauffe la nuit, sans utilité.

Le placement d’un régulateur de charge automatique en fonction de l’évolution de la température extérieure est très rentable : il mesure la température de la nuit et définit un niveau de charge (= une température de chauffage des noyaux) proportionnellement au froid mesuré.

Améliorer le réglage des paramètres de chauffe

D’expérience, les installateurs règlent les appareils de telle sorte que jamais leur client ne puissent se plaindre d’avoir froid. Autrement dit, ils favorisent une charge élevée. Il est donc utile de revoir les paramètres de cette régulation de telle sorte que, idéalement, « l’appareil soit froid en fin de journée ». Tout particulièrement si le bâtiment n’est plus occupé en fin de journée. Quitte à jouer de temps à autre avec la résistance directe d’appoint, si une réunion est programmée un soir…

En pratique, les réglages de base qui dépendent de la situation/orientation du bâtiment, des heures de libération de charge, etc… ont été faits par votre installateur. Vous disposez néanmoins du bouton de réglage « E2 », réglage dit « du début de charge ». C’est la température extérieure qui entraîne l’enclenchement de la charge la nuit. Le réglage-standard est « E2 = température de confort – 2°C ». Autrement dit, la charge s’enclenche s’il fait moins de 18° la nuit à l’extérieur ! c’est généralement trop élevé.

En cas d’excès de charge (pendant l’entre-saison, par exemple), corrigez le réglage E2 en le diminuant de 2°C.

En cas de charge insuffisante au contraire, corrigez le réglage E2 en l’augmentant de 2°C.
Il y a lieu de remarquer qu’une modification du réglage E2 n’aura un effet que le lendemain.

Mais bien d’autres paramètres sont réglables, comme E1 la température extérieure qui entraîne le niveau de charge maximal ou E4 le niveau de charge résiduel en fin de période (souvent trop élevé dans les accumulateurs en fonctionnement trihoraire). Le régulateur de charge est muni d’un dispositif sur lequel les multiples fonctions du régulateur sont affichables en permanence c.-à-d. que toutes les informations importantes peuvent être consultées, sans modifier la régulation.
Deux solutions :

Soit vous plongez dans l’interprétation des paramètres (pas évident au début…) et vous les modifiez (afin d’éviter les erreurs de réglage, nous vous conseillons de ne pratiquer des corrections que par petits pas).

Concevoir

Pour accéder à la signification des indications et des logiques de réglage.

Soit vous notez un maximum d’informations sur le fonctionnement (telle température ressentie en surface de l’appareil, à telle heure, avec telle température extérieure, avec tel ensoleillement), et vous contactez votre électricien pour qu’il optimalise les réglages.

Vérifier que l’appareil n’est pas en chauffage direct permanent

Les accumulateurs dynamiques peuvent être munis d’une résistance d’appoint qui fonctionne en direct.

En cas d’insuffisance de charge, il suffit d’enclencher l’interrupteur se trouvant sur le thermostat pour faire fonctionner la résistance d’appoint. La lampe témoin sur le thermostat indique que la résistance d’appoint est enclenchée. Le thermostat maintiendra dans ce cas la température au niveau voulu. Mais il ne faut laisser l’interrupteur de la résistance d’appoint enclenché qu’en cas de nécessité : l’électricité au tarif jour est plus chère qu’en tarif nuit.
Remarques.

Une sécurité en série avec la résistance d’appoint en bloquera le fonctionnement si l’accumulateur dispose encore d’une charge suffisante.
En tarification hors pointes les accumulateurs ne disposent pas de résistances d’appoint.

Bénéficier de la relance de jour

Si les appareils sont sous-dimensionnés, dans certains cas, une puissance complémentaire peut être mise à disposition pendant la journée (1 heure de relance diurne).

La puissance mise à disposition pour le chauffage est fournie par le distributeur d’électricité, grâce à un récepteur de télécommande centralisé.

Le distributeur peut vous informer à ce sujet.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Évaluer l’efficacité énergétique des chambres froides

Analyse quantitative

Cette analyse est purement indicative, elle ne peut constituer à elle seule un critère de décision. En effet, il est très difficile de donner des valeurs de consommation de référence, car elles varient très fort en fonction de facteurs indépendants de l’énergie (hygiène, organisation, tendances de vente des denrées, etc.).

Ainsi, si on compare, du point de vue énergétique, son magasin avec un autre, on ne peut porter de jugement de valeur que si les concepts de base choisis sont identiques. Par exemple, le « benchmarking » des moyennes et grandes surfaces au sein d’un même groupe de distribution, permet :

d’évaluer des consommations énergétiques spécifiques par exemple en kWh/m².an de surface de vente;
d’établir un classement énergétique;
de mettre en œuvre les actions à prendre en terme d’acte de maintenance et d’investissement afin d’améliorer la performance énergétique des installations du « mauvais élève ».

Donc, l’analyse quantitative doit donc être complétée par l’analyse qualitative. Ainsi, supposons par exemple, pour un magasin, que l’on aboutisse aux deux conclusions suivantes :

Analyse quantitative : le poste « froid » est globalement peu performant (en kWh/m².an).

Analyse qualitative : les chambres sont de mauvaise qualité, les interventions sont mal organisées.

Ces deux conclusions se recoupent : si le poste « froid » est peu performant, c’est justement, dans l’exemple, parce que les chambres sont de mauvaise qualité et les interventions mal organisées.

La conclusion de l’analyse qualitative vient justifier la conclusion de l’analyse quantitative. L’analyse quantitative peut aussi venir trouver sa justification dans les concepts de base influençant les consommations.

En revanche, l’évaluation de sa propre situation (mesure ou estimation) permet de mieux comprendre où passe l’énergie de son magasin et donc de concevoir une stratégie d’amélioration fondée sur l’analyse des facteurs de consommation (et non pas sur la comparaison avec un modèle moyen et irréel).

Des valeurs de référence

Le rapport final : Energy Savings Potential for Commercial Refrigeration, by Arthur D. Little, Inc. For Building Equipment Division Office of Building Technologies U.S. Department of Energy, June 1996 donne des valeurs de consommation annuelle pour deux types de chambre froide fonctionnant toute l’année :

	Unité	Application négative	Application positive
Surface au sol	m²	7,2	21,6
Hauteur	m	2,3	2,6
Epaisseur paroi	cm	10	10
Type de fluide frigorigène	–	R404a	R22
Type de compresseur	–	semi-hermétique	semi-hermétique
Température de chambre froide	°C	-23	2
Température extérieure	°C	32	35
Température d’évaporation	°C	-32	-4
Température de condensation	°C	45	40
Puissance compresseur	W	1445	3850
Dégivrage	W	1500	–
Ventilation évaporateur	W	500	–

Pour les deux types de chambre froide, les consommations annuelles sont consignées dans les tableaux suivants.

Chambre froide négative

Composant	Puissance	Consommation énergétique
	[W]	[kWh/an]	[%]
Compresseur	1 445	8 861	57
Ventilateur Evaporateur	180	1 577	10
Ventilateur Condenseur	329	2 017	13
Dégivrage et cordons chauffants	2 230	2 750	17
Éclairage	80	350	3
Total	–	15 555
Consommation énergétique spécifique [Wh/m³h]		107

Chambre froide positive

Composant	Puissance	Consommation énergétique
	[W]	[kWh/an]	[%]
Compresseur	3 850	22 259	53
Ventilateur Evaporateur	800	7 008	17
Ventilateur Condenseur	1 508	8 718	20
Cordons chauffants	300	2 628	17
Eclairage	311	1 693	6
Total	–	42 306	4
Consommation énergétique spécifique [Wh/m³h]		85

Évaluer sa propre situation

À partir de mesures : on peut mesurer la consommation des appareils utilisés pour le poste froid. Pour être représentative d’une moyenne, l’opération doit être répétée plusieurs jours de suite. Les mesures peuvent être réalisées à partir du tableau électrique. On y repère les différents départs vers les compresseurs, les chambres froides proprement dites, etc.

Analyse qualitative

Hormis dans les cellules de refroidissement cryogéniques, l’énergie électrique est très largement utilisée pour la production de froid.

La consommation du poste froid dépend :

du bon fonctionnement de la production frigorifique,
de la quantité de froid nécessaire à la baisse de température des denrées (si elles sont apportées à température supérieure à celle du stockage),
de la perte de froid (à travers les parois des chambres froides ou à l’occasion de l’ouverture des portes).

Les indices permettant de repérer des anomalies sont expliqués et servent à remplir une grille d’évaluation. L’analyse qualitative de l’efficacité énergétique du poste « froid » se fait en passant en revue chacun des appareils utilisés.

Repérer les indices d’un bon/mauvais appareil
Grilles d’évaluation

Repérer les indices d’un bon/mauvais appareil

L’efficacité énergétique d’un appareil du poste « froid » dépend des paramètres ci-dessous. Les premiers concernent l’appareil proprement dit, les suivants concernent la façon de l’utiliser.

Refroidissement du compresseur

Les compresseurs frigorifiques sont refroidis par l’air ou par l’eau.

Eau perdue : noter négativement les appareils où l’eau de refroidissement est rejetée à l’égout, et leur préférer un refroidissement par de l’eau en circuit fermé, ou par de l’air. On peut donc envisager de récupérer la chaleur du condenseur pour préchauffer de l’eau à partir d’une puissance de compresseur de 20 kW (beaucoup de compresseurs de chambre frigorifique ne dépassent pas 600 W).

Ambiance : en refroidissement par air, noter si le condenseur est placé dans un endroit bien ventilé.

Le transfert de froid

Brassage : les appareils qui brassent l’air dans la chambre froide ont une plus grande efficacité énergétique.

Le dégivrage des appareils consomme de l’énergie : un bon dégivrage est un dégivrage qui ne dure pas plus longtemps que nécessaire et après lequel il n’y a plus de givre sur l’évaporateur. Un dégivrage qui utilise partiellement la circulation d’air plutôt que la résistance chauffante est plus intéressant au niveau énergétique. Pour les joints de portes, par contre, la résistance chauffante s’impose.Un dégivrage par inversion de cycle est également intéressant au niveau énergétique, mais vu les complications qu’il engendre au niveau du circuit frigorifique, il est réservé aux très grandes cuisines.

La fuite d’énergie

Les appareils bien calorifugés sont plus efficaces. En Belgique, il existe encore de nombreuses chambres froides installées depuis longtemps non isolées. Il y a grandement intérêt à avoir un plancher isolé (obligatoire pour le froid négatif). On veillera à la bonne étanchéité des parois et des portes.

Le dimensionnement

Le surdimensionnement : un matériel trop grand par rapport aux quantités à stocker perd plus d’énergie : parois plus importantes, compresseur trop puissant, renouvellements d’air plus importants, etc.
Ce sera particulièrement important pour les locaux de travail réfrigérés (préparations froides).
Mais si une chambre froide a été surdimensionnée, il vaut mieux qu’elle soit remplie. Cela permet, lors des ouvertures de portes, d’une part de mieux maintenir les marchandises à la bonne température (confort), et d’autre part de diminuer les apports d’air chaud (économies d’énergie).
Remarque : de moins en moins d’aliments nécessitent un stockage réfrigéré : on utilise des fruits ionisés, du lait UHT, etc. De plus, le ravitaillement se fait de plus en plus fréquemment rendant les stocks de moins en moins importants.
Les chambres froides sont alors surdimensionnées, provoquant des consommations trop importantes.

Le sousdimensionnement est une source de surconsommation à partir du moment où il entraîne une rotation trop rapide des produits, avec comme conséquence une ouverture trop fréquente des portes.

Le nombre de chambres froides

Hormis le nombre de chambres froides, l’hygiène alimentaire doit être suffisante pour ne pas avoir à ouvrir trop souvent les portes de chacune d’elles et pour éviter de stocker à basse température ce qui supporterait une température plus élevée dans une chambre réservée à ces produits.

Les apports thermiques parasites

Toute source chaude parasite (rayonnement du soleil direct, appareil de cuisson, éclairage à grosse consommation) proche de la chambre froide engendre une consommation supplémentaire.

L’installation frigorifique

Tous les compresseurs frigorifiques n’ont pas la même efficacité : cela dépend du dimensionnement, des réglages, de la charge en fluide frigorigène (nature et pression du fluide), de la technologie de compression (à piston, à vis, etc.) et de la régulation de puissance selon les besoins (variateur de vitesse par exemple).

Évaluer

Vous trouverez plus de détails concernant l’évaluation de l’installation frigorifique dans la partie climatisation.

Attention ! Si l’installation d’une chambre froide positive est fort similaire à celle de la climatisation, l’installation d’une chambre froide négative est différente par ses températures beaucoup plus basses.

Le binôme temps/température

Il s’agit de conduire le FROID au bon moment, à la bonne température, et sur la bonne durée.

La durée de conservation

Une durée de conservation excessive est surconsommatrice. Ainsi, la rotation des produits sera de préférence rapide, sans pour autant tomber dans l’excès inverse.

La fréquence des chargements des produits

Une ouverture de porte engendre une entrée d’air chaud et d’humidité de l’éclairage, de la chaleur corporelle. On a intérêt à veiller à ce que l’ouverture des portes pour le chargement ne soit pas trop fréquente. Pour un réfrigérateur « de jour », le chargement et le déchargement ont des fréquences très proches, mais pour un stockage « viande », on préférera charger une seule fois pour plusieurs jours.

Le choix des horaires

Quand c’est possible, on a intérêt à regrouper les opérations pour limiter la fréquence d’ouverture des portes. Pour le chargement, éviter les heures où la chaleur et l’humidité sont au maximum à proximité des chambres froides.

La durée des interventions

La porte doit être refermée le plus vite possible et « rester contre » quand les interventions à l’intérieur de la chambre sont longues et pour autant qu’il n’y ait pas de risque de se faire enfermer. On peut parfois réduire le temps d’intervention en modifiant l’organisation des rayonnages, en étiquetant plus lisiblement, en plaçant correctement les lampes, etc.

La température intérieure

Le réglage des températures doit être conforme aux règles d’hygiène, sans excès. Il est inutile de stocker des fruits ou des pommes de terre à + 3 °C.

Grille d’évaluation – Exemple

Dans les grilles d’évaluation, chacun des paramètres a été affecté d’une pondération citée ci-dessus (incidence quantitative) sous la forme d’un nombre d’étoiles. Une grille d’évaluation est complétée pour chaque appareil du poste froid. L’utilisateur remplit les cases blanches

POSTE FROID	Type d’appareil :	Chambre froide
	Caractéristiques :	Viande – 6°C
	Pondération en % du volume :	20 %
	Puissance du compresseur :	360 W
Efficacité énergétique / Paramètres	Incidence	Note (0 à +/- 3)*	Bilan	Décision
Refroidissement du compresseur 1	****	+ 1	+ 40
Refroidissement du compresseur 2	**	0	/
Transfert du froid 1	*	+ 3	+ 30
Transfert du froid 2 (dégivrage)	*	– 3	– 30	A voir
Fuite d’énergie	*	3	– 30	A voir
Sur dimensionnement	***	+ 2	+ 60
Sous dimensionnement	*	+ 2	+ 20
Nombre de chambres	*	+ 3	+ 30
Apports thermiques parasites	**	– 3	– 60	oui
Qualité du groupe		– 1
BINÔME TEMPS/TEMPERATURE
Durée de conservation	*	+ 3	+ 30
Fréquence des chargements	**	+ 2	+ 40
Horaires	*	– 1	– 10	oui
Durée des interventions	***	– 2	– 60	oui
Réglage température	*	+ 3	+ 30

* La note résulte d’un examen de l’appareil concerné et de son utilisation.
Exemple : si une marmite fonctionne toujours avec couvercle, le confinement est noté + 3.
0 signifie « sans objet » par rapport aux critiques écrits dans le texte correspondant.

Concepts de base ayant une influence sur les consommations

Il y a d’autres facteurs que l’efficacité énergétique des appareils de conservation et de refroidissement ou congélation rapide et la façon de les utiliser qui influence les consommations du poste. Ce sont d’autres considérations que l’énergie qui conduisent au choix de ces concepts. Nous avons relevé les points suivants :

L’hygiène

Un magasin ne respectant pas l’hygiène risque de consommer moins qu’un magasin la respectant : interruption dans la chaîne du froid, non-respect des températures de consigne, etc.

Le nombre de plats préparés

Il est certain qu’un magasin où l’on propose toute une variété de plats préparés (espace traiteur) aura un poste froid bien plus énergivore. De plus, les préparations froides nécessitent des locaux de travail réfrigérés.

La liaison surgelée

Les surgelés nécessitent un stockage consommateur d’énergie.

Les produits frais

Ils nécessitent des chambres froides de plus grande dimension.

Le local des déchets

Il est parfois réfrigéré aussi. On pourra en limiter la taille et la fréquence d’ouverture des portes, et donc la consommation :

Si l’on choisit de préparer des produits peu générateurs de déchets (les produits frais en génèrent beaucoup).

Si les emballages non souillés (cartons) sont préalablement séparés des emballages souillés (boîtes, sachets) et des déchets d’aliments.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Déceler la présence de ponts thermiques

La configuration des différentes parois de l’enveloppe et des raccords entre elles

L’isolation thermique de certains ouvrages de raccord est difficile à réaliser et nécessite un soin important. C’est donc à ces endroits que le risque de pont thermique est le plus important. Ils devront être vérifiés soigneusement un par un, et éventuellement sondés pour en connaître la configuration exacte et évaluer le risque de désordre ou d’inconfort, en utilisant éventuellement un logiciel de calcul adéquat.
Il s’agit,

Pour les toitures plates

Des rives des toitures plates

Des chéneaux extérieurs ou les encorbellements en matériau pierreux

Des pénétrations verticales

Des évacuations

Des socles en toiture plate

Des joints de mouvement relevés

Des lanterneaux

Des remontées de structure verticales

La toiture inversée ne permet pas de fixer l’isolant verticalement.

Dans ce cas, les parties verticales peuvent être isolées par la technique de la toiture chaude.

L’isolant d’une toiture froide ou d’une toiture isolée par l’intérieur est généralement interrompu par les murs supportant la toiture.

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Pour savoir comment réduire ces différents ponts thermiques, cliquez ici !

Pour les toitures inclinées

Du raccord versant de toiture-pignon

Du raccord pied de toiture-mur

Isolation entre les chevrons.

Toiture « Sarking ».

Des chéneaux extérieurs ou les encorbellements en matériau pierreux

De la cheminée

De la jonction d’une toiture inclinée à une toiture plate

De la fenêtre

Du faîte du toit

Panneaux autoportants.

De la jonction plancher de comble isolé-mur extérieur

De la trappe d’accès dans un plancher de comble isolé

Schéma trappe d'accès dans un plancher de comble isolé

De la jonction entre un mur intérieur et un plancher de comble isolé

schéma jonction entre un mur intérieur et un plancher de comble isolé

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Pour les murs pleins isolés par l’extérieur

Schéma murs pleins isolés par l’extérieur

Pont thermique au niveau d’un balcon.

Ponts thermiques au niveau d’un seuil et d’un linteau de fenêtre.

Pont thermique au niveau d’un ébrasement de baie.

Pont thermique au niveau d’un encorbellement.

Pont thermique au niveau d’une descente pluviale.

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Pour les murs pleins isolés par l’intérieur


Liaison avec un mur intérieur (coupe horizontale).	Fondation (coupe verticale).

Appui de plancher (coupe verticale).	Linteau (coupes verticales).

Tablette de fenêtre (coupe verticale).	Ébrasement de fenêtre (coupe horizontale).

À côté des ponts thermiques « de conception », il existe aussi les ponts thermiques « d’exécution ». La perforation de l’isolant pour placer un boîtier électrique, par exemple, peut en créer un.

Pont thermique d’exécution

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Pour les murs creux


A. Rive de toiture.	B. Appui de dalle.

C. Linteau.	D. Seuil de fenêtre.

E. Plancher sur vide sanitaire.	F. Balcon en encorbellement en béton.

À côté des ponts thermiques « de conception », il existe aussi les ponts thermiques « d’exécution ».

Schéma ponts thermiques "d'exécution".

Pont thermique d’exécution.
Les panneaux d’angle ne sont pas superposés.

Concevoir

Pour avoir accès à des détails techniques de murs creux réalisés sans pont thermique, cliquez ici !

Les traces de condensation à l’intérieur du bâtiment

Certains indices peuvent révéler la présence de ponts thermiques.

Le plus flagrant est la présence d’eau condensée sur la paroi.

Photo d'eau condensée sur la paroi.

Une condensation localisée est un indice de pont thermique.

Mais la zone peut être simplement humide (l’eau s’étant condensée à l’intérieur du matériau) ou être provisoirement sèche. Dans ce cas l’humidité peut avoir laissé des traces comme des moisissures, des taches ou de la poussière collée différemment sur les zones (parfois) humides et sur les zones toujours sèches.

Photo moisissures mur.

Les champignons se développent dans les zones des ponts thermiques.

La température locale des parois en hiver

Comparaison des températures de surface

Un thermomètre de contact permet de comparer la différence de température entre les différentes zones de la paroi concernée.

Thermomètre de contact et mesure de température ambiante.

Thermomètre de surface à infrarouge.

En hiver, à l’endroit du pont thermique, la température superficielle intérieure est nettement inférieure à celle des éléments environnants.

La différence de température étant d’autant plus importante que la température extérieure est basse, c’est une mesure que l’on fera par temps très froid.

Exemple.

Une toiture inclinée est isolée (U = 0.4 W/m²K), sauf à un endroit (U = 2 W/m²K).
La température ambiante extérieure est de – 10°C, et la température ambiante intérieure de + 20°C.

θ_oi = θ_i – (U x 0,125 x (θ_i – θ_e))

> La température de surface du plafond sera de 18,5°C sauf à l’endroit du pont thermique où la température de surface sera de 12,5°C.

Évaluation du risque de condensation à partir des températures de surfaces et des ambiances extérieures et intérieures

On peut calculer le facteur τ en différents points d’un détail technique en mesurant les températures de l’air intérieur θ_i et extérieur θ_e ainsi que la température locale de la paroi θ_oi.

On dispose, dès lors, de τ_min.

Suivant la NIT 153 du CSTC, il y a pont thermique lorsque τ_min < 0,7_.Néanmoins, celle-ci concerne plus spécifiquement les logements et la valeur de 0,7 a été fixée en fonction des températures minimales et des humidités que l’on retrouve dans ceux-ci. Pour les bureaux, par exemple, cette valeur pourrait sans doute être plus faible, car la production de vapeur est moins importante et qu’en général, on dispose d’une ventilation. Dès lors, dans le cas des bâtiments du secteur tertiaire, il vaut mieux évaluer le risque de condensation superficielle à partir des conditions réelles.

Évaluer

Si vous souhaitez voir, par un exemple, comment évaluer concrètement le risque de condensation au droit d’un pont thermique dans un immeuble de bureau, cliquez ici.

Autre méthode : la détection par thermographie

La détection par thermographie doit pouvoir s’affranchir de la variation du climat et doit donc se faire par temps chaud ou froid de préférence par l’intérieur (zone stabilisée en température et non perturbée par le vent, la pluie et le soleil).

Pour ce faire, il y a lieu de mettre le bâtiment en dépression à l’aide d’un Blowerdoor avec une pression suffisante permettant de conditionner l’ensemble de l’enveloppe (toitures et murs) de la même manière. Cette méthode évite les interprétations erronées causées par la différence de pression exercée par le vent provoquant la dépression sur une ou deux façade(s) et une surpression sur les autres. Cette méthode facilite le diagnostic et le rend fiable.

La thermographie par l’extérieur peut, dans certains cas particuliers, servir à confirmer un constat effectué par l’intérieur. Dans le cas des murs creux, l’unique thermographie effectuée par l’extérieur n’est pas pertinente la lame d’air entre l’isolant et la brique perturbe le diagnostic.

Pont thermique en rive de toiture.
Source : Infravision.

Photo infrarouge d’une façade.

Autre méthode connue : la couche de givre ou de neige sur un bâtiment chauffé montrera, par son absence à certains endroits, les zones chaudes dues aux ponts thermiques.

Ponts thermiques repérables par la neige.

La date de construction du bâtiment

En ce qui concerne les murs creux, ce sont en général surtout les murs creux de bâtiments datant de la fin des années 1970 et des années 1980 qui présentent des problèmes de ponts thermiques.

En effet, depuis la fin des années 1970, l’isolation est devenue chose courante dans le bâtiment. Ce changement dans les habitudes de construction a été induit par le choc pétrolier de 1973.
L’isolation des bâtiments en Wallonie se systématise après 1985, date à laquelle, l’Exécutif régional wallon adopte un règlement thermique imposant une isolation thermique de l’enveloppe des nouveaux logements.

Mais l’isolation telle que réalisée à ses débuts est encore mal maîtrisée et mène à la création de ponts thermiques; ceux-ci agissent comme révélateur d’humidité. En effet, avant isolation, la condensation de la vapeur d’eau se répartissait sur toutes les surfaces; après isolation, l’humidité se concentre uniquement sur les ponts thermiques et provoque l’apparition de moisissures.

Néanmoins, si les bâtiments de cette époque ont particulièrement souffert du manque de connaissance, les problèmes de condensation ne se cantonnent malheureusement pas uniquement à ceux-ci et malgré la maîtrise actuelle de la technique, on retrouve encore des défauts de construction menant tout droit à des problèmes de condensation dans les bâtiments récents.

Création d’un pont thermique au niveau de la baie.

Pont thermique au niveau de la baie.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir le système de ventilation dans les locaux d’hébergement

Amenée d’air naturel
Grille de transfert
Evacuation naturelle

Chambres et sanitaires individuels

Dans les hôtels, auberges, pensionnats, … les plans de type « chambre et sanitaire individuels » présentent très souvent la même configuration : Chaque chambre représente un ensemble autonome composé de 3 zones

la chambre proprement dite (à un ou plusieurs lits),
la salle d’eau attenante, y compris WC,
l’entrée donnant accès aux deux premières zones et au couloir commun à toutes les chambres.

Disposition habituelle de chambres individuelles :
une gaine technique dessert les sanitaires contigus.
Le faux plafond de l’entrée et des sanitaires peut être plus bas que celui de la chambre,
ce qui permet le passage de gaines techniques, notamment pour la pulsion d’air mécanique.

On trouve une configuration équivalente dans les hôpitaux :

Généralement, deux salles d’eau contiguës ont en commun une gaine technique verticale. Un seul conduit d’extraction mécanique est habituellement placé dans celle-ci, desservant à chaque niveau deux ensembles contigus. Un extracteur en toiture peut ainsi reprendre l’extraction de 5 niveaux, c’est-à-dire 10 chambres. L’inconvénient de cette configuration est la transmission acoustique entre les différents ensembles.
L‘air neuf est introduit dans les chambres

Soit naturellement, au moyen de grilles autoréglables placées en façade dans les menuiseries ou la maçonnerie (ventilation simple flux). Lorsque l’ambiance extérieure (bruit et pollution limités) le permet, c’est la solution la plus simple à mettre en œuvre.

Grille intégrée entre le vitrage et la menuiserie et intégrée dans la menuiserie.

Soit mécaniquement, par un réseau de conduits placé dans le faux plafond des zones de circulation ou dans la gaine technique commune aux extractions. La diffusion de l’air neuf à l’intérieur de chaque bureau est alors obtenue par une grille murale placée au niveau de la retombée des faux plafonds des circulations ou de l’entrée.

Le transfert d’air entre la chambre et la salle d’eau se fait, soit par un détalonnage des portes, soit par des passages appropriés avec grilles à chevrons ou autre.

Grille de transfert d’air.

Chambres individuelles et sanitaires communs

Concevoir

On se retrouve dans une situation semblable à celle des immeubles de bureaux.

Les chambres sont desservies par des circulations donnant également accès à un ou plusieurs complexes sanitaires. Ce type d’agencement donne aux différents principes de ventilation retenus une orientation commune :

Air neuf
Air vicié

L’introduction d’air neuf dans les chambres,
le transfert des volumes d’air introduits via les circulations,
l’évacuation vers l’extérieur de l’air vicié dans les locaux sanitaires.

L’air neuf peut être amené dans les chambres par grilles autoréglables placées en façade dans les menuiseries ou la maçonnerie (ventilation de type C ou simple flux), l’air vicié étant évacué dans les sanitaires au moyen d’un ventilateur d’extraction.

Air neuf
Air vicié

Ventilation des locaux d’hébergement par ventilation simple flux (système C).

Les circuits d’extraction (conduits et ventilateurs) sont, dans la plupart des cas, communs à plusieurs niveaux. Ils sont généralement conçus suivant le principe du « parapluie ». Les conduits verticaux empruntent les gaines techniques également verticales et les conduits horizontaux passent dans l’épaisseur des faux plafonds. Ces ensembles desservent à chaque niveau une ou plusieurs zones sanitaires.

Étant donné l’absence de conduit de distribution vers chaque chambre, l’espace nécessaire aux locaux techniques et aux conduits d’air est peu important. Ceci prend toute son importance en regard des hauteurs de faux plafonds qui n’ont pas à tenir compte du passage de conduits d’air.

Cependant, pour limiter l’influence du vent et des circulations d’air parasites, ce type d’installation ne s’applique qu’aux immeubles de taille moyenne et peu élevés : immeubles de moins de 13 m de haut (hauteur au plancher du dernier étage).

Le système de ventilation D ou double flux, c’est-à-dire équipé d’une pulsion et d’une extraction mécanique, est quant à lui le meilleur en terme de maîtrise des débits dans les locaux : on a la garantie que les chambres sont bien alimentées en air neuf et que l’air vicié des sanitaires est directement évacué vers l’extérieur.

Air neuf
Air rejeté
Air vicié

Ventilation des locaux d’habitation par ventilation double flux (système D).

Ce système est pratiquement indispensable dans les immeubles importants en site urbain.

La distribution de l’air neuf est assurée par un réseau de conduits placé dans les faux plafonds des zones de circulation.

La diffusion de l’air neuf à l’intérieur de chaque chambre est obtenue par une grille murale placée au niveau de la retombée des faux plafonds des circulations, ou dans le cas de grandes chambres communes par des diffuseurs plafonniers répartis sur la surface du dortoir.

L’extraction et le transfert se font comme pour le système C.

Concrètement, le choix du système D par rapport au système C sera guidé par :

le souhait de garantir une répartition correcte des flux d’air,
le besoin de se protéger de l’ambiance extérieure (bruit et pollution),
le besoin de préchauffer ou d’humidifier l’air neuf.

Salles de séjour : principe du balayage

La ventilation des salles de séjour attenantes aux chambres doit assurer les débits recommandés par la norme NBN D50-001 (3,6 m³/h.m²). Il n’est cependant pas nécessaire de puiser cet air directement à l’extérieur. On peut appliquer, pour ces locaux, le principe dit « du balayage ». Celui-ci consiste à faire transiter par le séjour, l’air provenant des chambres, avant de l’évacuer dans les sanitaires. Si le débit nécessaire au séjour est supérieur au débit des chambres, des amenées d’air complémentaires doivent être ajoutées dans celui-ci.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Rendements courants en ventilation

Exemples de rendement en fonction du débit

Le rendement global augmente avec le débit volumique transporté par une installation, c’est-à-dire en fonction de la taille de l’installation.

Par exemple pour un groupe de ventilation équipé d’un ventilateur à aubes inclinées vers l’arrière, à deux ouïes d’aspiration, entraîné par courroie, pour un gain de pression de 1 000 Pa et pour des rendements de ventilateur et de transmission maximaux (source : Pratique des ventilateurs à l’usage des techniciens et installateurs, J.Lexis, Ed.Parisiennes, 1991) :

Débit volume (m³/h)	Puissance nominale du moteur (kW)	Rendement du moteur	Rendement de transmission	Puissance sur l’arbre du ventilateur (kW)	Rendement du ventilateur	Rendement utile global
1 000	0,55	71 %	88 %	0,41	68 %	43 %
10 000	4,00	83 %	89 %	3,35	83 %	61 %
20 000	7,50	84 %	90 %	6,61	84 %	64 %
30 000	11,00	88 %	92 %	9,80	85 %	69 %
40 000	15,00	89 %	93 %	13,07	85 %	70 %
50 000	18,50	89 %	93 %	16,34	85 %	70 %
60 000	22,00	91 %	94 %	20,60	81 %	69 %
70 000	30,00	91 %	95 %	23,15	84 %	73 %
80 000	30,00	92 %	95 %	26,14	85 %	74 %
90 000	37,00	92 %	95 %	29,41	85 %	74 %
100 000	37,00	92 %	95 %	32,68	85 %	74 %

Rendements courants

Composant	Rendmt maximum possible
Turbinette de WC (ventilateur + moteur)	5 %
Ventilateur tubulaire de gaine (ventilateur + moteur)	20 %
Ventilateur de gaine (ventilateur + moteur)	35 %
Ventilateur de toiture, petit à moyen (ventilateur + moteur)	20 – 35 %
Ventilateur de toiture, grand avec moteur à rotor intérieur (ventilateur + moteur)	50 %
Ventilateur radial à aubes recourbées vers l’avant (ventilateur seul)	50 – 70 %
Ventilateur radial à aubes recourbées vers l’arrière (ventilateur seul)	75 – 83 %
Ventilateur axial de paroi ou de gaine (ventilateur seul)	40 – 65 %
Ventilateur axial performant avec enveloppe, sans distributeur ni redresseur (ventilateur seul)	70 – 78 %
Ventilateur axial performant avec enveloppe et distributeur ou redresseur (ventilateur seul)	75 – 85 %
Ventilateur axial contre-rotatif	80 – 90 %
Transmission par courroie trapézoïdale puissance transmise – 200 W puissance transmise – 500 W puissance transmise – 1 000 W puissance transmise – 5 000 W puissance transmise -10 000 W puissance transmise – 30 000 W	77 – 90 % 84 – 93 % 87 – 94 % 92 – 96 % 92,5 – 96,5 % 93,5 – 97 %
Bons moteurs triphasés à cage d’écureuil, à charge et vitesse de rotation nominale, 4 pôles : 0,25 kW 0,55 kW 1,1 kW 2,2 kW 5,5 kW 11 kW 22 kW	66 % 73 % 78 % 81 % 86 % 87 % 89,5 %
Moteur idem à 2 bobinages 4 – 6 pôles = 1 500 – 1 000 tr/min 0,55 kW (4 pôles) – 0,18 kW (6 pôles) 2,2 kW (4 pôles) – 0,75 kW (6 pôles) 6,0 kW (4 pôles) – 2,0 kW (6 pôles) 18,0 kW (4 pôles) – 6,0 kW (6 pôles)	70 et 58 % 78 et 72 % 86 et 77 % 87 et 83,5 %
Convertisseur de fréquence	95 %

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir les tuyauteries des installations frigorifiques [Concevoir – Cuisine collective ]

L’isolation des tuyauteries froides d’aspiration et des appareils qui se trouvent sur cette ligne, est obligatoire dans un projet thermique qui se préoccupe d’économies d’énergie.

La qualité de la pose de l’isolation des tuyaux doit être soigneusement vérifiée.

Cet aspect est d’autant plus important que les conduites sont longues, car plus elle le sont, plus les apports par la canalisation d’aspiration seront importants, et cela nuit au rendement et à la puissance de l’installation.

D’autre part, la longueur, les déviations et les changements de niveaux des canalisations influencent les pertes de charge et les retours d’huile au compresseur.

Des pertes de charge excessives nuisent au bon fonctionnement rationnel de la machine et donc augmentent les consommations d’énergie pour le même résultat final.

Dans cette optique, une judicieuse implantation des moto-compresseurs et condenseurs, par rapport aux chambres froides, doit être étudiée avec soin.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir le condenseur de la machine frigorifique

Critères de choix généraux

Modes d’évacuation de la chaleur de condensation

Il faut évacuer la chaleur du réfrigérant vers l’air ambiant.
On distingue deux techniques :

soit refroidir directement le fluide frigorigène par l’air : c’est le rôle du condenseur à air.
soit refroidir le fluide frigorigène par de l’eau : la machine frigorifique sera équipée par un condenseur à eau. Mais cette eau doit alors être elle-même refroidie en toiture, via une tour de refroidissement.

Pour accroître la puissance de refroidissement, on peut profiter de l’énergie de vaporisation d’une eau pulvérisée au travers du courant d’air.
Le principe est le même que lorsque nous nous aspergeons la figure par temps très chaud : la vaporisation de l’eau refroidit notre peau.
Soit la pulvérisation est celle de l’eau qui circule dans le condenseur, soit c’est de l’eau indépendante de l’eau du circuit de condensation qui est pulvérisée.
Cela conduit aux 5 technologies développées dans la technologie des condenseurs.

Critères de choix globaux

Refroidissement direct par l’air

Aujourd’hui, la pression de condensation des condenseurs à air est bien gérée par l’utilisation de la variation de vitesse électronique des ventilateurs des condenseurs. C’est la solution couramment adoptée lorsque l’on peut placer le groupe frigorifique sur la toiture ou, de manière générale, à l’extérieur dans un endroit ombragé et ventilé.

Condenseurs en toiture.

Condenseurs contre une façade et à l’ombre.

En toute logique, on retrouvera donc le condenseur à air en toiture. Mais la machine frigorifique est parfois située en cave. Dans ce cas, il est exclu de faire confiance à des « ventilations naturelles », des « soupiraux « , … la température dans la cave risquerait de monter fortement et le condenseur se retrouverait balayé par de l’air déjà réchauffé. La pression de condensation du fluide monterait et le compresseur verrait sa consommation fortement augmentée. Par forte chaleur, le compresseur ne pourrait suivre et déclencherait par son pressostat haute pression.
L’évacuation de la chaleur demande un réel balayage par un fluide frais et il appartient au bureau d’études de comparer 2 solutions :

Soit une gaine d’air est prévue pour apporter l’air extérieur au condenseur et évacuer l’air réchauffé (les pertes de charge générées créent des consommations au ventilateur).
Soit il est décidé de placer un condenseur à eau et de transférer l’eau chaude en toiture pour la refroidir dans une tour de refroidissement.

Le refroidissement direct par l’air est le moyen le plus couramment adopté en froid commercial. Il permet de disposer d’un système simple, peu coûteux, demandant peu d’entretien, …

Refroidissement indirect par l’air (via un circuit d’eau)

Le transfert de la chaleur par l’intermédiaire de l’eau est plus efficace (bon coefficient d’échange de l’eau, faible consommation d’une pompe par rapport à un ventilateur),… mais il y a investissement et consommation de la tour. Un bilan global doit être réalisé.

Actuellement, ce genre d’installation est très peu répandu dans les commerces pour le froid alimentaire, car les investissements sont importants et l’entretien conséquent. De plus, jusqu’à présent ce genre de technologie était réservé à des puissances de condensation importantes. Enfin, il ne faut pas négliger le problème des tours de refroidissement par rapport à la prolifération de légionelles.

Cette technique est régulièrement utilisée pour les applications de climatisation. Cela dit, le problème des légionelles étant souvent évoqué, même pour les applications de climatisation, dans la mesure du possible, on place des aéroréfrigérants (« dry cooler ») ou des unités de condenseurs à air.
Attention qu’en froid industriel et même en froid commercial on commence à utiliser des systèmes de refroidissement direct tels que :

Les condenseurs « évaporatifs » qui sont en quelque sorte des tours de refroidissement où le fluide à refroidir est directement le fluide frigorigène.
Les condenseurs « adiabatiques » où l’air d’entrée est d’abord refroidi adiabatiquement (sans échange de chaleur) par des « matelas » sur lesquels on fait ruisseler de l’eau.
Les condenseurs directs mixtes qui combinent les principes « évaporatifs » et « adiabatiques » dans un même système.

Température de condensation

Pour augmenter les performances du compresseur, on a tout intérêt à abaisser la température de condensation. Autrement dit, il faut augmenter la surface d’échange et augmenter le débit de circulation de l’air. Le « pincement », c’est-à-dire l’écart entre la température du fluide refroidissant à la sortie du condenseur et la température du fluide frigorigène sera minimal. Mais l’investissement et les pertes de charge en seront augmentés, et donc la consommation de la pompe…

Refroidissement direct par l’air

En pratique, pour un condenseur à air, la vitesse sera comprise entre 2 et 4 m/s et, si l’air entre avec une température de 30°C, la température de condensation s’établira entre 40°C et 50°C.

Refroidissement indirect par l’air (via un circuit d’eau)

Pour un condenseur évaporatif, le bureau d’études peut compter sur une température d’air de refroidissement à bulbe humide de l’ordre de 5 à 6 K en moins que la température à bulbe sec d’entrée du condenseur. Soit pour une température d’entrée de 30 °C d’air sec, la température d’air saturé peut atteindre des valeurs de 25°C.

Comparaison entre les modes de refroidissement

À partir d’une température de l’air de 30°C, quelle sera la température de condensation ? Tout dépend du type de refroidissement du fluide frigorigène choisi !
Voici les résultats comparés pour une température d’air de 30°C 40 % HR.

En partant du condenseur évaporatif, comparons les systèmes en fixant des valeurs moyennes : une « approche » de 5°C, un pincement des échangeurs de 6°C et un échauffement de la température de l’eau de 7°C.

Type de condenseur	T°air sec	Entrée condenseur	Sortie condenseur	T°condens. fluide frigorifique
Condenseur à air	30°	T° air = 30°	T° air = 37°	43°
Condenseur évaporatif	30°	T° air = 25°	T° air = 32°	38°

Le condenseur à air est pénalisant, car il provoque une augmentation de température de condensation du fluide (et donc une augmentation de la consommation du compresseur). L’augmentation de la consommation du compresseur est de 2 à 3% par degré K, ce qui n’est pas négligeable !

Critères acoustiques

Bruit aérien

La principale source de bruit d’un condenseur provient de(s) ventilateur(s).
On aura toujours intérêt à les faire fonctionner à faible vitesse.

Bruit solidien (ou bruit d’impact)

Les vibrations se transmettent vers les locaux sensibles par les tuyauteries en cuivre, et par la dalle sur laquelle est posé l’appareil. Il faut traiter les vibrations par dalle flottante posée sur isolateurs à ressort, utiliser des manchons antivibratoires pour le raccordement sur des canalisations, et des suspensions antivibratiles pour les supports des canalisations.

Choix d’un condenseur à air

Condenseur à air pour une installation de froid positif centralisée.

Groupe condenseur à air pour une chambre froide.

Il est évident que sous nos latitudes les températures extérieures (même avec le réchauffement climatique comme « épée de Damoclès ») restent fraîches et donnent raison aux concepteurs d’adopter une stratégie de refroidissement des condenseurs par air.

La répartition des points de température et d’humidité au cours de l’année sur le diagramme psychométrique ci-dessous montre qu’une grosse majorité des points températures du climat Belge se situe sous les 20 °C, avec un maximum du nombre d’heures aux alentours des 6-7 °C. Cette constatation signifie que la température de condensation, pour un écart de température entre le fluide dans sa phase de condensation et l’entrée du condenseur idéalement de 12°C (optimum de dimensionnement des condenseurs), se situe aux alentours des 8°C.

Actuellement, les équipements frigorifiques permettraient de pouvoir travailler avec des températures de condensation de l’ordre de 20°C; ce qui signifie que l’air pourrait suffire durant une bonne partie de l’année pour amener le fluide frigorigène à cette température.

Climat heure par heure en Belgique.

Fréquence des températures pour une année type.

Le gaz chaud du réfrigérant cède sa chaleur à l’air traversant le condenseur et passe à l’état liquide. L’entretien du condenseur à air est limité. Il n’y a aucun risque de gel en hiver. Mais le coefficient d’échange avec l’air étant faible, le condenseur sera volumineux, et donc lourd et encombrant.

Les températures de condensation sont directement liées aux conditions de température extérieure : la pression de condensation sera forte en été (dégradation du COP de la machine frigorifique), mais plus faible en hiver, entraînant d’ailleurs un besoin de régulation adaptée pour un fonctionnement correct.

L’exemple suivant donne une idée de la répercussion sur les consommations électriques du compresseur qu’entraine une augmentation de la température de condensation.

Exemple

Soit un groupe de condensation composé d’un compresseur semi-hermétique et d’un condenseur. La puissance utile nécessaire est de l’ordre de 22 kW. Un logiciel de fabricant de compresseurs donne des courbes caractéristiques en fonction des données de prédimensionnement suivantes :

type de fluide réfrigérant : R134A ;
température d’évaporation : – 10°C ;
température de condensation : 40 °C ;
surchauffe de 5 K

Puissance frigorifique

La puissance frigorifique disponible au niveau du compresseur passe de 22.8 à 21.2 [KW] en augmentant la température de condensation de 5K (27 à 32 °C); ce qui correspond à une baisse de puissance de l’ordre de 8 %.

Schéma Puissance frigorifique.

Puissance électrique absorbée par le moteur

Dans un même temps, la puissance électrique absorbée par le moteur électrique passe de 9 à 9.4 lorsque l’on augmente la température de condensation de 5 K (27 à 32 °C); ce qui correspond à une augmentation de puissance de l’ordre de 4 %.

Schéma Puissance électrique absorbée par le moteur

COP

Enfin, le COP quant à lui passe de 2.53 à 2,25 lorsque l’on augmente la température de condensation de 5 K (27 à 32 °C); ce qui correspond à une d’efficacité énergétique de l’ordre de 12 %. Si on simplifie le problème en considérant une relation linéaire entre le COP et la température de condensation, chaque augmentation de 1 K de la température de condensation réduit l’efficacité du compresseur de l’ordre de 2 %.

Schéma COP.

Choix du ventilateur

La circulation forcée de l’air nécessite des ventilateurs dont la consommation électrique n’est pas négligeable. De plus, ils constituent une source de bruits, par frottement de l’air sur les pales du ventilateur, mais aussi par frottement de l’air sur les ailettes de l’échangeur.
Deux types de ventilateurs sont utilisés :

pour les commerces, principalement le ventilateur hélicoïdal (ou axial);
le ventilateur centrifuge.

Ventilateur hélicoïdal

Le ventilateur hélicoïdal (ou axial) est choisi pour des appareils placés à l’air libre, là où le bruit ne constitue pas une nuisance pour le voisinage. Le niveau sonore dépend de la vitesse de rotation du ventilateur. Dans les emplacements exposés, le régime ne doit pas dépasser 500 t/min.

Si des ventilateurs existants sont trop bruyants, on peut les munir d’amortisseurs de bruit cylindriques (tenir compte de la perte de charge).

Ventilateur centrifuge

Le ventilateur centrifuge est souvent utilisé pour des appareils placés à l’intérieur d’un immeuble, raccordé à l’extérieur par des gaines (le ventilateur centrifuge peut vaincre des pertes de charges plus élevées).

Si le bruit du ventilateur dépasse les valeurs admissibles, on peut le munir d’amortisseurs de bruit.

La vitesse de passage de l’air est comprise généralement entre 2 et 4 m/s. Cette information dans le catalogue constructeur est un indice qualité puisque si elle se rapproche de 2 m/s, on a plus de garanties que l’appareil fera peu de bruit et que la consommation du ventilateur sera limitée (en fait, le constructeur a dû écarter davantage les ailettes pour faciliter le passage de l’air, donc l’appareil demandera plus de matière, sera plus volumineux et… sera plus cher : la qualité se paie !).

Complément de puissance par aspersion d’eau

Conception classique

Nombreuses sont les installations où, en exploitation, on voit fleurir des réseaux de tuyaux d’aspersion d’eau de ville servant à refroidir les batteries de condensation lors des périodes chaudes ou carrément caniculaires.
Est-ce un défaut de conception, de dimensionnement à la base ou un manque d’entretien régulier des batteries ?
Le débat est ouvert.

Système D des techniciens en période de canicule.

Mais l’idée de choisir un condenseur à air et de se dire que de temps en temps en période chaude on déploie des systèmes d’aspersion d’eau n’est pas un sacrilège. Cela dit, ces systèmes, bien qu’efficaces, restent du domaine de « l’amateurisme ». De plus, aux températures de condensation de l’ordre de 35-40°C, l’eau de ville de dureté (exprimé en degrés Français °F) élevée (ou incrustante au niveau entartrage) risque de réduire l’efficacité de l’échange du condenseur.

Donc méfiance !

Conception professionnelle et énergétique

Si dès le départ la volonté est de prévoir, lors des périodes caniculaires, un système permettant de maintenir une température de condensation acceptable :

sans approcher le niveau de déclenchement haute pression HP du compresseur (le condenseur n’arrive plus à évacuer la charge thermique);
en garantissant un taux de compresseur HP/BP raisonnable, et par conséquent une efficacité énergétique intéressante;

il est nécessaire de se diriger vers des condenseurs adiabatiques permettant de réduire la température d’entrée de l’air de refroidissement par aspersion de matelas d’eau. Cette technique, selon le fabricant permet de réduire la température de l’air de l’ordre de 5 à 7°C lorsque la température de l’air est supérieure à 24°C.

Condenseur adiabatique.
(Source : Balticare).

Cependant, dans un souci de conception énergétique, à savoir réduire la température de condensation au maximum des possibilités techniques des équipements du cycle frigorifique (Δde pression suffisant de part et d’autre du détendeur par exemple), l’utilisation de l’eau comme vecteur de refroidissement est la solution idéale sachant que les condenseurs « évaporatifs » donnent de bons résultats et s’adaptent petit à petit au marché du secteur commercial en terme de puissance de condensation.

Récupération d’eau de pluie

La récupération d’eau de pluie peut s’avérer intéressante pour aider les condenseurs à travailler dans de meilleures conditions en période chaude par aspersion de la batterie de condensation. Outre le fait que la récupération d’eau de pluie reste une approche durable au sens large du terme (utilisation de l’eau de pluie pour les sanitaires, volume tampon en cas de forte pluie, …), elle permettrait de pallier en période de canicule au manque d’efficacité des condenseurs à air. À l’heure actuelle, les condenseurs « adiabatiques » qui sont mis au point pour réduire significativement les températures d’entrée d’air aux condenseurs, pourraient utiliser l’eau de pluie.

En conception, la récupération d’eau de pluie est envisageable pour tous les types de commerce. En particulier, pour les supérettes, les supermarchés et les hypermarchés, cette récupération est envisageable d’autant plus que les surfaces de toiture sont importantes. La mise en place d’une telle installation nécessite néanmoins de l’espace :

- en zone rurale, cela pose peu de problèmes même dans le cas d’une rénovation importante;
- en zone urbaine, c’est au cas par cas en fonction de’ l’espace disponible.

Pour les moyennes et grandes surfaces, la récupération d’eau de pluie pourrait très bien s’organiser autour d’une citerne d’eau de pluie enterrée ou posée au niveau du parking sans trop compromettre la capacité de stationnement.

Quant au risque de développement de légionelles qu’entraînerait l’évaporation d’eau au niveau d’un condenseur adiabatique, par exemple, le risque semble réduit par le fait que l’évaporation de l’eau se situe aux alentours des 24°C lorsque la température de l’air extérieur est de l’ordre de 30°C par exemple. Il est toutefois conseillé de demander aux différents constructeurs de ce type de condenseur les résultats des tests bactériologiques effectués dans le cadre de cette problématique.

Sous-dimensionnement du compresseur

Le choix d’un condenseur adiabatique permet de réduire les températures de condensation surtout en période de canicule. Pourquoi, alors ne pas en profiter pour sous-dimensionner le compresseur ? En effet, comme le montre l’exemple suivant, pour une température de condensation moindre, un compresseur légèrement sous-dimensionné pourra donner une puissance frigorifique égale tout en consommant moins d’électricité.

Comme montré dans l’exemple, l’auteur et le maître d’ouvrage pourraient partir du principe que l’on réduit de 5 K par exemple la température de condensation pour le dimensionnement du compresseur. Cette décision permettrait de choisir un compresseur de taille plus petite avec, pour la même puissance frigorifique disponible, des performances énergétiques plus intéressantes.

Exemple,

Données

Soit un groupe de condensation composé d’un compresseur semi-hermétique et d’un condenseur. La puissance utile nécessaire est de l’ordre de 25 kW. Un logiciel de fabricant de compresseurs donne les valeurs consignées dans le tableau suivant en fonction des données de prédimensionnement suivantes :

type de fluide réfrigérant : R134A ;
température d’évaporation : – 10°C ;
surchauffe de 5 K

	Température de condensation
	43 °C	35 °C
Taile du compresseur	Modèle standard de gamme	Modèle juste en dessous
Puissance frigorifique [kW]	25,3	25
Puissance absorbée par le moteur [kW]	9,98	7,82
Débit de fluide réfrigérant [kg/h]	649	592
Sous-refroidissement [K]	3	3
COP	2,5	3,2

Les résultats du tableau nous montrent que pour une même puissance frigorifique et par le choix d’un compresseur de puissance plus faible, mais travaillant aussi à une température de condensation plus faible (35 °C au lieu de 43 °C), les performances de la seconde machine sont meilleures :

la puissance absorbée est plus faible et, par conséquent, le COP est meilleur;
le débit de fluide frigorigène est plus faible. On peut donc considérer que la charge de fluide frigorigène sera plus faible (impact sur l’environnement positif).

Conclusion

Il serait intéressant de comparer les prix de deux tailles différentes de compresseurs de même gamme. Si leur prix est identique (le modèle surdimensionné est dans une gamme plus standard que celui de plus faible puissance par exemple), il y a intérêt à choisir celui de la taille supérieure et de reporter le surinvestissement sur la régulation du condenseur par température flottante. En effet :

En période de canicule, le compresseur ne risque pas de tomber en sécurité haute pression et sera dans sa plage de puissance où la performance énergétique est bonne. On ne sera pas nécessairement obligé d’asperger les condenseurs avec de l’eau de ville (surcoût), …
Pour des conditions climatiques de mi-saison et de période froide, la température de condensation pourra être adaptée et, par conséquent, soulager le compresseur par un taux de compression réduit (donc un meilleur rendement volumétrique et énergétique).

Abaisser la température de l’air extérieur

Configuration externe

Configuration interne

Dans la mesure du possible, il faut donc proscrire le placement du condenseur dans un local fermé. Si c’est le cas (pour des condenseurs de chambres frigorifiques, par exemple), il faut assurer une forte ventilation du local et même parfois sa climatisation, si on veut que la température de l’air du local reste suffisamment basse pour pouvoir continuer à refroidir les condenseurs sans faire monter la pression de condensation. On conviendra que cette situation est aberrante sur le plan énergétique !

Récupération de la chaleur de condensation

Il faut garder à l’esprit que l’optimisation du cycle frigorifique passe principalement par :

l’abaissement de la température de condensation dans les limites climatiques possibles;
l’augmentation de la température d’évaporation dans les limites permettant d’assurer la conservation des aliments.

Groupe condenseur à proximité du meuble frigorifique

Pour les machines frigorifiques de petite taille, le condenseur est souvent incorporé ou à proximité immédiate de la machine frigorifique; ce qui signifie que le groupe frigorifique se situe souvent dans l’ambiance du magasin. On utilise souvent des groupes de condensation qui comprennent à la fois :

le compresseur;
le condenseur à air;
les sécurités et la régulation;
les connexions fluidiques des lignes liquides et d’aspiration.

Groupe de condensation.
(Source : Danfoss).

Ce type d’équipement convient en général pour des installations de faible puissance (commerce de détail, chambre froide de boucherie).

En gardant en mémoire le grand principe de la température de condensation minimal à maintenir, une récupération de la chaleur est possible pour chauffer directement un local. Ainsi, un supermarché Delhaize utilise le principe de récupération de la chaleur de condensation :

En période froide, la chaleur du condenseur du groupe frigorifique (armoires de congélation) est soufflée sous le meuble frigorifique dans l’allée froide et contribue à réchauffer l’ambiance. C’est vrai que la température de condensation est élevée et, par conséquent, la performance du compresseur dégradé, mais elle est plus ou moins compensée par la chaleur récupérée afin d’assurer un confort dans les zones de vente.
En été, la chaleur est évacuée à l’extérieur par un jeu de clapets.

Configuration	Type de groupe de condensation	Type de meuble	Déperdition de l’enveloppe	Énergie finale Consommée chaudière [kWh/h]	Energie finale électrique consommée [kWh/h]	Energie primaire consommée [kWh/h]	Coût de l’énergie [€/h]	kg/h de CO₂
1	incorporé	fermé	faible	0	5.6	14.7	0.6	3.7
2	incorporé	fermé	forte	9.3	5.6	23.1	1	5.8
3	externe	fermé	forte	20	1.4	23.7	1.2	5.9
4	incorporé	ouvert	forte	0	12	31.6	1.32	7.9
5	externe	ouvert	forte	35.6	4.8	48.2	2.3	12.1

Condenseur à l’extérieur

Pour les machines frigorifiques de taille importante (supérette, supermarché, hypermarché, …), nécessitant des équipements tels que les centrales de compresseurs, la configuration classique est le placement du ou des condenseurs à l’extérieur (en toiture, à l’ombre d’un mur, …). En effet, thermiquement parlant, la gestion d’une telle quantité de chaleur dans une configuration interne serait impossible.

En ce qui concerne la récupération de chaleur sur ce type d’installation, vu que le condenseur est en dehors des zones de vente, on ne peut pas directement récupérer la chaleur des condenseurs dans les zones de vente. Le placement d’un équipement intermédiaire (ballon tampon par exemple) entre le compresseur et le condenseur permet la désurchauffe des gaz à la sortie des compresseurs. La chaleur de désurchauffe peut donc être utilisée pour chauffer un ballon d’eau. Un problème surgit cependant : la quantité de chaleur récupérée par désurchauffe est faible par rapport à la chaleur de condensation. Il est dès lors nécessaire de dimensionner le ballon afin de provoquer la phase de condensation dans le ballon. C’est pour cette raison que l’on ne peut concevoir une récupération de la chaleur de condensation

qu’à basse température (30-40°C);
qu’avec un ballon de récupération surdimensionné.

L’eau chaude qui en ressort peut servir :

à préchauffer directement l’eau chaude sanitaire;
à chauffer les zones de vente par un chauffage au sol par exemple.

Concevoir

Pour en savoir plus sur la récupération de chaleur, cliquez ici !

Choix d’un condenseur évaporatif

Condenseur évaporatif hybride.
(Source Balticare).

Le fluide frigorigène échange directement sa chaleur avec l’eau et l’air de refroidissement (il n’y a pas de couplage condenseur à eau – tour de refroidissement).
Tout comme les circuits de condensation à eau (condenseur à eau associé avec une tour de refroidissement), les condenseurs évaporatifs trouveront leur place dans les projets de froid alimentaire nécessitant des puissances élevées (de l’ordre de 300 kW froid minimum); ce qui correspond plus ou moins à la puissance nécessaire pour alimenter en froid un supermarché important (> 2 500 m² de surface au sol).

On utilisera ce type de condenseur au cas par cas sachant que le risque de développement de légionelles dépend de l’entretien et du contrôle fréquent de l’installation.

Ce type d’installation implique que les quantités de fluide frigorigène sont plus importantes vu qu’ils est forcément nécessaire de placer le condenseur évaporatif à l’extérieur parfois loin des compresseurs (groupe frigorifique dans la cave et le condenseur évaporatif en toiture par exemple). À cette solution, pour réduire les quantités de fluide frigorigène, on préfèrera alors le condenseur à eau associé avec une tour de refroidissement tout en étant bien conscient que cette solution nécessite de gérer efficacement les risques liés aux légionelles.

Choix d’un condenseur à eau

Le réfrigérant de la machine frigorifique cède sa chaleur à l’eau circulant dans le condenseur. Grâce au coefficient d’échange avec l’eau de 20 à 30 x plus élevé que le coefficient d’échange avec l’air, la taille du condenseur à eau sera plus réduite.

Contrairement à la climatisation des bâtiments tertiaires, en réfrigération commerciale, bien que les équipements aient évolué, le choix d’un condenseur à eau est très rare pour diverses raisons (bonnes ou mauvaises) :

Le condenseur à eau est nécessairement associé avec une tour de refroidissement (investissement plus important, circuits complexes, …). elle, est encombrante, génère du bruit, des frais d’entretien parfois importants, une éventuelle consommation d’eau, … Pourrait-on dire que l’on a déplacé le problème ?
Le risque d’entartrage du condenseur nécessite de traiter l’eau de refroidissement.
La réputation des tours de refroidissement, comme vecteur de développement des légionelles, n’a pas contribué à son développement dans les commerces surtout lorsqu’on choisit une tour de refroidissement ouverte (tout le circuit peut être contaminé).
L’investissement dans ce type de technologie est intéressant pour des puissances frigorifiques importantes; ce qui n’est pas souvent le cas dans les commerces.
La matière utilisée est souvent le cuivre ou l’acier, bons conducteurs thermiques, en fonction des contraintes (attention cependant que le cuivre ne peut pas être adopté en cas d’utilisation d’ammoniac comme fluide frigorigène).
…

Néanmoins, pour autant que la maintenance soit effectuée dans les règles de l’art, on pourrait envisager le choix de condenseur à eau associé à une tour de refroidissement fermée afin, pour des installations de moyenne puissance comme dans les supermarchés et hypermarchés, de réduire la quantité de fluide frigorigène comme c’est le cas dans certains pays tel que le Luxembourg par exemple. Donc le choix d’un échangeur à eau offrirait les avantages suivants :

L’échangeur sera moins encombrant.
Il est moins bruyant que le condenseur à air. Il permet plus facilement la récupération de chaleur puisque la chaleur est contenue dans de l’eau, plus facilement déplaçable.
La température de condensation peut plus facilement être stabilisée que dans les condenseurs à air.
…

Pour le refroidissement, on peut utiliser :

L’eau du réseau (eau potable), mais cette solution est à proscrire vu la consommation exorbitante d’eau qu’elle entraîne.
L’eau de nappes phréatiques, de lac ou de rivière (demander l’autorisation). Les eaux contiennent plus ou moins d’impuretés qui se déposent sur les tubes. Ces dépôts peuvent réduire considérablement le coefficient de transfert de chaleur. À défaut de la mise en place d’un système de nettoyage automatique, il faut surdimensionner l’échangeur de sorte que les performances de l’installation restent suffisantes.

Enfin, il se peut, lors d’une rénovation importante ou un changement d’affectation d’un immeuble par exemple (plutôt en milieu urbain), que les machines frigorifiques ne puissent être placées que dans les caves. Dans ce cas précis, il serait intéressant d’envisager le condenseur à eau pour autant que la puissance frigorifique soit suffisante.

Choix de la régulation

Principe de base : abaisser la température de condensation

Abaisser la température de condensation, c’est abaisser le niveau de pression à la sortie du compresseur, c’est donc diminuer le travail de celui-ci et l’énergie qu’il consomme.

Par exemple, abaisser la température de condensation de 10°C génère généralement plus de 10 % de réduction de la puissance électrique. Les constructeurs annoncent même 2 % d’économie par degré abaissé dans certains cas.
De plus, une basse température de condensation entraîne un niveau moins élevé de pression, ce qui permet souvent de choisir un compresseur d’un modèle plus petit, donc moins cher.

Nous devrions avoir d’excellents rendements dans nos régions où les canicules sont rares !

En théorie, c’est tout bénéfice pour le compresseur qui a moins de mal à travailler !

Et pourtant … ce n’est pas si simple de réduire la température de condensation. En effet, les interactions avec les autres équipements du circuit frigorifique vont limiter la plage de variation vers le bas de la température de condensation. Les interactions les plus marquantes se manifestent au niveau du détendeur thermostatique, du compresseur.

Influence sur le détendeur thermostatique

Il en résulte, avec une haute pression trop faible, que l’alimentation en réfrigérant est insuffisante, particulièrement au démarrage.
Avec un détendeur thermostatique, il est donc nécessaire de maintenir une haute pression suffisamment élevée. Dès lors, le constructeur impose une pression minimale, côté HP, à la sortie du condenseur (par exemple 12 bars pour le R22).

Influence sur le compresseur

Vu que le détendeur n’alimente pas correctement l’évaporateur (surtout au démarrage), le compresseur, même s’il aspire correctement une partie des vapeurs du fluide frigorigène, est sous-alimenté. La basse pression devient aussi insuffisante et le groupe compresseur se met en sécurité basse pression. Mais comme cette sécurité est à réenclenchement automatique, le compresseur « pompe », se fatigue et finalement déclenche par son thermique.

Ce problème est renforcé en hiver… Si l’air est à 0°C, la surface d’échange devient excessive. De plus, on n’aura plus besoin de la pleine puissance frigorifique. De sorte que le condenseur sera largement surdimensionné pendant les périodes froides.

S’il fait plus froid dehors, le constructeur va diminuer le débit d’air de refroidissement (en arrêtant l’un ou l’autre ventilateur, par exemple), mais il va maintenir le niveau de pression ! en fait, la régulation des ventilateurs sera réalisée sur base du pressostat HP.

Supposons que le ventilateur du condenseur fonctionne en tout ou rien, avec l’exigence du constructeur de maintenir les 12 bars minimums.
Par exemple, il s’enclenche lorsque la pression monte à 16 bars et déclenche lorsque la pression descend à 12 bars. Ceci entraîne des cycles on-off « rapides » (+/- 2 min.) et une « fatigue » du moteur. En plus, la mise en route brutale du ventilateur provoquera une chute soudaine de la pression et de la température de condensation. Ceci provoque à son tour une ré-évaporation du liquide resté à la même température. Les bulles de vapeur provoquées par ce phénomène peuvent perturber le bon fonctionnement du détendeur et donc de l’installation (« flash gaz »).

Il y a économie sur le ventilateur… mais pas sur le compresseur !

Cas particulier

Pour les rendre inopérants, il suffit de remplir d’office certains tubes avec du réfrigérant liquide. Ce réfrigérant liquide sera sous-refroidi, mais la surface d’échange utile du condenseur ayant fortement diminué il ne pourra en condenser trop. Ce remplissage est obtenu par une vanne à 3 voies fonctionnant automatiquement et branchée sur un réservoir auxiliaire de réfrigérant.

Comme il faut une certaine quantité de liquide pour remplir ces tubes, il y a lieu de prévoir un réservoir et une quantité de réfrigérant suffisamment grande.

Première amélioration : travailler avec un ventilateur à vitesse variable ou une cascade de ventilateurs

En plus de la réduction de consommation électrique du ventilateur, on optimisera le fonctionnement du compresseur qui restera régulé à 12 bars (dès que la pression augmente, le ventilateur accélère; et si la charge augmente encore, c’est la pression qui augmente naturellement).

Régulation condenseur à air.

Deuxième amélioration : travailler avec un détendeur électronique

Si le détendeur thermostatique travaille généralement avec une température minimale de condensation de 35°C, le détendeur électronique peut travailler avec une température minimale de condensation de l’ordre de 20°C voire moins dans certains cas! C’est essentiellement la capacité du détendeur électronique à gérer correctement l’alimentation de l’évaporateur, même avec des hautes pressions en amont faibles, qui conditionne la limite basse de température de condensation.

Détendeur électronique.

Il est plus cher à l’investissement, mais ce prix est largement récupéré par l’usage de l’installation.

Pression de condensation flottante

La présence d’un détendeur numérique permet d’optimiser la température de condensation en fonction de la charge du compresseur.

Exemple.

Voici la séquence prévue par un constructeur de régulation :

A 100 % de puissance, l’écart « température de condensation – fluide de refroidissement » est choisi à 12 K.

Exemple.

si la T°ext = 30°C et Travail compresseur = 25 %, la T°condensation = 36°C;
si la T°ext = 30°C et Travail compresseur = 50 %, la T°condensation = 38°C
si la T°ext = 20°C et Travail compresseur = 25 %, la T°condensation = 26°C;
si la T°ext = 10°C et Travail compresseur = 25 %, la T°condensation = … 20°C car c’est la valeur minimale de condensation.

Remarque.

Adopter une température minimale de condensation de 20°C suppose que le sous-refroidissement soit suffisamment élevé. À défaut, la moindre perte de charge sur le tracé va provoquer une vaporisation dans le condenseur (« flash-gaz »). C’est parfois un problème rencontré lorsqu’il faut remonter plusieurs mètres avec la tuyauterie. Pour s’en prémunir, il est possible de sous-refroidir volontairement le liquide par la création d’une zone de sous-refroidissement dans le condenseur (voir figure), ou en plaçant un échangeur à plaques sur le liquide (à la sortie).

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Armoires et chambres froides

Fonction

Les armoires et chambres froides assurent la conservation des matières premières nécessaires à la préparation des repas traiteur par exemple et celles des produits finis ou semi-finis qui doivent être stockés.

Il existe aussi bien des armoires et chambres à température positive (enceinte réfrigérée ou réfrigérateur) qu’à température négative (enceinte de congélation ou congélateur).

Types

On distingue les armoires frigorifiques des chambres frigorifiques.

Dans une chambre froide, les personnes peuvent circuler. Une chambre froide est donc plus volumineuse qu’une armoire froide.

Photo chambre froide.

Il existe trois types de chambres froides :

la chambre froide compacte,
la chambre froide modulable, démontable,
la chambre froide bâtie.

La chambre froide compacte

Photo chambre froide compacte.

Comme son nom l’indique, il s’agit d’un équipement offrant dans un volume compact, sans saillie extérieure, un maximum d’espace utile.

Une chambre froide compacte est une chambre à groupe frigorifique incorporé. Le groupe frigorifique est dit « monobloc ». L’évaporateur est fixé sur la face intérieure de la chambre, le compresseur et le condenseur sur l’autre face.

Une chambre froide compacte est, en général, plus petite qu’une chambre froide modulable, démontable. Elle est indémontable.

Elle est plutôt utilisée pour le stockage des matières premières livrées en emballage fournisseur ou pour les produits préparés ou semi-préparés à conserver.

Équipée de rayonnage, elle peut, en cas d’exiguïté de locaux par exemple, être utilisée de manière mixte : pour le stockage et comme chambre de jour.

La chambre froide modulable, démontable

Photo chambre froide modulable.

Compte tenu de la rapidité avec laquelle évoluent les formules de plats tout préparés, les goûts de la clientèle, les approvisionnements, une solution trop figée ou définitive n’est pas souhaitable. Pour cela les fabricants de matériel ont mis au point les chambres froides modulables entièrement démontables.

Elles sont composées de panneaux préfabriqués divers : côtés, plafonds, sols, portes, coffres… Les équipements de production de froid sont adaptés à ces modules.

Une chambre froide modulable, démontable est, en général, plus grande qu’une chambre compacte.

Le groupe frigorifique n’est pas monobloc. Des consoles sont prévues sur certains panneaux pour supporter la batterie froide (ou évaporateur) de l’installation. Quant au compresseur, au condenseur et au détendeur, ils ne sont pas incorporés à la chambre. Ils sont, en général, placés dans un local technique.

Une chambre froide est rapidement mise en place et en service (une chambre froide bâtie de 20 m³ demande environ 2 semaines de travail de construction alors qu’une journée suffit s’il s’agit d’une chambre modulable).

La chambre froide bâtie

On la trouve fréquemment dans les anciens établissements tels que les boucheries établies depuis longtemps. Le volume utile est sensiblement celui des chambres modulables. Il est souvent fonction de la configuration des locaux qui n’est pas toujours très fonctionnelle.

Description

Composants techniques

Les armoires et chambres comportent:

une enceinte en matériau isolant,
une machine frigorifique à condenseur à air ou à eau,
des rayonnages fixes, clayettes ou chariots mobiles, selon le cas.

Les parois

Les panneaux préfabriqués comprennent une âme en matériau isolant (mousse de polyuréthane en général) placé en sandwich entre deux feuilles métalliques en aluminium, en acier inoxydable, en tôle d’acier laquée ou entre deux panneaux stratifiés ou en une combinaison des deux.

Conformément à la convention de Montréal, l’emploi d’isolant exempt de CFC et de HCFC se généralise.

Spécificités de la chambre froide modulable, démontable.

Les panneaux sont modulables par 30 ou 40 cm selon les marques, tant en largeur qu’en hauteur. Ils sont spécialisés selon la fonction qu’ils assurent dans la structure de la chambre : parois, angles, sol, plafond (portée sans appui intermédiaire jusqu’à 3 mètres environ), portes et huisseries.

Chaque panneau possède sur son périmètre un système de joints d’étanchéité.

Le groupe frigorifique

Le maintien de la température de stockage est assuré par une machine frigorifique à compression : groupe à air ou à eau.

L’armoire et la chambre froide compacte

L’ensemble du groupe frigorifique est incorporé à la chambre.
Le groupe frigorifique est dit « monobloc ». L’évaporateur est fixé sur la face intérieure de la chambre, le compresseur et le condenseur sur l’autre face.

La chambre froide modulable, démontable

L’évaporateur du groupe frigorifique est en général suspendu au plafond et muni d’un ventilateur pour une meilleure diffusion de l’air froid.

Les équipements intérieurs

La chambre froide compacte

La chambre froide compacte peut être équipée de rayonnages.

La chambre froide modulable, démontable

La conception des panneaux n’autorise pas le support direct des équipements : ceux-ci doivent obligatoirement trouver appui sur le sol par l’intermédiaire de montants ou de portiques. Tous les types courants d’aménagement sont disponibles : rayonnages, clayettes, chariots mobiles, coffre à poisson ou à fromage, barres à dents pour morceaux de viande, etc..

Gamme

L’armoire froide

Les volumes sont annoncés en litres et non en m³ ce qui implique de petits volumes (1 500 l maximum). Les volumes annoncés sont utilisables à plus de 90 % car il n’y a pas de circulation à réserver.

La chambre froide compacte

Les volumes proposés vont de 2,2 m³ à 7,2 m³ (moins de 10 m³). Un espace de service et de circulation doit être prévu ce qui ramène le volume utile à 50 % environ pour les petits modèles et à 60 % environ pour le plus gros modèle (+ 5 m³).

La chambre froide modulable, démontable et la chambre froide bâtie

Les volumes annoncés vont jusqu’à 60 m³ en un ou plusieurs compartiments. L’espace utile correspond à environ 80 % de ces volumes car l’on doit prévoir

une circulation de l’air pour faciliter l’échange calorie/frigorie avec les denrées entreposées,
une circulation de service pour le personnel.

Installation

Il y a lieu de prévoir :

Pour les chambres froides, dans le cas où la machine frigorifique est refroidie par l’air, une aération du local où se trouve le condenseur et compresseur (c’est-à-dire dans le local où se trouve la chambre frigorifique ou dans le local technique).

Si le condenseur est refroidi par ce fluide, une arrivée et une évacuation d’eau.

Une évacuation des eaux de dégivrage.

Précautions d’utilisation

Enceintes à température positive

Il est recommandé d’affecter une enceinte à chaque famille de matière première (c’est-à-dire « à risque différent ») : produits laitiers, viandes, volailles et charcuterie non stables, produits stables et semi-conserves.

Le niveau de séparation dépendra fortement de la grandeur de l’exploitation.

Plus petite elle est, moins les produits à risque différents pourront être stockés
dans des enceintes différentes. La séparation devra alors se faire différemment par le zonage ou l’emballage.

Les plats cuisinés à l’avance, après réfrigération, doivent être conservés dans une chambre spécifique. Les plats sont placés sur des chariots, paniers ou clayettes.

Enceintes à température négative

Les produits congelés et surgelés peuvent séjourner dans une même enceinte où la température est égale ou inférieure à -18 °C. Les produits de même nature seront regroupés par zone. Pour les enceintes de congélation supérieure à 10 m³, la loi impose un système d’enregistrement automatique de la température. Les enregistrements doivent être datés et conservés pendant 1 an (A.M. belge du 28 01 1993).

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Régulation des pompes à chaleur

Fonctionnement monovalent

Dans un fonctionnement monovalent, la PAC représente l’unique producteur de chaleur et couvre tous les besoins en énergie de chauffage du bâtiment, c’est pourquoi la température maximale possible du système de chauffage est fonction de la température maximale autorisée en sortie du condenseur.

Fonctionnement bivalent

PAC domestique mono-énergétique

La petite PAC de chauffage domestique est disponible de série. Par exemple, pour une maison familiale très isolée dont les besoins thermiques maximums se montent à 8 kW, une PAC compacte de 4 kW de puissance thermique (1.3 kW au compresseur) fonctionnant en mode bivalent peut couvrir près de 70 % des besoins de chauffage annuel.

La partie centrale de ce genre d’appareils présente une unité compacte composée d’un compresseur et d’un condenseur aux dimensions réduites. Ce genre d’appareil se branche sur les réseaux de distribution de chaleur comme les chaudières classiques. Le but des fournisseurs est d’offrir aux acheteurs et aux installateurs une pompe à chaleur qui soit pour eux aussi simple d’utilisation que n’importe quel autre générateur de chaleur.

Fonctionnant en général avec l’air extérieur comme source froide, ces modèles sont universels et demandent des frais d’installation relativement limités (conduites d’amenée d’air,.). Ils peuvent donc être adaptés à des réseaux de distribution existants lors du remplacement d’une chaudière.

Un chauffage électrique d’appoint permet de couvrir les périodes de pointe. Cet appoint peut être constitué d’une résistance installée au départ du réseau de distribution. Ce fonctionnement « monoénergétique » engendre des frais d’investissement peu élevés, mais une dégradation du rendement énergétique.

Un enclenchement manuel est souvent moins gourmand en énergie qu’un enclenchement automatique. De plus, par grand froid, il vaut mieux renoncer à l’abaissement nocturne de la température afin d’éviter une forte demande d’énergie matinale (qui requiert une forte contribution de l’appoint électrique direct). C’est la qualité de la régulation qui diminue d’autant …

Fonctionnement bivalent-parallèle

On parle de fonctionnement bivalent lorsque, en plus de la PAC, un producteur de chaleur supplémentaire est à disposition (en général une chaudière). « Parallèle » signifie qu’en dessous du point de bivalence, les deux producteurs de chaleur travaillent parallèlement. Avec un point de bivalence situé à 50 % de la puissance de dimensionnement, 80 à 90 % du besoin annuel de chaleur peut être couvert par la pompe à chaleur. Les conditions suivantes doivent être remplies :

La température de retour maximale du système de chauffage ne doit pas dépasser la température maximale admise à l’entrée du condenseur.
La température de départ du système de chauffage ne doit pas excéder, au point de bivalence, la température maximale de sortie du condenseur.
Le système de raccordement hydraulique et les débits doivent être réglés de telle façon que la puissance puisse être délivrée à n’importe quelle phase du fonctionnement et que la température maximale admise de sortie du condenseur ne soit jamais dépassée.

Fonctionnement bivalent-alternatif

Le passage du point de bivalence entraîne la commutation d’un producteur de chaleur à l’autre. On obtient ainsi des conditions de fonctionnement clairement définies et facilement compréhensibles, ce qui n’est pas le cas pour le bivalent-parallèle. Ce système implique les conditions suivantes :

La température de départ du système de chauffage, au point de bivalence, ne doit pas dépasser la température maximale de sortie du condenseur.
Lors de la commutation, le producteur de chaleur superflu doit être chaque fois déconnecté du système hydraulique.
La commutation inverse s’effectue en respectant un écart de T° réglable (sécurité).

Régulation de l’accumulation de chaleur

Deux types d’accumulateur de chaleur

Le condenseur ne contient qu’une très faible quantité d’eau et son comportement ressemble à celui d’un chauffage instantané. Un accumulateur à la sortie du condenseur est donc souvent indispensable. On distingue l’accumulateur tampon, mal nécessaire pour garantir une fréquence d’enclenchement maximale admissible (avec une fréquence d’enclenchement trop importante, on risque une usure prématurée du matériel et la PAC ne donne pas ces meilleurs rendements), de l’accumulateur de chaleur, pour stocker de grandes quantités de chaleur sur une longue période. C’est bien de ce dernier dont nous discutons ici.

La commande et le réglage de la température de sortie du condenseur peuvent se dérouler de manière adaptée ou constante, cela dépend du mode de chargement :

> Dans le cas d’un chargement étagé, l’accumulateur est chargé par étapes, en plusieurs passages avec des températures de sortie du condenseur croissantes. L’avantage est de pouvoir travailler une partie du temps avec une température de sortie du condenseur assez basse, ce qui améliore le COP de la PAC.

Pour diminuer encore cette température en conservant un transfert de chaleur constant, on multiplie le débit par 2 pour autoriser un écart de température 2 fois moins important.

Cette augmentation du débit s’accompagne malheureusement d’un quadruplement des pertes de pressions. L’accumulateur ne peut pas être chargé avec une température finale exacte. Celle-ci varie selon les différences de température choisie à travers le condenseur.

> Lors d’un chargement par stratification, l’accumulateur est chargé en un passage et de manière stratifiée avec une température de sortie du condenseur constante et une différence de température entre l’entrée et la sortie du condenseur variable. La température de consigne du chargement peut être choisie avec précision.

Cette valeur peut être définie selon les conditions météorologiques. Comme la température de sortie du condenseur est constamment élevée, le COP sera moins bon que pour le chargement étagé.

Une fois choisi le type d’accumulateur et le mode de chargement, il faut définir trois points essentiels :

La différence de température dans le condenseur, qui détermine le débit et la consommation de courant de la pompe du condenseur.
Le point d’enclenchement, mesuré par la sonde supérieure de l’accumulateur et permettant de savoir si l’accumulateur est « vide », ce qui provoque l’enclenchement de la pompe à chaleur.
Le point de déclenchement, mesuré par la sonde inférieure de l’accumulateur (ou sonde dans le circuit de retours vers la pompe à chaleur permettant de savoir si l’accumulateur est « plein », ce qui provoque le déclenchement de la pompe à chaleur).

En outre, on peut également prévoir une régulation supplémentaire permettant, en fonction des conditions météorologiques :

L’enclenchement et le déclenchement étagé ou par stratification.

Le réglage de la température de charge en cas de chargement par stratification.

Les dispositifs de sécurité

Différents dispositifs de sécurité veillent au maintien de conditions d’exploitation admissibles :

pressostats Haute (1) et Basse (2) Pression pour le contrôle des valeurs limites dans le condenseur et l’évaporateur,
thermostat de surveillance de la température des gaz chauds (3),
soupapes de sécurité, points ou membranes de rupture assurant la protection contre les explosions ou les surpressions extrêmes,
thermostat de protection du bobinage (klixon) contrôlant la température du moteur électrique (4),
pressostats de sécurité pour la pression de l’huile (5) destinée à la lubrification,
déshydrateur assurant une protection contre l’humidité et les impuretés dans le fluide (6),
regard sur le passage du fluide (7),
thermostat de protection antigel évitant l’apparition de givre sur l’évaporateur (8),
dispositif de surveillance des flux pour protéger l’évaporateur contre le danger de gel et le condenseur contre le danger de surchauffe (9),
bypass « gaz chaud » pour la protection contre le gel dans les PAC air/eau (A),
bypass de détente pour démarrage (B).

Ces dispositifs de sécurité doivent absolument fonctionner comme organe de sécurité et jamais comme organe de commande. Une plage suffisamment grande doit toujours être maintenue entre les valeurs de consigne de la commande/régulation et les valeurs du système de sécurité.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Générateur de vapeur

Production de la vapeur

Qualité de l’eau

La production de vapeur d’eau nécessite que l’eau osmosée soit de qualité afin d’éviter l’entartrement rapide des éléments du générateur de vapeur dû à sa corrosivité et son agressivité. L’eau utilisée est de l’eau « osmosée » obtenue par procédé d’osmose inverse.

Production locale de vapeur

Pour une production locale, chaque stérilisateur a son propre générateur de vapeur à proximité. Cette configuration :

(+)

est d’une grande souplesse puisque chaque installation est indépendante l’une de l’autre;
permet un retour naturel des condensats formés dans la distribution lorsque le générateur est sous la cuve de l’autoclave;
par sa proximité diminue les pertes en ligne (distribution restreinte);
par sa compacité, réduit l’espace nécessaire (pas de besoin de local technique à proximité);
…

(-)

puissance installée plus importante;
lorsque le générateur est en panne, nécessite la mise à l’arrêt du stérilisateur dont il dépend;
…

Production centrale de vapeur

La production centralisée est composée d’une batterie de générateurs de vapeur qui alimente plusieurs stérilisateurs en parallèle. Dans cette configuration, un calcul correct de la puissance totale, de la redondance des générateurs et de la taille de la conduite mère est nécessaire pour garantir un approvisionnement continu des stérilisateurs en cas de défaillance d’un des générateurs.

Cette configuration :

(+)

lorsqu’un générateur est en panne, ne perturbe pas le fonctionnement des stérilisateurs
réduit la charge thermique présente dans l’enceinte de la stérilisation centrale;
…

(-)

provoque plus de perte en ligne sachant que la production risque de se trouver éloignée;
nécessite un local technique;
pas d’intermittence possible;
…

Production électrique

Les installations de Stérilisation Centrale sont, en général, équipées de générateurs électriques. On peut résumer les avantages et inconvients de ce type d’installation ci-dessous :

(+)

Compacité importante;
libre modulation de puissance suivant le nombre de résistances électriques;
régulation aisée;
libre choix de la centralisation ou pas de la production;
facilité d’entretien;
simplicité de construction;
coût de fabrication raisonnable;
…

(-)

consommation d’électricité directe (prix du kWh heures pleines);
risque de « claquage » des résistances électriques;
lorsque le générateur est en panne, nécessite la mise à l’arrêt du stérilisateur dont il dépend;
…

Production thermique

Dans les hôpitaux existants, on trouve encore régulièrement des chaudières vapeur thermiques au gaz, au fuel ou mixte. Ces chaudières, à basse pression, sont utilisées pour alimenter les « douches de cuisson » des cuisines et ne permettent pas sans gros frais de produire de la vapeur 3 bar 134 °C.

On trouve rarement des installations de chauffage avec chaudière vapeur thermique. Toutefois, lorsqu’elles sont encore en fonction, il serait dommage de ne pas en bénéficier pour produire de la vapeur de stérilisation. Dans ce cas, certains constructeurs de stérilisateur proposent le placement d’échangeur vapeur/vapeur.

Technologie du générateur

Les générateurs de vapeur sont des appareils travaillant à haute température et sous pression (134°C, 3 bar pour les cycles les plus courants). C’est pour cette raison qu’ils doivent répondre, entre autre, à la directive 97/23/EC concernant les équipements sous pression.

Le générateur de vapeur se compose essentiellement :

d’un cylindre en acier inoxydable de la qualité 316 Ti par exemple; l’acier inoxydable permettant d’éviter la corrosion interne de la cuve par l’agressité et la corrosivité de la vapeur;
de résistances électriques chauffantes;
d’une jaquette isolante permettant de limiter les pertes des parois;
d’équipements de contrôle, de mesure, de sécurité, …
de tuyauteries de connection d’entrée d’eau osmosée et de sortie vapeur.

Les résistances électriques

Dans les générateurs électriques, plusieurs résistances électriques sont plongées dans l’eau en permanence; de leur immersion dépend leur survie. C’est pour cette raison que le niveau d’eau est contrôlé en permanence et est compensé par des appoints d’eau osmosée.

De la qualité de l’eau dépend aussi la pérennité des résistances chauffantes. En effet, l’eau doit avoir une dureté de l’ordre de 7°F. Au dessus de cette valeur l’entartrement des résistances est irrémédiable. En effet, le tartre constitue un isolant qui empêche la résistance de communiquer son énergie à l’eau. Il s’ensuit souvent un « claquage de la résistance ».

Les résistances électriques sont alimentées en basse tension (380-400 V ~). Leur nombre et leur puissance unitaire sont variables suivant la puissance et la modulation de puissance à atteindre par rapport à la capacité thermique des stérilisateurs.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir le compresseur de la machine frigorifique [Froid alimentaire]

Compresseur semi-hermétique en centrale.
(Source : carrefour Mons).

Les critères thermiques

Température d’évaporation la plus haute possible.

La température d’évaporation est naturellement dictée par la nécessité de maintenir dans l’espace à réfrigérer une température définie en fonction du type de denrée à conservation. Néanmoins, l’option de « coller » le plus haut possible à cette température nécessite de choisir des systèmes de régulation adéquats pour piloter la plupart des équipements du circuit frigorifique.
Le maintien d’une température « haute » ou « haute pression » dans l’évaporateur, quelle que soit la charge frigorifique au niveau de l’évaporateur, influence :

le choix du détendeur et de sa régulation par rapport à la surchauffe;
le choix de la régulation du compresseur.

Régulation de la surchauffe et du débit du compresseur.

Température de condensation la plus basse possible.

La température de condensation dépend en grande partie de la température de l’air pour un condenseur à air et de la température de l’eau pour un condenseur à eau. Néanmoins, l’option de « coller » le plus bas possible à cette température nécessite de choisir des systèmes de régulation adéquats pour piloter la plupart des équipements du circuit frigorifique.
Le maintien d’une température « basse » ou « basse pression » au condenseur, quelle que soit la charge frigorifique et les conditions externes d’échange, influence :

le choix du détendeur et de sa régulation par rapport à la différence de pression à laquelle il est soumis;
le choix du condenseur et de sa régulation;
le choix de la régulation du compresseur.

Régulation de la surchauffe et du débit du compresseur et de la pression de condensation.

Les critères de choix énergétique

Le coût du placement des installations frigorifiques commerciales est important et les compresseurs en représentent une part importante. Pour cette raison, sur le plan énergétique, il est nécessaire d’établir des critères de sélection. En réalité ils sont peu nombreux et les seuls à émerger vraiment sont :

le coefficient de performance énergétique EER (Energy efficiency Ratio) ou couramment appelé COP_froid;
le taux de compression HP/BP;
le rendement volumétrique.

Le coefficient de performance COP

Tous les compresseurs ne présentent pas une performance égale. Cette performance peut être mesurée via le COP de la machine frigorifique dans laquelle ils seront insérés.
Contrairement au domaine de la climatisation, en froid commercial, la détermination d’un EER ou COP_froid global et annuel d’une machine frigorifique n’est pas évidente à évaluer. La plupart des grandes marques adoptent très peu les protocoles d’établissement de performance énergétique des standards comme EUROVENT et AHRI (Air-conditioning and Refrigeration Institute).
Par contre, les fabricants de compresseurs renseignent de manière précise sur leur site des valeurs de EER ou permettent l’utilisation de leur logiciel de dimensionnement et de sélection en fonction de différents paramètres tels que :

la température d’évaporation;
la température de condensation;
le type de fluide frigorigène envisagé;
la valeur de sous-refroidissement
la valeur de surchauffe;
….

Pour un même compresseur sélectionné, la variation des valeurs des paramètres de sélection influence de manière différente la valeur du COP.

Prévoir dès le départ la mesure du COP de l’installation :

Pour la bonne gestion future d’une grosse installation, on peut imaginer de placer un compteur d’énergie sur l’eau glycolée d’un circuit caloporteur et un compteur électrique sur le compresseur (coût de l’ordre de 5 000 Euros). Il sera alors possible d’imposer un COP moyen annuel minimum à la société de maintenance… en laissant celle-ci se débrouiller pour y arriver. Un remboursement de la différence peut être prévu comme pénalité en cas de non-respect.

Le taux de compression HP/BP

Le taux de compression HP/BP d’un compresseur, comme son nom l’indique, est le rapport de la pression absolue de refoulement par celle d’aspiration. C’est une caractéristique principalement :

intrinsèque aux compresseurs à vis et scroll (caractéristiques géométriques et mécaniques du compresseur);
extrinsèque aux compresseurs à piston.

Mais comme toute machine au sens large du terme, la choisir hors de son contexte ne rime à rien. Les conditions de pression au niveau du condenseur pour la haute pression et de l’évaporateur pour la basse pression.
Le taux de compression influence les performances énergétiques du compresseur en influençant le rendement volumique de la machine.
Pour rappel, les conditions de pression et de température sont dictées au niveau :

du condenseur (haute pression) par les conditions externes de refroidissement (la température de l’air externe pour un condenseur à air par exemple);
de l’évaporateur (basse pression) par la charge frigorifique à refroidir à une certaine température (et donc à une certaine pression).

Les compresseurs à vis et scroll

Pour les compresseurs à vis comme pour les compresseurs scroll, le risque est de sélectionner un compresseur dont le taux de compression est trop élevé : le compresseur travaillera « pour rien » puisque le fluide frigorigène sera trop comprimé puis se détendra au travers de l’orifice de refoulement jusqu’à atteindre la pression de condensation.
La pression de condensation est liée au régime de fonctionnement du condenseur de l’installation. Il importe que la pression interne de refoulement soit la plus proche possible de la pression de condensation.
Le concepteur choisira un « rapport de volume interne » (cela correspond au taux de compression, mais exprimé sous forme d’un rapport entre les volumes à l’entrée et à la sortie du compresseur) approprié au cas d’utilisation et pour lequel le compresseur exige la plus faible puissance d’entraînement possible.
Pour les cas où les conditions de pression de fonctionnement varient fortement, on a mis au point le compresseur à vis à rapport de volume interne variable. Le taux de compression s’adapte automatiquement au rapport de pression utile en fonction des paramètres de température de condensation et de température d’évaporation.
Cette technique optimalise le rendement énergétique tant à pleine charge, qu’à charge partielle.
On peut atteindre sans problème des taux de compression importants sans trop dégrader les performances du compresseur. Des taux de compression importants sont obtenus grâce à l’huile qui réduit l’échauffement des gaz comprimés.

Les compresseurs à pistons

Pour les compresseurs à pistons, le taux de compression HP/BP est lié essentiellement aux conditions externes utiles en amont (évaporateur) et en aval (condenseur).
Pour rappel :

Le clapet d’aspiration côté évaporateur (BP) ne s’ouvrira que pour autant que la pression à l’intérieur de la chambre de compression (au point mort bas) soit inférieure à celle dans la tuyauterie d’aspiration.
De même, le clapet de refoulement côté condenseur (HP) ne s’ouvrira que pour autant que la pression à l’intérieur de cette même chambre e compression (au point mort haut) soit supérieure à celle régnant dans la conduite de refoulement.

En général, les compresseurs à pistons, pour des raisons mécaniques et d’étanchéité, n’admettent que des taux de compression de l’ordre de 8 voire maximum 10.
On en déduit que :

pour les applications à froid positif (température d’évaporation de l’ordre de -3 à -14°C), les compresseurs mono étagés suffisent dans la plupart des cas.
à l’inverse, pour les applications à froid négatif (température d’évaporation de l’ordre de -30 à -38°C), les compresseurs biétagés sont utilisés.

Le rendement volumétrique

À une vitesse donnée, un compresseur est garanti par un volume balayé; c’est une des caractéristiques de la plaque signalétique. Mais en réalité, pour certains compresseurs tel que celui à piston, le volume réel aspiré est inférieur au volume balayé. Le taux compression influence fondamentalement l’écart entre le volume réel et le volume balayé, cet écart augmentant avec l’augmentation du rapport HP/BP.
Le rendement volumétrique exprime le rapport entre le volume réel et le volume balayé. Ce rendement volumétrique souvent exprimé en fonction du taux de compression est différent pour les compresseurs à vis et ceux à piston.

Les compresseurs à vis

Étant donné que les compresseurs à vis ont un espace mort pratiquement inexistant, le rendement volumétrique de ces machines est assez bon même à des taux de compression élevés.

À titre d’exemple,

Le graphique ci-dessous illustre l’abaque que fournissent les fabricants de compresseurs à vis. Même si le taux de compression en croissant dégrade le rendement volumétrique, pour un rapport HP/BP de 12, le rendement volumétrique est toujours de 80 %. Le rendement volumétrique se dégrade lorsque la pression en aval augmente pour la simple raison que le reflux des gaz de refoulement vers l’aspiration augmente aussi.

Exemple de courbe de rendement volumétrique d’un fabricant.

Les compresseurs à pistons

Le rendement volumétrique est donné par la relation suivante :

η = 1 – 0,05 x (HP/BP)

A titre d’exemple,

Aux mêmes conditions de fonctionnement que le compresseur à vis ci-dessus, le rendement volumétrique d’un compresseur à pistons est de :

η = 1 – 0,05 x (HP/BP)

η = 1 – 0,05 x 12

η = 0,4 ou 40 %

Cette formule est empirique et permet d’évaluer le rendement volumétrique avec une bonne approximation.

Pour les compresseurs à pistons, le volume balayé est défini par la relation suivante :

V_b = ( π x D² / 4) x C x n x N x 60 [m³/h]

Où :

D : diamètre du cylindre [m];
C : course du piston [m];
n : vitesse de rotation [tr/min];
N : nombre de cylindres;

On voit tout de suite que pour assurer un volume réel équivalent au volume nécessaire à fournir la puissance frigorifique utile, le compresseur devra tourner plus vite toute autre chose restant égale. Par conséquent, la consommation électrique du moteur entrainant le compresseur sera plus importante et défavorable, à puissance frigorifique utile égale, à la performance énergétique du compresseur.

Vue globale

La puissance frigorifique à atteindre constitue un critère de choix classique de départ, mais la sélection d’un compresseur demande une vue globale sur les typologies disponibles en fonction de la puissance frigorifique et sur le mode de régulation de puissance. Un camion peut être très performant, mais s’il est trop puissant, il n’atteint pas la performance de 2 camionnettes…
Dans le tableau synthèse de sélection, on trouvera les deux critères rassemblés.

Choix du type de compresseur

Il existe de nombreuses technologies de conception des compresseurs.

Techniques

Pour découvrir ces diverses technologies, cliquez ici !

Pour aider à la sélection, il est possible de les regrouper par « familles » et d’en tirer leur propriétés communes selon :

le mode de compression;
l’association moteur-compresseur.

Mode de compression

On distingue les compresseurs par le mode de compression :

Les compresseurs volumétriques;
les compresseurs centrifuges;

Les compresseurs volumétriques

Compresseur à vis (Source Bitzer) et compresseur scroll (Source Copeland).

Compresseur semi-hermétique à piston.
(Source Bitzer).

La compression du fluide frigorigène se fait par réduction du volume de la chambre de compression. Il existe des compresseurs à piston, à vis, à spirales (compresseurs scroll) et des compresseurs rotatifs.

Le compresseur centrifuge

La compression du fluide est créée par la force centrifuge générée par une roue à aubes. On parle de turbocompresseur. Les turbo-compresseurs sont souvent choisis dans des applications industrielles de grosses puissances.

Association moteur-compresseur

On les distingue également par l’association moteur-compresseur :

Le compresseur ouvert

Le moteur est dissocié du compresseur et raccordé par un manchon ou une courroie. L’accès aux différents éléments est possible pour réparation et la vitesse de rotation est modifiable en changeant la poulie du moteur. Mais ces deux avantages (fort théoriques…) ne compensent pas le défaut majeur de l’existence d’un joint d’étanchéité rotatif à la traversée du carter par l’arbre. Ce joint, qui doit être lubrifié pour assurer l’étanchéité, est source de fuites… inacceptables aujourd’hui dans un contexte « zéro-fuite » de fluide réfrigérant.

Le compresseur hermétique

Le moteur et compresseur sont enfermés dans une même enveloppe. Le joint tournant disparaît et avec lui le risque de fuite. Mais des contraintes nouvelles apparaissent, dont le fait que le refroidissement du moteur est réalisé par le fluide frigorigène lui-même. Cet échauffement est préjudiciable au cycle frigorifique puisque la température à l’aspiration du compresseur augmente. De plus, si le moteur vient à griller, c’est l’ensemble du circuit frigorifique qui sera pollué : un nettoyage complet du circuit doit être réalisé si l’on veut éviter de nouveaux ennuis. En cas de problème, il n’est plus possible de réparer… Dès lors, un organe de sécurité contre la surchauffe (Klixon) est incorporé. Grâce à cette sécurité thermique, montée dans les enroulements du moteur ou sur ces derniers, l’alimentation électrique sera coupée lors d’une surchauffe du moteur.
Le compresseur hermétique est couramment utilisé pour les petites et moyennes puissances : climatiseurs, armoires de climatisation, pompes à chaleur, …

Le compresseur semi-hermétique

qui réalise un compromis entre les deux produits précédents. Il tente de bénéficier des avantages du groupe ouvert (accès aux mécanismes) et du groupe hermétique (limitation des fuites). Mais l’étanchéité reste imparfaite (nombre de joints non négligeable) et le prix est sensiblement plus élevé que pour le compresseur hermétique.
Le compresseur semi-hermétique est utilisé pour les moyennes puissances

Comment choisir ?

Machines tournantes ?

Globalement en climatisation et réfrigération industrielle, la tendance actuelle est :

à l’abandon des machines à mouvement alternatif (compresseur à pistons),
au développement des machines tournantes, à came rotative, à spirale rotative (scroll) ou à vis.

Le compresseur à vis et compresseur scroll (Source Bitzer).

Les avantages et inconvénients :

(+)

une réduction des pièces mécaniques en mouvement (suppression des clapets) et donc une plus grande fiabilité,
un rendement volumétrique d’un compresseur assez bon grâce à l’absence d’espaces morts, comme dans les compresseurs à pistons,
une plus grande longévité,
un niveau sonore nettement plus favorable (moins de vibrations), surtout pour les appareils hermétiques,
une moindre sensibilité aux entrées de fluide frigorigène liquide (« coups de liquide » destructeurs des compresseurs à pistons),
un coût de maintenance également plus faible, puisque le risque de panne est diminué.

(-)

leur coût d’achat plus élevé;
nécessité de personnel qualifié;
en cas de défaillance, les compresseurs hermétiques tels que les scroll’s doivent être remplacés et sont limités en puissance;
les compresseurs à vis sont de plus grosse puissance et moins adaptés à la puissance frigorifique nécessaire habituellement dans les commerces.

Machines alternatives ?

Le compresseur semi-hermétique à piston (source Bitzer).

Les spécialistes du froid alimentaire dans la distribution quant à eux continuent de préconiser les compresseurs à pistons semi-hermétiques.
Les avantages et inconvénients :

(+)

l’investissement est raisonnable;
la réparation est facile;
au niveau des centrales de compresseurs, le niveau de puissance frigorifique est très modulable par le découpage par étage ainsi qu’une régulation de vitesse sur un des compresseurs;
la gamme de puissance frigorifique unitaire est étendue.

(-)

leur longévité est limitée;
ils sont sensibles aux entrées de fluide frigorigène liquide;
le risque de panne n’est pas négligeable;
…

En matière d’environnement

On choisira des compresseurs hermétiques ou semi-hermétiques pour atteindre l’objectif zéro-fuite de fluide frigorigène, objectif qui sera un jour ou est déjà obligatoire au niveau réglementaire.

Suralimentation des compresseurs à vis

Le fonctionnement technique de la suralimentation dépasse la portée de nos propos, mais le principe de base consiste à injecter une quantité de fluide frigorigène supplémentaire dans le compresseur, à une pression intermédiaire entre la pression de condensation et d’aspiration.
La puissance frigorifique en est nettement améliorée alors que la puissance absorbée n’augmente que légèrement.

Le dimensionnement du compresseur

Dimensionnement classique du compresseur

La puissance de la machine frigorifique a été dimensionnée pour répondre aux conditions de fonctionnement extrêmes (période de canicule), sans compter les surdimensionnements liés aux incertitudes d’utilisation des meubles et des chambres frigorifiques.

Généralités

La première économie consiste à évaluer au plus près la puissance frigorifique nécessaire, car la machine frigorifique s’adapte mal aux bas régimes. Chaque palier de diminution de 25 % de la puissance frigorifique du groupe ne réduit la puissance électrique absorbée que de 10 % en moyenne !
Le dimensionnement courant du compresseur pour une installation de froid alimentaire est naturellement conditionné par :

la puissance frigorifique à fournir
le type de fluide réfrigérant;
la température nécessaire à l’application au niveau de l’évaporateur (froid positif ou négatif, type de denrées à conserver, …) et ce, dans des conditions optimales;
la température extrême qu’il peut régner au niveau du condenseur (température de l’air ou de l’eau selon le type de condenseur).

Une température de condensation qui revient régulièrement dans le dimensionnement classique est de l’ordre de 40°C; ce qui correspond, compte tenu d’un « pincement » (caractérise le dimensionnement du condenseur) de l’ordre de 8 K, à une température d’entrée d’air de 32°C. Cette température d’air d’entrée correspond à une température « caniculaire ».
Ce qui est terrible dans le froid alimentaire, par rapport à la climatisation de bâtiment tertiaire où on pourrait tolérer un certain inconfort momentané, c’est que les règlementations et normes en matière de respect de la chaîne de froid sont très contraignantes (il y a va de la santé des consommateurs) et imposent aux commerçants de prendre les précautions qui s’imposent afin de respecter les températures de conservation. En d’autres termes, le bureau d’étude chargé du dimensionnement des compresseurs n’hésitera pas à prendre une valeur de 40°C de température de condensation même si on observe des températures d’air de l’ordre de 32°C quelques heures sur les 8 760 heures qui composent une année et donc de surdimensionner la puissance des compresseurs.

Froid négatif

On rappelle, de par les limites mécaniques des compresseurs à pistons, par exemple, que le taux de compression HP/BP ne peut pas dépasser en pratique la valeur de 8. En froid négatif, le taux de compression HP/BP nécessaire pour assurer au niveau de l’évaporateur des températures de l’ordre de -35°C implique un taux de compression de l’ordre de 15. Ces applications demandent donc de découper la phase de compression en deux étages.

« Lorsque le taux de compression est trop élevé, on travaille plutôt avec deux étages ».

Afin de réduire au maximum la taille (ou la cylindrée) des compresseurs, la pression intermédiaire entre les deux étages de compression doit être choisie de manière précise. La formule suivante exprime l’optimum de la pression intermédiaire P_i :

P_i = ( HP x BP)^0,5 [bars abs]

Où :

HP : Haute Pression absolue côté aspiration du compresseur [bars];
BP : Basse Pression absolue côté refoulement du compresseur [bars].

Différentes solutions existent pour étager le taux de compression HP/BP :

deux compresseurs séparés sont placés l’un à la suite de l’autre (en série). Mais cette solution est coûteuse;
un compresseur biétagé monobloc permet d’atteindre des taux de compression importants avec l’avantage de n’investir que dans une seule machine.

Le choix de la régulation de puissance du compresseur

Même si la puissance frigorifique du compresseur est calculée au plus juste pour une température de condensation raisonnable, il faut choisir une régulation qui lui permette de répondre à des besoins frigorifiques généralement beaucoup plus faibles que la valeur nominale et fluctuants dans le temps.
Diverses techniques de régulation sont possibles :

La variation de la puissance du compresseur

La variation de la puissance frigorifique de l’application de froid alimentaire (puissance utile à l’évaporateur) conditionne le fonctionnement du compresseur. Pour y répondre, comme le compresseur est de type volumétrique, il doit adapter sa puissance en faisant varier le volume de fluide frigorigène qui le traverse.
À l’heure actuelle, classiquement, la solution consiste à faire varier la puissance du compresseur :

soit en créant une cascade entre plusieurs compresseurs (= compresseurs en centrales);
par variation de la vitesse du compresseur.

Cascade de plusieurs compresseurs

À partir du moment où la puissance frigorifique devient importante (superettes, supermarchés ou hypermarchés), le choix d’une centrale de compresseurs s’impose pour les raisons suivantes :

fiabilité et sécurité d’alimentation en fluide frigorigène (ne pas « casser » la chaîne du froid) puisque les machines sont indépendantes;
modulation de la puissance frigorifique par enclenchement ou déclenchement successifs des différents compresseurs de la centrale.

La variation progressive de la puissance est énergétiquement favorable puisqu’aucune machine n’est dégradée dans son fonctionnement.

Centrale de 3 compresseurs en parallèle.

Bien sûr, le coût d’investissement est plus élevé que si l’on utilisait une seule grosse machine, mais imaginerait-on d’installer une grosse chaudière sans prévoir une cascade pour reprendre les faibles besoins de la mi-saison ?
Un découpage de la puissance en étages est recommandé, tout particulièrement lorsque les variations de charge sont importantes.
Il en résultera :
Un gain sur les kWh (énergie) :

car le « petit » compresseur alimentera un condenseur surdimensionné pour ses besoins, d’où une pression de condensation plus basse,
car le rendement du moteur du compresseur sera amélioré.
Une longévité accrue de l’installation par un fonctionnement plus régulier.
Une sécurité d’exploitation.
Un gain sur la pointe 1/4 horaire en kW (puissance), facturée par la société de distribution.

En général, on établit les enclenchements en cascade sur base de l’évolution de la pression d’aspiration de la centrale des compresseurs. Le tout est temporisé de telle sorte que les compresseurs ne s’enclenchent pas tous les uns à la suite des autres.

La variation de vitesse du compresseur

Centrale positive avec variateur de vitesse des compresseurs.
(Source : Carrefour Mons).

C’est une autre solution avantageuse en plein développement : soit un moteur d’entraînement à deux vitesses, soit un entraînement à vitesse variable. Cette dernière technique est sans aucun doute à recommander actuellement.
Le régime de vitesse s’adapte à la puissance de réfrigération souhaitée.
Par exemple, un variateur de fréquence génère une tension dont la fréquence varie entre 20 et 60 Hz. S’il s’agit d’un moteur prévu pour fonctionner à 1 500 tours à 50 Hz, il tournera entre 600 et 1 800 tours/min selon les besoins.
Pourquoi la limitation à 20 Hz ? Un défaut de lubrification du compresseur peut apparaît à basse vitesse, mais les constructeurs améliorent les systèmes régulièrement et trouvent des solutions.
Cette technique de variation de puissance par la variation de vitesse du compresseur (encore appelée INVERTER) entraine :

Un meilleur respect des températures de conservation des denrées (bonne stabilité de la température à l’évaporateur, car régulation de la pression à l’aspiration du compresseur).
Un rendement énergétique supérieur aux autres techniques de régulation de puissance, car on ne détruit pas le rendement volumétrique, on givre moins (en chambre frigorifique), on limite les dépassements de consigne de régulation propre aux systèmes de régulation tout ou rien (liés au différentiel de régulation).
Une réduction du bruit et des vibrations.
Un cos phi élevé (entre 0,95 et 0,98), ce qui permet d’éviter des pénalités ou le placement de condensateurs de compensation.

Audit	Pour comprendre la facture électrique, cliquez ici !
Gérer	Pour comprendre le placement de condensateurs de compensation, cliquez ici !

Le supplément de coût (si un compresseur coûte 100, sa version avec variateur de vitesse tournera entre 150 et 180) sera rapidement amorti par l’économie d’exploitation. Il ne sera plus nécessaire de prévoir un démarrage étoile-triangle » puisqu’un démarrage « en douceur » est réalisé par le variateur.
A priori, les différents types de compresseurs peuvent être équipés de cette technique (excepté les petits compresseurs hermétiques), mais s’il s’agit de greffer un variateur sur un matériel existant, une consultation préalable du fabricant sera bienvenue (risque de défaut de lubrification).
Cette technique est également intéressante pour les compresseurs à vis (énergétiquement plus efficace que la régulation par tiroir), mais des troubles de lubrification et un échauffement du moteur peuvent apparaître à vitesse réduite.

La mise à l’arrêt de cylindres

Méthode assez répandue parmi les techniques de découpage de la puissance, il est possible de jouer avec la mise hors service des cylindres (ce qui peut s’adapter sur une installation existante).
Avantage :

pour éviter les pointes de courant de démarrage, il est possible de démarrer à vide le compresseur.

Inconvénients :

Ce réglage est énergétiquement moins favorable; les cylindres tournant à vide ont pour conséquence que, pour une puissance de réfrigération de 50 %, par exemple, la machine absorbe encore environ 65 % de la puissance d’entraînement.
La variation de la puissance n’est pas continue (sauts de puissance).
L’usure de la machine est pratiquement identique à vide ou en charge.

L’obturation de l’orifice d’aspiration

À cet égard, le réglage par un étranglement dans la conduite d’aspiration n’est pas meilleur. On modifie alors la puissance de réfrigération en agissant sur le débit du réfrigérant.

L’injection des gaz chauds

Quant au réglage de la puissance du compresseur par injection des gaz chauds dans l’évaporateur ou à l’entrée du compresseur, il faut le qualifier de « pur gaspillage d’énergie ». Dans ce cas, la puissance absorbée reste la même lorsque la puissance de réfrigération diminue. De plus, ils provoquent un échauffement du moteur. Dans la mesure du possible, il faut mettre ce système aberrant hors service dans les installations existantes.
C’est le compresseur qui travaille sur lui-même. On pourrait tenter l’image suivante : une pompe remonte de l’eau de la cave vers le rez-de-chaussée. Si l’eau vient à manquer, on risque de faire caviter la pompe. Aussi, on décider de redescendre de l’eau vers la cave, de réinjecter de l’eau supplémentaire à l’entrée de la pompe. Ainsi, on est sûr que le débit de la pompe restera suffisant !

(A ne pas confondre avec le dégivrage par injection de gaz chauds, qui est par contre une technique très efficace de dégivrage).

Tableau synthèse de sélection

L’importance d’une mesure préalable !

La mise en place d’une régulation performante demande de connaître la puissance effective nécessaire en fonction des saisons. Aussi, si le choix d’un compresseur doit être fait en vue du remplacement d’une machine existante, on placera un simple compteur horaire sur l’alimentation électrique du compresseur actuel pour ainsi connaître son temps de fonctionnement et donc la puissance moyenne demandée. Cela permettra de mieux choisir la nouvelle machine frigorifique.

Si l’installation doit vaincre les apports d’une machine spécifique à enclenchement discontinu, la puissance moyenne peut être trompeuse : à certains moments, c’est la puissance totale qui est demandée, et zéro le reste du temps… Idéalement, on enregistrera la puissance demandée, en relevant en parallèle la source des apports thermiques.

Le tableau de synthèse ci-dessous se base sur l’analyse des catalogues des constructeurs de référence en matière de froid alimentaire positif et négatif. Les compresseurs repris sont les plus couramment rencontrés dans les commerces. Mais on notera que pour la plupart des installations actuelles, le compresseur à pistons semi-hermétique est largement choisi.

	Plages de puissance (kW frigorifiques)	Régulation adaptée
Compresseur scroll	de 1 à 40, … kW par compresseur (mais possibilité de puissance supérieure par mise en parallèle de compresseurs)	Modulation de puissance optimale, par variation de la vitesse de rotation ou par mise en « centrale »
Compresseur à piston
Ouvert	de…, 2 à 100, … kW	Étanchéité aux fluides frigorigènes insuffisante aujourd’hui
Semi-hermétique	de …,2 à 60, ….kW	Un compresseur à plusieurs étages ou plusieurs compresseurs en cascade (« centrale ») Variation de la vitesse de rotation
Compresseur à vis	de …40 à 250 kW	Excellente fiabilité et longévité Modulation de puissance par « tiroirs » très souple, de 100 à 10 %, avec une très faible dégradation du COP par la régulation « par tiroirs », du moins au-dessus de 50 % de la puissance.

Compresseur à pistons
Semi-hermétique bi-étage	de …, 6 à 60, … kW	Modulation de puissance optimale par mise en centrale

Remarque.

Choisir un compresseur performant, c’est bien. Le placer dans un environnement favorable, c’est mieux. En pratique, on sera très attentif aux assembliers qui proposent
« un échangeur + un compresseur + un échangeur ».
L’ensemble forme une machine frigorifique, certes, mais les pertes de charge liées aux échangeurs sont parfois très élevées pour le compresseur, ce qui augmente fortement sa consommation !
On choisira de préférence une installation globale, montée d’usine et dont le fabricant garantit la performance globale.

Les critères acoustiques

En local technique

C’est le compresseur qui génère le plus de bruit, il est donc toujours préférable de le placer en local technique lorsque l’on dispose d’un espace suffisant, tandis que le condenseur refroidi par air est placé en terrasse. Cette solution est la plus adaptée en ce qui concerne la diminution des nuisances sonores vers l’extérieur du bâtiment.

Lorsque les compresseurs sont placés en local technique, ils masquent tous les bruits de détente ou de circulation interne des fluides dans la machine.
Pour diminuer les nuisances acoustiques du compresseur, il faut mettre en place les dispositifs suivants :

Mettre un capot acoustique sur la machine.
Prévoir une dalle flottante équipée d’isolateurs à ressorts.
Placer des plots en élastomère entre la machine et la dalle flottante.

Si le groupe évaporateur/compresseur est implanté au-dessus de locaux occupés, on peut placer un matelas de laine de verre entre la dalle flottante et le socle de propreté de la machine.
N.B. : la suspension antivibratile des compresseurs ne peut ne pas être suffisamment efficace, car les compresseurs sont reliés aux autres éléments de façon rigide. Ainsi, on utilisera des manchettes souples pour relier l’évaporateur aux canalisations du réseau hydraulique.

En terrasse

Si on ne dispose pas d’un local de service, évaporateur, compresseurs et condenseur seront placés en terrasse. Mais, sur le plan acoustique, ce type de disposition est toujours à éviter.
Dans tous les cas, il faudra éloigner au maximum les compresseurs de tous les plaignants potentiels.
Remarquons que l’éloignement de la machine impose des longueurs de canalisations plus importantes, ce qui peut avoir une influence sur le dimensionnement des équipements (collecteurs, pompes, …) et augmenter le coût de l’installation.
Il faudra éviter de placer les compresseurs à proximité de parois qui pourraient augmenter sa directivité vers une zone sensible. Au contraire, il faudra envisager de placer la machine de façon à la cacher derrière un obstacle. Ainsi, en terrasse, on pourra placer la machine derrière la cabine d’ascenseur ou profiter de la présence de l’armoire électrique de la machine, par exemple.
Remarque.
Si la réduction des nuisances acoustiques est un critère important, le placement d’un variateur de vitesse sur le compresseur (qui se justifie déjà pour des raisons énergétiques) est incontournable.
Certains variateurs peuvent être paramétrés pour « sauter » la(les) gamme(s) de fréquence(s) qui génère(nt) des vibrations du compresseur (fréquences de résonance de la machine). Simplement, il ne s’arrête pas sur ces fréquences critiques.

À titre d’exemple, voici quelques niveaux sonores donnés par un fabricant de groupes refroidisseurs de liquide (pression sonore mesurée à 10 m en champ libre en dBA).

– machines équipées de compresseur scroll hermétique :

Puissance comprise entre 3 et 15 kW : 55 à 86 dBA

– machines équipées de compresseur à piston semi-hermétique :

Puissance comprise entre 6 et 50 kW : 60 à 80 dBA

– machines équipées de compresseur à vis :

Puissance comprise entre 40 et 210 kW : > 60 dBA

Le choix de l’alimentation en « noyé » des évaporateurs

Le choix de l’alimentation en « noyé » des évaporateurs associés à la machine frigorifique permet d’optimiser les performances de l’évaporateur par une augmentation significative de l’effet utile par kg de fluide frigorigène. Pour autant que la conduite d’aspiration soit de courte longueur et bien isolée, la surchauffe est faible. Par conséquent, le débit massique est réduit au minimum et permet d’obtenir des valeurs de performance énergétique meilleures.
Dans la mesure du possible, le placement des machines frigorifiques en hauteur par rapport à l’évaporateur permettra de l’alimenter par gravité. C’est entre autre pour cette raison que les commerces qui disposent d’une puissance frigorifique importante préfèrent placer le local technique accueillant les machines frigorifiques en toiture.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Lampes au sodium haute pression

Comment fonctionne une lampe au sodium haute pression ?

La lampe à vapeur de sodium fait partie des lampes à décharge. Son principe de fonctionnement est donc identique.

Pour certaines lampes, l’ensemble amorceur, ballast conventionnel et condensateur peut être remplacé par un ballast électronique.

Schéma fonctionnement lampe au sodium haute pression.

Particularités

Le tube à décharge contient un amalgame de sodium avec du mercure et du xénon comme gaz d’allumage.

La lumière est émise, en majeure partie sous forme de rayonnements visibles, mais une petite partie est émise sous forme de rayonnements ultraviolets invisibles. Dans les lampes ellipsoïdes, on tente de récupérer ces rayons en tapissant la paroi intérieure de l’ampoule d’une poudre qui absorbe les U.V. et les transforme en rayons visibles. Cette poudre rend l’ampoule opaline.

Types et caractéristiques générales

Les lampes à vapeur de sodium haute pression standards émettent une lumière jaune-orangée, au maximum de la sensibilité de l’œil. Cette lumière leur confère une grande efficacité lumineuse.

Les lampes au sodium haute pression sont reconnaissables, pour les lampes à finition claire, à leur tube à arc en céramique de couleur blanche.

Il existe deux modèles de lampes au sodium haute pression : le modèle à bulbe ellipsoïde et le modèle tubulaire. En général, le premier s’utilise dans les cloches tandis que le second s’emploie dans les projecteurs.

Modèle à bulbe ellipsoïde, finition poudrée et modèle tubulaire, finition claire.

Ces lampes fonctionnent avec ballasts et amorceurs appropriés. On conseille d’utiliser ces lampes avec des ballasts électroniques.

À l’allumage, le flux lumineux nominal n’est atteint qu’après 2 à 3 minutes. Après extinction ou coupure de courant, le réamorçage ne peut se faire qu’après les 5 à 10 minutes nécessaires à leur refroidissement.
Certains modèles particuliers permettent un réamorçage immédiat. Ces lampes couvrent toute la gamme de puissance. Néanmoins, elles doivent être utilisées avec des accessoires adéquats : l’amorceur doit procurer une tension très élevée pour permettre cet allumage instantané.

Elles ont une position de fonctionnement bien déterminée.

A l’heure actuelle, il existe des lampes à vapeur de sodium haute pression avec un meilleur rendu des couleurs (de l’ordre de Ra > 80). Cette amélioration se fait au détriment de l’efficacité lumineuse : Sodium « blanche » ou Sodium « confort » ou « DeLuxe ». Ces lampes ne sont pas disponibles chez tous les fabricants et dans toutes les gammes de puissance.

On trouve également des lampes au sodium haute pression sans mercure. Ces lampes offrent une efficacité lumineuse et une longévité au moins équivalentes aux produits standards. Ces nouvelles lampes peuvent remplacer directement les lampes existantes.
Éliminer le mercure est un avantage significatif pour l’environnement.

Certaines lampes au sodium haute pression peuvent remplacer directement les lampes au mercure haute pression sans remplacement de ballast.
Ces lampes, comme les lampes au mercure haute pression, possèdent un starter incorporé. Le flux lumineux est augmenté de 30 à 55 % selon la puissance unitaire.

Dimming

La plupart des lampes sodium haute pression sont dimmables jusqu’à 60-50 % de leur flux à l’aide d’un ballast électronique dimmable et ce sans réduction significative de la durée de vie de la lampe et de son rendu de couleur.

Données	Pour connaitre les caractéristiques des lampes au sodium haute pression.
Données	Pour consulter un récapitulatif des caractéristiques des différents types de lampe.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

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.

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.

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.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Isolation entre chevrons ou fermettes

Isolation entre chevrons

couverture
contre-lattes
lattes
sous-toiture
chevrons
isolant
pare-vapeur
finition intérieure
panne

Isolation entre fermettes

couverture
contre-lattes
lattes
sous-toiture
fermettes
isolant
pare-vapeur
finition intérieure

Composition

L’isolation entre chevrons ou fermes peut être réalisée :

par de simples panneaux de laine minérale semi-rigides (très perméables à la vapeur), mais également,
par des matelas de laine minérale revêtus d’un pare-vapeur,
par de l’isolant en vrac insufflé dans des caissons formés au préalable par la charpente, la sous-toiture et le freine vapeur.
ou par des panneaux de mousse synthétique étanches à l’air (PUR, PIR, XPS, EPS, CG).


Panneaux semi-rigides de laine de roche.	Matelas de laine de roche revêtus d’un pare-vapeur.

Panneaux de mousse synthétique.

Lorsqu’elle est réalisée par de simple panneaux de laine de roche non revêtu, l’isolation entre chevrons ou fermes est la forme la plus classique de tous les modèles d’isolation : chacune des fonctions de la toiture est assurée par une couche différente : le panneau isolant (3) ne remplit que la fonction « isolation »; il doit être complété :

à l’extérieur par :

(1) une couverture (posée sur lattes et contre-lattes),
(2) une sous-toiture,

et à l’intérieur par :

(4) un écran étanche à la vapeur et à l’air, si nécessaire,
(5) un espace technique,
(6) une finition intérieure

Dans les deux autres cas (les matelas de laine de roche revêtus d’un pare-vapeur, ou les panneaux étanches à l’air) la couche assume 2 fonctions de la toiture :

celle de l’isolant,
et celle de l’écran étanche à l’air et à la vapeur.

Les joints périphériques et entre plaques doivent être rendus étanches. Ainsi, la couche isolante peut assurer, à elle seule, ces 2 fonctions sur l’ensemble de la toiture.

Étapes de construction

La toiture isolée entre les chevrons ou fermettes est réalisée en 3 étapes successives, correspondant à l’intervention des différents corps de métiers :

Le charpentier réalise la charpente.
Le couvreur pose la sous-toiture et ses contre-lattes, la couverture et ses lattes ou voliges. Il réalise les ouvrages de raccord (rives, gouttières ou chéneaux, etc.).
La personne désignée pour réaliser la finition intérieure (menuisier, plafonneur ou le propriétaire), pose l’isolant, le pare-vapeur éventuel et la finition intérieure.

Conseils de mise en œuvre

L’isolation entre les chevrons ou fermettes pourra se faire :

Par panneaux semi-rigide de laine minérale
Par matelas souples de laine minérale à languette
Par plaques rigides

Par panneaux semi-rigides de laines minérales

Isolation semi-rigide entre chevrons.

Les panneaux doivent avoir une surlargeur de 10 à 20 mm par rapport à l’espace à isoler. Grâce à la déformabilité de la laine minérale, l’isolant est serré entre les chevrons ou les fermes.
Dans le cas d’une toiture avec sous-toiture (toiture neuve ou rénovation avec sous-toiture), les panneaux sont appliqués contre celle-ci pour éviter les courants convectifs.

Les courants convectifs :

L’air chauffé à l’intérieur d’un bâtiment se dilate. Il devient ainsi plus léger et monte. Il est alors remplacé par de l’air plus froid qui se réchauffe à son tour. Il s’établit ainsi une circulation d’air dans le local. C’est la convection. Dans une toiture, le même phénomène de rotation de l’air peut se développer autour des panneaux isolants si les joints ne sont pas fermés correctement. Il s’en suit des pertes de chaleur importantes et des risques de condensation dus à la vapeur d’eau dans l’air.

Dans le cas d’une rénovation sans sous-toiture, les panneaux ne peuvent être placés contre les éléments de couverture mais, au contraire, doivent être maintenus à une certaine distance de ceux-ci.
Si la hauteur des chevrons ou des fermes est insuffisante pour placer l’isolant dans l’épaisseur voulue, on réalise un contre-chevronnage et on place une seconde couche d’isolant.

Deuxième couche d’isolant.

Remarque : si on pose une seconde couche d’isolant, il faut utiliser un matériau isolant sans pare-vapeur pour la première couche (couche supérieure). Les joints doivent être alternés.

couverture
contre-lattes
lattes
sous-toiture
chevrons
isolant 1^ère couche
isolant 2^ème couche
pare-vapeur
finition intérieure
pannes
contre-chevrons

Ensuite, si nécessaire, on pose un pare-vapeur indépendant avant la finition intérieure.
Ce système convient à tous les types de toiture même très irrégulières, car il permet une isolation sur mesure.

Par matelas souples de laines minérales revêtus d’un pare-vapeur

Le matelas souple revêtu d’un pare-vapeur (encore appelé « matelas souple à languettes ») est un matelas de laine minérale revêtu, par exemple, de papier kraft et d’aluminium, dont la largeur doit être supérieure de 10 à 20 mm à celle de l’espace à couvrir par l’isolant et d’une épaisseur égale à la hauteur des chevrons ou des éléments des fermettes.

Matelas isolant à languette.

Ce système est réservé aux toitures de forme simple, présentant peu de pénétration et une distance constante entre les chevrons ou les fermettes.

Les rouleaux ne peuvent pas être trop étroits.

Les languettes sont agrafées, avec chevauchement, sur la partie inférieure de la structure du toit.

Si l’isolant est trop enfoncé les languettes ne se superposent pas.

Le recouvrement est fermé au moyen d’une bande adhésive ou assuré par une latte en bois pour garantir l’étanchéité à l’air et à la vapeur.

Le matelas doit avoir une épaisseur correspondant à la hauteur des chevrons. Ainsi les matelas sont appliqués contre la sous-toiture (cas d’une toiture neuve ou d’une rénovation avec sous-toiture); on évite ainsi les courants convectifs. Dans le cas d’une rénovation sans sous-toiture, les matelas sont ainsi maintenus à une certaine distance des éléments de couverture.

Par plaques rigides

Les plaques de mousses synthétique (EPS, XPS, PUR, PIR) ou de verre cellulaire sont glissées entre les chevrons ou les fermes de telle manière que l’on crée éventuellement, du côté intérieur, un vide technique permettant le passage des conduites ou l’encastrement d’appareils.
Dans le cas d’une toiture avec sous-toiture (toiture neuve ou rénovation avec sous-toiture), les panneaux sont appliqués contre celle-ci pour éviter les courants convectifs. Dans le cas d’une rénovation sans sous-toiture, les panneaux ne peuvent être placés contre les éléments de couverture mais, au contraire, doivent être maintenus à une certaine distance de ceux-ci.
L’étanchéité à l’air et à; la vapeur d’eau des joints, d’une part entre les panneaux, d’autre part, entre les panneaux et la charpente ou les murs, doit être assurée par l’injection de mousse de polyuréthane (PUR) ou par collage de bandes de joints.
Les spots ne peuvent être encastrés dans l’isolant lui-même !
S’ils sont encastrés dans un vide technique situé sous l’isolant, ce dernier doit être protégé contre la chaleur des spots ou pouvoir y résister.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Isolation de la toiture inclinée en résumé

Les combles qui seront occupés et chauffés doivent être isolés de l’ambiance extérieure.

Le toit incliné est dans ce cas la limite de l’espace protégé. C’est donc à ce niveau que doit être posé l’isolant et son pare-vapeur éventuel.

L’isolant peut être situé entre les éléments de charpente et/ou en dessous de ceux-ci (isolation par l’intérieur), ou au-dessus des éléments de charpente (isolation par l’extérieur.

Isolation par l’intérieur

[1] Isolation entre chevrons ou fermettes

Schéma isolation entre chevrons ou fermettes.

1. couverture
2. contre-lattes
3. lattes
4. sous-toiture
5. chevrons ou fermettes
6. isolant
7. pare-vapeur
8. finition intérieure
9. panne

[2] Isolation sous les chevrons ou les fermettes

Schéma isolation sous les chevrons ou les fermettes.

1. couverture
2. contre-lattes
3. lattes
4. sous-toiture
5. chevrons ou fermettes
6. isolant
7. pare-vapeur
8. finition intérieure
9. pannes

Isolation par l’extérieur

[1] Isolation au-dessus des chevrons ou des fermettes (« Sarking »)

Schéma isolation au-dessus des chevrons ou des fermettes ("Sarking").

1. couverture
2. contre-lattes
3. lattes
4. sous-toiture
5. isolant
6. pare-vapeur
7. chevrons ou fermettes
8. pannes

[2] Isolation au-dessus des pannes à l’aide de panneaux préfabriqués

Schéma isolation au-dessus des pannes à l'aide de panneaux préfabriqués.

1. couverture
2. languette d’assemblage
3. lattes
4. panneau de toiture préfabriqué
5. raidisseurs du panneau
6. isolant du panneau
7. pare-vapeur intégré éventuel
8. plaque inférieure du panneau
9. pannes

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Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Chambres d’hôtel

Analyse de la demande

La spécificité des chambres d’hôtel ou d’hôpital apparaît comme suit :

un découpage en nombreux locaux indépendants,
une demande très variable entre les locaux, suite à une occupation variable et à une localisation sur des façades différentes,
le souhait de l’occupant de pouvoir intervenir sur la consigne intérieure,
le souci du gérant de limiter la consommation d’une chambre non occupée.

Et les exigences acoustiques sont particulièrement sévères. La norme européenne EN 13779: 2004 propose trois niveaux de confort acoustique à respecter dans les locaux (minimum – par défaut- minimum) :

Type de bâtiment	type de local	dB(A)
–	–	–
Hôtels	couloir	35/40/45
–	salon de réception	35/40/45
–	chambre d’hôtel (nuit)	25/30/35
–	chambre d’hôtel (jour)	25/35/40
–	–	–

Évaluer

Pour en savoir plus sur l’ évaluation du niveau de bruit.

Choix du système de conditionnement d’air

Remarque préliminaire

Il serait prétentieux de prétendre énoncer en quelques lignes tous les critères constituant la démarche conceptuelle qui conduit au choix d’un système de climatisation d’un immeuble.

La solution résulte en effet de la concertation étroite entre le Maître de l’Ouvrage, l’Architecte, l’Ingénieur de bureau d’études et tous les partenaires qui forment l’équipe de projet. Cette concertation se situe à la fin de la phase d’avant-projet de l’étude du bâtiment et résulte du meilleur compromis entre critères parfois contradictoires :

coût d’investissement et d’exploitation,
optimalisation de l’usage des surfaces,
mobilité aux variations de programme,
esthétique externe et interne (le bâtiment doit être beau à voir et à vivre !),
confort au sens large (climatique, acoustique, visuel,…),
etc…

À noter qu’au plus tôt se constitue cette équipe de projet, plus l’ensemble des contraintes sera pris en considération à temps.

Tout au plus pouvons-nous ici évoquer avec prudence les quelques critères principaux habituels et l’ébauche de solutions classiques mais nullement « passe-partout :

1° Choix d’un système « tout air »

Un système « tout air » paraît exclu :

peu de souplesse d’exploitation s’il est à débit constant,
consommation élevée du transport de l’air,
impossibilité de recycler l’air venant des chambres, et donc consommation élevée du fonctionnement en tout air neuf,
…

En fait, le besoin en air neuf des chambres est faible si on le rapporte aux m² utilisés. Un système où l’air serait le vecteur des apports de chaleur et de froid ne semble donc pas se justifier ici.

Si ce système est malgré tout retenu (avec une batterie terminale de réchauffage pour chaque chambre), il est essentiel de prévoir une batterie de récupération de chaleur entre l’air extrait et l’air pulsé, au risque d’alourdir encore le coût d’investissement puisque les conduits d’extraction devront au minimum être raccordés entre eux pour placer le récupérateur dans le tronçon commun.

2° Choix d’une solution décentralisée

Parmi les systèmes à « détente directe », il est possible d’envisager des unités de climatisation autonomes placées dans chacune des pièces (windows, splits,…), mais l’esthétique douteuse, les coûts de maintenance élevés, le niveau de bruit généré par la mise en vibration de la façade, l’absence de régulation centrale, … rendent ce choix peu adéquat. Tout au plus pourrait-on l’admettre en rénovation de quelques locaux orientés en façade Sud-Ouest ou Ouest.

A noter qu’il est possible d’éviter la présence de multiples condenseurs à air en façade :

Soit en plaçant des condenseurs à eau et en refroidissant l’eau en toiture dans une tour de refroidissement. Mais alors l’investissement paraît similaire au placement d’une boucle d’eau glacée et de ventilo-convecteurs, pour un confort acoustique moindre puisque chaque chambre comportera un compresseur…

Soit en plaçant des condenseurs à eau perdue (eau de ville rejetée à l’égout) mais cette solution est tout à fait à déconseiller suite à la forte consommation d’eau qu’elle entraîne. Elle risque d’ailleurs d’être interdite si le bâtiment fait l’objet d’un permis d’environnement (ce serait refusé par l’IBGE à Bruxelles, par exemple).

3° choix d’une solution par ventilo-convecteurs

La solution classiquement adoptée est d’installer deux boucles d’eau (eau chaude et eau glacée) entre tous les locaux, avec comme unité terminale un ventilo-convecteur dans chaque chambre. On rencontre le ventilo soit monté en allège de fenêtre, soit placé en soffite (généralement au dessus du petit couloir qui longe la salle de bain : l’air est repris dans le ventilo qui le souffle dans la chambre).

Les avantages du ventilo-convecteur sont nombreux :

Une autonomie de fonctionnement local par local, tant en ce qui concerne la mise en service que le réglage individuel de la température.

Une rapidité de remise en température du local grâce au transfert thermique par convection.

Un fonctionnement thermique en recyclage local, qui permet d’éviter la pollution (la contamination dans le cas d’un hôpital) d’une chambre à l’autre.

La liberté pour chaque occupant de démarrer ou d’arrêter l’unité de sa chambre à sa guise et de choisir la vitesse du ventilateur qui lui convient.

Un prix d’investissement limité grâce à un équipement fabriqué en grande série.

A taux d’occupation réduit, la gérance de l’hôtel a la possibilité d’arrêter les unités correspondant aux chambres non occupées, moyennant le report des commandes à la réception (GTC). Elle peut décider de préchauffer ou prérefroidir la chambre avant l’arrivée de l’occupant sur base d’un lien automatique avec le fichier de réservation.

Comme inconvénient au système, on peut noter la nécessité de maintenir une bonne partie de l’année les deux boucles de distribution d’eau chaude et froide en circulation dans le bâtiment. Il ne faut absolument pas négliger l’importance des pertes permanentes liées à ces deux réseaux et soigner tout spécialement à l’isolation efficace des tuyauteries.

Également, la solution par ventilo-convecteur ne permet pas de traiter l’humidité de l’air qui peut devenir fort sec en hiver. Il est possible d’insérer des petits atomiseurs d’eau à ultrasons dans les ventilos, mais cette solution est relativement coûteuse. On peut également apporter l’humidité nécessaire par un humidificateur inséré dans le réseau d’air de ventilation, pour autant que celui-ci soit préchauffé.

4° Choix d’un système à plafond rafraîchissant

La climatisation par panneaux rayonnants froids ne paraît pas opportun dans le conditionnement d’air des chambres. En effet, la présence d’humidité suite à la salle de bain attenante risque d’entraîner de la condensation sur le plafond, même si le système est régulé pour stopper la circulation d’eau froide à ce moment.

De plus, ce système n’apporte qu’une solution pour le refroidissement et devrait être complété par un réseau de radiateur pour apporter la chaleur en hiver. Le placement d’un faux plafond n’est pas justifié pour un autre usage (éclairage, câblage,…).

Même en rénovation, il semble coûteux de placer un tel réseau alors que seuls les apports solaires sont à vaincre de façon épisodique.

Les poutres froides ne sont pas non plus adéquates car elles entraîneraient un grand inconfort dans des locaux de faible hauteur.

5° Choix d’un système à débit de fluide réfrigérant variable

Une installation à fluide réfrigérant variable (VRV, VRF, … selon les marques) peut également être d’application pour une structure hôtelière ou hospitalière. Elle dispose des mêmes avantages que la solution par ventilo-convecteur : souplesse nécessaire, possibilité de gestion centralisée tout en fournissant à chaque occupant une télécommande pour actionner la cassette, …

Deux avantages spécifiques apparaissent par rapport à la solution classique des ventilos :

L’absence de boucles d’eau chaude et froide parcourant tout le bâtiment.

La possibilité en mi-saison de récupérer la chaleur excédentaire d’une façade (par exemple à l’Est) pour réchauffer la façade encore en demande (par exemple à l’Ouest) ou de récupérer la chaleur extraite de locaux techniques intérieurs pour réchauffer les chambres périphériques en demande.

Si le bâtiment présente simultanément des besoins de chaleur et des besoins de refroidissement durant une bonne partie de l’année, ce système paraît le plus avantageux. Mais encore faut-il s’assurer qu’au sein d’une même zone gérée par le même réseau, de l’énergie soit transférable. Ainsi, il semble difficile d’alimenter les chambres du 4ème étage par la chaleur dégagée par les locaux de réunion du rez-de-chaussée. Il faudrait que les réseaux soient dans ce cas verticaux, ce qui doit poser de nombreux problèmes pratiques.

Un point faible réside probablement dans le chauffage « par pompe à chaleur » en plein hiver. Quel est à ce moment le COP de l’installation ? Le compresseur fonctionnant de jour, le prix de revient du kWh électrique est environ 3 x plus élevé que le kWh issu d’une chaudière au gaz traditionnelle, par exemple. Il faut donc que le COP global dépasse 3 pour y trouver avantage.

Le taux d’humidité en hiver n’est pas non plus contrôlé avec ce système.

Nous n’avons pas pu, jusqu’ici, obtenir de données permettant d’évaluer la performance effective de l’échange entre locaux et le COP moyen annuel d’un tel système, ni le lire dans un rapport d’un organisme indépendant.

Exemple. l’hôtel Mercure à Paris-Courbevoie est équipé d’un tel système pour les chambres, les salles de réunion et de restaurant et le hall d’accueil. Une cassette a été installée dans chacune des 515 chambres réparties sur 12 étages. Le système est réversible et assure les besoins en chaud et froid, sans appoint électrique.

Il s’agissait d’une rénovation et l’hôtel est resté en activité durant les travaux, l’installation se faisant par niveau. Les 72 unités extérieures sont situées sur la toiture.

Le budget total a été de 15 Millions de FF, le coût d’entretien par chambre est estimé à 750 FF par an.

(Source : « GIE – Climatisation et Développement »).

Quelques critères en détail

Voici les principaux critères à prendre en compte :

Le coût d’investissement

Si le prix moyen d’une installation avoisine les 125 €/m² (contre 40 €/m² pour une simple installation de chauffage), l’échelle des prix en fonction du type d’équipement et du niveau de régulation qui lui est associé peut être évaluée comme suit :

Installations « détente directe »

–	Investissement €/m²
Window	75 – 95
Split system	100 – 200
Débit réfrigérant variable*	150 – 300

Installations « sur boucle d’eau »

—–	Investissement €/m²
Ventilo – 2 tubes	110 – 140
Ventilo – 2 tubes/2 fils	115 – 155
Ventilo – 4 tubes	125 – 190
Pompe à chaleur sur boucle	100 – 215

Le coût d’exploitation énergétique

Le coût d’exploitation est directement fonction des charges à vaincre : un immeuble fort vitré consommera beaucoup plus que son équivalent équipé de protections solaires extérieures, par exemple … C’est donc d’abord le bâtiment qui crée la consommation !

On peut cependant établir une échelle entre les systèmes suivant leur performance énergétique :

Installations « détente directe »

–	Coût énergie
Window	élevé
Split system	moyen
Débit réfrigérant variable	faible

Installations « sur boucle d’eau »

–	Coût énergie
Ventilo – 2 tubes	moyen
Ventilo – 2 tubes/2 fils	moyen à élevé
Ventilo – 4 tubes	moyen
Pompe à chaleur sur boucle	faible à élevé

Quels sont les critères qui permettent de distinguer une installation à faible consommation énergétique ?

Une installation ne devrait jamais consommer du chaud et du froid simultanément, pour éviter de détruire l’énergie; en aucun cas, on ne doit pas concevoir une installation dont la régulation fonctionnerait par mélange.

Lorsque le bâtiment requiert du chaud et du froid simultanément (un grand local informatique refroidi en hiver, des plateaux très étendus et fort équipés dont il faut en permanence refroidir la partie centrale, …), on aura intérêt à concevoir une installation qui peut récupérer la chaleur extraite de ces locaux pour la restituer dans les locaux en demande de chaleur (bureaux en périphérie). Les installations à débit de réfrigérant variable et les pompes à chaleur sur boucle d’eau sont performantes à ce niveau. Dans les installations plus classiques (ventilos), une récupération de chaleur au condenseur des groupes frigorifiques est également possible et moins contraignante.

Les résistances chauffantes électriques prévues dans les installations peuvent entraîner des dépenses importantes vu le coût du kWh électrique par rapport au kWh thermique. On sera attentif à ne sélectionner une installation de ventilos 2 tubes/2 fils que dans un bâtiment très isolé (besoins de chaleur très limités suite aux apports gratuits).

Calculs

Un petit outil de simulation permet de visualiser globalement l’impact du choix du vecteur énergétique de chauffage sur un local type (même si les hypothèses sont celles d’un bureau, avec des apports internes élevés).

Enfin, quelle que soit l’installation, la qualité de la régulation est déterminante : c’est un budget à ne pas raboter ! on pense tout particulièrement au ventilo-convecteur qui est le pire ou le meilleur des équipements, … selon la régulation qui lui est associée !

Le coût de maintenance

Les prix donnés à titre indicatif ci-dessous correspondent à un contrat annuel de maintenance sur devis (les prix les plus bas correspondent aux surfaces traitées les plus grandes). Normalement, il faudrait leur ajouter le prix du renouvellement périodique des équipements défectueux. Ainsi, les installations en « détente directe » sont généralement plus fragiles, ce qui implique un remplacement plus fréquent des composants.

Installations « détente directe »

–	€/m^²
Window	très faible
Split system	3 – 7,5
Débit réfrigérant variable	–

Installations « sur boucle d’eau »

—	€/m^²
Ventilo – 2 tubes	3 – 5
Ventilo – 2 tubes/2 fils	3 – 5
Ventilo – 4 tubes	3 – 5
Pompe à chaleur sur boucle	4,75 – 6,25

Le confort thermique

Installations « détente directe »

–	Confort thermique
Window	faible
Split system	faible
Débit réfrigérant variable	bon

Installations « sur boucle d’eau »

—	Confort thermique
Ventilo – 2 tubes	moyen
Ventilo – 2 tubes/2 fils	moyen
Ventilo – 4 tubes	bon
Pompe à chaleur sur boucle	moyen

Le confort acoustique

Quel que soit le système de climatisation choisi, le critère de performance acoustique sera déterminant, et cela, tant à l’intérieur qu’à l’extérieur :

Les ventilos ou cassettes seront choisis en fonction de leur qualité acoustique et de manière à pouvoir dissiper la puissance requise à moyenne vitesse. Idéalement, pour réduire encore le niveau sonore, on installera le module de traitement d’air en dehors du local (dans un faux plafond, dans un placard technique, …) et l’air traité sera conduit vers le local par une gaine, ce qui permet un affaiblissement acoustique optimal.

Le placement des unités extérieures sera bien étudié pour éviter la propagation du bruit vers les chambres (placement en toiture ? placement à l’écart du bâtiment ? …).

Remarque : on rencontre parfois le placement du groupe frigorifique en sous-sol, dans un local technique insonorisé. L’objectif de réduction du niveau acoustique est atteint. Mais la consommation du compresseur risque d’augmenter si le condenseur n’est pas correctement refroidi…! De toute façon, c’est l’air extérieur qui est le refroidisseur final. Aussi, le traitement en sous-sol va entraîner un refroidissement par de l’eau (sélection d’une machine frigorifique équipée d’un condenseur à eau), cette eau étant elle-même refroidie ultéreurement dans une tour de refroidissement en toiture.

Installations « détente directe »

–	Confort acoustique
Window	faible
Split system	bon
Débit réfrigérant variable	bon

Installations « sur boucle d’eau »

—	Confort acoustique
Ventilo – 2 tubes	bon
Ventilo – 2 tubes/2 fils	bon
Ventilo – 4 tubes	bon
Pompe à chaleur sur boucle	faible

La centralisation des équipements

Si la surface des locaux à climatiser est limitée (rénovation de quelques locaux,par exemple), un système à « détente directe » (voire plusieurs équipements décentralisés) sera suffisant et nettement moins coûteux.

Si une installation centralisée bénéficie de l’effet de taille en terme de prix d’investissement, il n’y a peu d’effet majeur à l’exploitation (efficacité frigorifique meilleure pour les grosses puissances mais pertes en ligne et pertes en régulation plus élevées…).

L’encombrement

Les ventilo-convecteurs seront souvent insérés dans le faux plafond face à la salle de bain, afin de ne pas occuper de place au sol.

Choix de la ventilation associée

Que l’on choisisse une solution décentralisée ou que l’on choisisse des ventilo-convecteurs, un apport d’air neuf doit être envisagé.

Ce dernier, imposé par la réglementation wallonne pour garantir une qualité de l’air suffisante, est dès lors fourni par une installation en simple ou double flux.

Concevoir	Pour définir la configuration à adopter le choix du système d’apport d’air neuf.
Concevoir	Pour choisir le mode de gestion (régulation du système), cliquez ici ! Remarquons que dans les immeubles nouveaux (et donc isolés), l’apport d’air neuf devient une part essentielle dans la consommation énergétique (tant en chaud qu’en froid) en regard des déperditions.

Puisque de toute façon une extraction doit être prévue dans les sanitaires, la question devient : apport d’air par des grilles de ventilation dans les châssis, ou apport par une gaine de distribution d’air (qui permet le préchauffage de l’air)?

La ventilation double flux est le seul moyen de contrôler au plus juste les apports d’air et donc de contrôler cette consommation.

La ventilation simple flux, quant à elle, reste en partie influencée par les conditions atmosphériques.

En quelque sorte, c’est le standing souhaité qui tranchera.

Choix du mode de régulation

Vu les possibilités actuelles de programmation du traitement des chambres en fonction de la réservation, la mise en place d’une GTC, Gestion Technique Centralisée, semble aujourd’hui requise pour un bâtiment hôtelier.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Plafonds froids

Domaine d’application

Les plafonds rayonnants froids font partie des équipements de refroidissement des locaux.

Généralement, de l’eau froide à + 15°C circule au dessus du faux plafond (par ex, serpentins d’eau fixés au dessus de la plaque métallique du faux plafond). Les occupants recevront une composante de rayonnement froid (en réalité, ils émettront de la chaleur vers ce plafond), et l’air du local sera lui aussi refroidi.

Plaque métallique perforée
Élément refroidissant
Laine minérale dans une feuille PE
Plaque carton-plâtre

Ces systèmes ont beaucoup de qualités (absence de bruit et de courants d’air, encombrement nul, faible consommation énergétique,… ) mais aussi un gros défaut : une puissance frigorifique limitée ! (60 à 120 W/m²). Ce défaut est cependant à relativiser dans le contexte énergétique actuel où l’on recherche à diminuer la charge thermique du bâtiment.

C’est une technique relativement récente qui nous vient des pays nordiques : l’été, les chaleurs de Copenhague ne ressemblent pas vraiment à celles de Marseille !

Cette technique s’adapte aussi bien à la construction nouvelle (pour des bâtiments conçus de façon à limiter les apports solaires et les apports de chaleur internes), qu’en rénovation grâce au fait de ne pas devoir percer des parois pour le passage de gainages d’air volumineux et de pouvoir réutiliser l’installation de chauffage existante. Contenu du risque de condensation, ce système est vivement déconseiller dans les locaux humides.

Cette technique de rafraîchissement est également appréciée dans l’hôtellerie pour son silence !

Fonctionnement

Apport de froid

Les plafonds froids rayonnants sont des émetteurs statiques à paroi sèche. Les échanges de chaleur se font de deux façons différentes

Échange par convection avec l’air ambiant: un minimum de 40 % de la puissance totale émise.
Échange par rayonnement avec les parois, meubles, personnes,… : un maximum de 60 % de la puissance.

Une conséquence de cet échange sur le confort, est d’admettre une température ambiante de consigne à 26°C pour même température opérative.

Apport de chaleur

L’appoint de chaleur en hiver reste un problème même si, en construction nouvelle, le bâtiment étant bien isolé, la demande de chaleur en hiver est limitée. Il est envisageable d’apporter cette chaleur :

soit en alimentant en eau chaude les plafonds et en particulier les zones situées près des façades (près des baies vitrées),
soit via un circuit de radiateurs complémentaires,
soit grâce à des batteries terminales de réchauffe alimentées en eau chaude et placée en façade,
soit grâce à des batteries électriques placées sur le conduit d’air de chaque bureau. Mais il faut un débit d’air minimum pour limiter les températures de pulsion.

Technologies

Il existe plusieurs technologies différentes :

Les plafonds froids convectifs se distinguent des plafonds froids rayonnants par leur principe d’échange de chaleur : 70% par convection et 30% par rayonnement. Leur puissance est généralement plus élevée, car ils laissent passer l’air dans le plénum et peuvent disposer d’ailettes.

Les plafonds froids rayonnants

On trouve des plafonds froids rayonnants suspendus ayant une puissance comprise entre 60 et 100W/m².

Les faux plafonds à ailettes clipsables : (procédé FRENGER).

La circulation d’eau se fait dans des tuyaux (cuivre, acier, polypropylène, aluminium,…) sur lesquels sont clipsées des plaques (métalliques, plafonnage,…) formant ainsi un faux plafond. Ces plaques peuvent être perforées, afin d’en faire un plénum de pulsion de l’air neuf.

Dans une variante (chaque constructeur ayant développé son propre produit !), des tubes plats sont sertis sur des plaques métalliques.

La puissance frigorifique de ces plafonds atteint 100 W/m². Son inertie est très faible et donc la régulation de la température ambiante sera aisée.

Un inconvénient : c’est le serpentin qui assure la fonction portante du plafond, ce qui n’est pas l’idéal, à terme (on peut imaginer qu’un montage fait d’usine est plus fiable). Le faux- plafond se présente alors sous forme de lamelles juxtaposées.

Les faux plafonds à répartiteur de froid transversal

Ces répartiteurs sont généralement en Cuivre et présentent une puissance de l’ordre de 80W/m². Entre chaque plaque de faux plafond, le raccord hydraulique est assuré par un flexible.

Répartiteur en Cuivre sur plaques métalliques.

Mais il existe également des répartiteurs en polymère posés sur des plaques de métal (74 à 60 W/m²) et certains fabricants proposent d’intégrer ces polymères dans des plaques plâtre (60W/m²).

Polymère sur plaque métallique (Source : gema).

Polymère intégrer dans des plaques de plâtre (source : Rehau).

Pour favoriser le refroidissement du faux plafond, certains fabricants ont imaginé de fixer des lames métalliques transversalement à la circulation de l’eau froide dans les tubes en cuivre. La puissance de refroidissement en est améliorée.

Exemple de plafonds-froids « bidirectionnels ».

Les faux plafonds à tube intégré dans un profilé aluminium :

Ici, l’essentiel consiste à faire communiquer au mieux le froid entre le tube et l’entièreté du plafond métallique ! Un tube intégré à un profilé aluminium permet une excellente conduction du froid (en réalité, de la chaleur), si bien que la différence de température entre l’eau et la surface métallique est seulement de l’ordre de 1°C. Des puissances de 100 à 130 W/m2 actifs sont atteintes.

Attention : de telles puissances sont atteintes pour un écart de 10° entre la température moyenne de l’eau (16°C) et la température de l’ambiance (26°C), c.-à-d. dans des conditions extrêmes.

Le matelas de laine minérale disposé au-dessus ou dans les panneaux de plafond permet une limitation des pertes vers le haut et un traitement acoustique du local (par absorption).

Si une lame d’air est conservée entre le panneau et le matelas isolant, une circulation de l’air est possible et donc l’échange convectif avec les tuyaux froids est amélioré.

Le montage est facilité, mais le prix d’achat est augmenté.

Les faux plafonds à nattes capillaires

Des nattes capillaires (à imaginer avec des diamètres du type spaghetti ! … de l’ordre de 2,5 mm de diamètre intérieur) en matériau de synthèse sont parcourues par l’eau glacée.

Il s’agit généralement de polypropylène (obtenu par polymérisation du propylène, CH6).

Ce système offre une température de paroi plus homogène.

On rencontre ce système :

Incorporé dans des modules de faux plafonds : la natte est déposée sur un bac/panneau métallique perforé, recouverte d’une couche d’isolant, puis superposée d’une 2ème plaque métallique qui comprime le tout de telle sorte que le contact entre la natte et le panneau soit favorisé. Une fixation par charnière permet un accès aisé à l’espace technique situé au-dessus de chaque module. Le plastique n’est pas rigide et les contacts sont donc partiels mais ceci est compensé par la totalité de la surface qui entre en jeu (multiplicité des tubes).
Fixé sur les parois du local (plafond en plaque de plâtre, murs,…), puis recouvert d’un enduit de type crépi ou d’un revêtement de finition classique. C’est alors l’ensemble de la paroi qui devient rayonnante. C’est une technique qui se prête bien à la rénovation d’anciens locaux. Elle peut même équiper des parois courbres.

Ce système présente une très faible inertie (contenance en eau de l’ordre de 40 gr/m^² seulement) et permet donc une régulation aisée de la température ambiante.

Le risque de voir les tubes capillaires se boucher est réel, aussi il est généralement recommandé d’utiliser de l’eau déminéralisée, de raccorder les nattes à des tuyauteries non corrodables et de prévoir un échangeur inox entre le réseau de plafond et le circuit lié au groupe frigorifique.

La présence d’un tel échangeur génère, non pas une perte d’énergie, mais bien un delta T° supplémentaire. La température devra être de 1 ou 2°C plus froide à l’entrée de l’échangeur par rapport à celle utile qui passe dans le plafond. Ceci pénalise plus particulièrement la technique de free-chilling c’est-à-dire, le refroidissement « gratuit » de l’eau par l’air extérieur. Au lieu d’être efficace en dessous de 13°C, l’air extérieur ne sera utile qu’en dessous de 12 ou 11°C.

La présence d’un échangeur est également requise parce que le réseau des capillaires ne peut pas tenir sous une pression fort élevée (limité généralement à 4 bars). L’échangeur permet de déconnecter la pression primaire (le réseau d’eau glacée de l’ensemble du bâtiment) de la pression secondaire (le réseau des nattes). On place généralement un échangeur pour 3 ou 4 étages.

La puissance frigorifique est comprise entre 100 et 118 W/m².

Les plafonds à effet convectif renforcé

Afin de favoriser l’effet convectif, des ailettes sont serties sur les tuyauteries. L’idée consiste à créer un effet d’écoulement d’air, de cheminée froide le long de ces ailettes. Cette fois, deux tiers de la puissance est communiquée par convection. La puissance frigorifique est maximale (130 W/m2 et plus) pour autant que le faux plafond reste à claire-voie.

La structure ouverte des plafonds froids convectifs, donne accès à l’inertie de la dalle. La dalle peut dès lors stocker la chaleur et peut être déchargée de cette chaleur par free cooling ou free-chilling.

Remarques.

1°. Certains fabricants proposent également leur plafond froid sous forme d’ilots à placer au-dessus des bureaux. Ces ilots peuvent également remplir une fonction d’atténuation acoustique (perforation + film acoustique ou baffle acoustique). Ces ilots trouvent un intérêt dans les bureaux de types paysager.

2° De nombreux fabricants proposent leurs produits sur le marché :

des fabricants de faux plafonds qui ont développé la fonction « thermique »,
des fabricants de matériel thermique qui ont développé la fonction « faux plafond » !

Il est indispensable que les deux fonctions soient totalement maîtrisées et proposées avec des matériaux de qualité.

Un plafond froid ne s’achète pas sur « catalogue » et une installation ne peut se concevoir sans qu’un Ingénieur Conseil n’intègre tous les besoins et exigences du Maître de l’Ouvrage et de l’Architecte.

L’Entrepreneur réalisant un tel système doit en prendre la responsabilité globale tant au point de vue installation (faux plafond) que performance (confort).

Systèmes réversibles : chauffage et rafraîchissement

Un plafond froid peut fonctionner en mode chauffage en période hivernale, mais avec un certain inconfort.

Le réseau de tuyauterie sera alimenté soit en « 2 tubes réversibles » (pas moyen, dans ce cas, de faire simultanément du chaud et du froid), soit en 4 tubes, système offrant plus de souplesse. car du froid peut être émis dans une zone et du chaud dans une autre.

Le schéma ci-dessous montre l’installation 2 tubes (réseau chaud/froid, dans/sous le plafond) et propose de la coupler avec une ventilation/refroidissement par déplacement, technique complémentaire très efficace pour les occupants. Elle propose aussi la formule d’insertion des tubes dans la structure du bâtiment (augmentation de l’inertie).

Schéma systèmes réversibles.

Plancher rayonnant à faible inertie

À la base conçus pour le chauffage par le sol, les planchers rayonnants à faible inertie peuvent être utilisés comme source de rafraîchissement en été.

Installation

Pose

La pose est généralement délicate car tout défaut dans la planéité d’un faux plafond est directement visible, surtout si la lumière est rasante. Les réceptions d’installation donnent généralement lieu à des discussions tendues entre architecte et installateur !

Risques de condensation

Il ne doit pas y avoir de condensation sur le plafond froid ! Sous peine d’avoir de l’eau sur les papiers de la secrétaire !

Ce procédé est donc à proscrire dans tous les milieux présentant un taux d’humidité élevé (cuisines, sanitaires avec douches, buanderies, …)

Idéalement, il faut éviter de devoir forcer la déshumidification (énergivore) de l’air pour éviter la condensation. Pour cela, il faut produire du froid avec une température d’eau la plus élevée possible. Par exemple, avec un régime de température d’eau de 17°-20°, un simple refroidissement de l’air à 16° est suffisant pour éviter les condensations. Cela signifie alors que la puissance est limitée et donc qu la maitrise des charges de chaleur face partie intégrante du projet.

Apport d’air neuf

De l’air neuf hygiénique sera pulsé, de façon distincte au refroidissement des faux plafonds.

Une pulsion de l’air neuf à basse température (16°) permet de réduire la puissance frigorifique à vaincre par le plafond.

La déshumidification de cet air neuf en centrale contribue à l’assèchement de l’air des locaux.
Elle diminue les risques de condensation, mais génère une consommation importante et est donc à éviter.

Une pulsion de l’air neuf au ras du plafond (avec recherche de l’effet Coanda) n’augmente pas l’effet convectif et donc pas la puissance frigorifique.

Espace nécessaire

La hauteur minimale nécessaire est fonction de l’ensemble des équipements à placer dans le faux plafond. Au cas où seule la fonction thermique est présente, la hauteur minimale requise est l’ordre de 55 mm.

Préparation de l’eau glacée

On utilisera soit un groupe d’eau glacée spécifique, soit un réseau du circuit principal.

Un cas particuliers existe cependant :

Les plafonds réalisés par des nappes capillaires, qui requièrent une alimentation en eau déminéralisée. Un circuit spécifique, avec son propre échangeur à plaque en acier inoxydable, sera réalisé sur la boucle d’eau glacée du bâtiment.

Régulation

Le circuit des panneaux est alimenté à des régimes aller – retour, allant de 15°C – 17°C à 19°C-20°C en fonction de la puissance nécessaire. Il est ainsi possible de réguler la température de départ en fonction de la température extérieure, ou mieux, si présence d’une régulation numérique, de la rendre variable en fonction de l’ouverture des vannes.

Schéma de principe

La régulation de l’alimentation en eau des panneaux vise classiquement au maintien de la température de consigne, mais aussi au contrôle de l’absence de condensation sur les tuyauteries.

Cette protection peut également être assurée par un détecteur de condensation placé à la surface du tube d’entrée: si l’humidité relative de l’air à la surface du tube approche de la condensation, un contact est actionné; la vanne est fermée et, éventuellement, la pompe est arrêtée.

Cette pompe peut également être mise à l’arrêt.

si la température ambiante est inférieure à sa consigne,
si le contact de feuillure placé sur les ouvrants des châssis signale une fenêtre ouverte.

Montage

Lorsque plusieurs panneaux doivent être mis en parallèle, on peut prévoir une disposition similaire à la mise en parallèle de radiateurs :

Comme dans les raccordements bitubes, on peut améliorer l’équilibrage de l’installation par un montage en Tickelman :

Chaque circuit présente alors une perte de charge similaire et donc un débit d’alimentation similaire.

Comment est gérée la présence d’air ? On considère que les serpentins sont horizontaux et que l’eau pousse l’air qui serait présent. Ce sont les tuyaux de raccordement (ou tuyauteries-mères), toujours placés au-dessus du serpentin qui seront éventés, généralement sur le retour.

Un détail à insérer au cahier des charges : on exigera des bouchons sur les tuyauteries à l’arrivée sur chantier. Ces bouchons ne seront retirés qu’au moment du raccordement. À défaut, le serpentin étant plus bas que les tuyauteries-mères, des crasses iront s’y loger…

Solution proposée par un constructeur de matériel de régulation

Chaque local dispose d’une vanne 2 – voies modulant le débit d’eau. Un thermostat agit sur cette vanne mais peut agir sur plusieurs vannes en parallèle, si les conditions thermiques sont jugées similaires.

Boitier d’ambiance comprenant la mesure de la température d’ambiance et le potentiomètre de réglage de la consigne (que l’on peut aussi limiter dans une plage de +/- 2 K autour d’une valeur de base réglée d’avance)
Hygrostat limiteur pour le contrôle de la condensation, actionnant le circulateur.
Sonde d’applique pour le contrôle de la température effective à l’entrée du réseau.
Régulateur numérique (liaisonnable à la GTC par bus 2 fils), agissant sur le circulateur et sur la vanne deux voies motorisée.
Vanne motorisée électro-thermique modulant le débit suite au signal chrono-proportionnel reçu du régulateur.

Solution intégrant la commande de radiateurs

Avec le même matériel, le schéma ci-dessous signale que le régulateur peut également gérer le chauffage statique en hiver, la commande de l’éclairage et la réponse d’un contact de fenêtre.

Mais cette solution est luxueuse; une simple vanne thermostatique peut être adaptée à l’entrée du corps de chauffe. Elle sera réglée sur 21°C tandis que le plafond froid est modulé sur 26°C (ce qui correspond à un confort équivalent à 24°C), interdisant ainsi tout risque de destruction de l’énergie.

Si une solution par radiateur électrique est choisie, un verrouillage en fonction de la température extérieure sera utilement prévu. Par exemple : enclenchement seulement si la T°ext est < à + 5°C.

Contrôle de la condensation

Différentes dispositions seront prises pour limiter le risque de condensation :

limitation de la température de départ de l’eau pour les réseaux intégrés dans la dalle de plafond,
contrôle de l’humidité relative à proximité du plafond et coupure de la circulation d’eau, pour les réseaux en faux plafonds,
contrôle des conditions extérieures pour anticiper les fluctuations d’humidité à l’intérieur du local.

Dans un bâtiment avec fenêtres ouvrantes, l’alimentation du plafond en eau doit pouvoir être interrompue par un contact de feuillure.

Avantages

Le confort est meilleur que dans les systèmes traditionnels (par ventilo-convecteurs par exemple).
1. Parce que l’apport de froid par rayonnement est plus stable (inerte) et mieux réparti spatialement que l’apport de froid par air,
2. parce qu’il conserve « la tête au frais »,
3. parce que le confort est renforcé par l’absence de courant d’air froid, puisque le débit d’air est limité au débit hygiénique,
4. parce ces mouvements d’air limités entraînent peu de déplacement de poussières dans les locaux.

Si l’eau froide est produite par une machine frigorifique, la préparation d’eau glacée à une température « élevée » de 15°C-17°C environ permet la sélection d’une machine frigorifique avec un excellent coefficient d’efficacité frigorifique (ou « COP frigorifique »). Cette propriété est perdue si la même machine frigorifique est utilisée pour préparer l’air neuf déshumidifié …
Une température d’eau élevée permet également de recourir à une source de froid naturelle comme l’air extérieur (via free-chilling) ou le sol (via géocooling). La consommation liée la production de froid se réduit alors simplement à la consommation d’auxiliaires (pompes, ventilateur de pompes de refroidissement,…).
La séparation entre la fonction ventilation des locaux (air neuf hygiénique) et l’apport thermique (apport de froid) est un gage de bonne régulation.
L’air neuf ne sera pas recyclé, évitant ainsi les risques de contamination liés au recyclage de l’air (« sick buildig syndrom »).
L’absence de bruit est un confort non négligeable (fonctionnement statique, faible débit d’air neuf pulsé).
Cette température élevée permet d’imaginer, durant une bonne partie de l’année, un refroidissement direct de l’eau glacée dans les tours de refroidissement en toiture, en by-passant ainsi la machine frigorifique. Cette technique est généralement appelée « free-chilling ». La consommation liée au froid se résume à l’alimentation des pompes de circulation ! La présence d’une source d’eau froide naturelle peut également être mise à profit (rivière, lac, …)
Le transport du froid vers les locaux par de l’eau glacée (pompe) est environ dix fois moins énergétique que le transport par de l’air froid (ventilateurs des systèmes « tout air »).
Le confort apporté par le rayonnement froid au dessus des occupants permet une augmentation de 2°C de la consigne de température ambiante des systèmes traditionnels (température max = 26°C ou 27°C, au lieu des 24 ou 25°C habituels pour des ventilos ou des poutres froides, par exemple). Il s’en suit une réduction de la puissance frigorifique nécessaire.
Les coûts d’exploitation énergétiques sont plus faibles que dans le cas des systèmes traditionnels (ventilo-convecteurs par exemple). Une étude de cas réalisée par Tractebel Development Engineering précise ce facteur. On épargne la consommation des ventilateurs des ventilo-convecteurs, mais on augmente un peu la consommation des pompes de distribution de l’eau puisque qu’un delta T° aller-retour de 2 à 3 K est réalisé contre 5 à 6 K pour les ventilos.
Une économie supplémentaire provient du fait qu’une part de la consommation des ventilos-convecteurs est donnée en chaleur latente sur l’air (la température de la boucle d’eau glacée est inférieure à la température de rosée de l’ambiance et l’humidité de l’air se condense, parfois inutilement). Ce fait ne se produit pas avec les plafonds, … sauf si c’est l’air neuf qui est fortement déshumidifié…
La régulation est en partie auto-adaptative : une augmentation des charges du local provoque une augmentation de sa température et donc une augmentation de la puissance de refroidissement.
L’entretien semble réduit.
Un entretien réduit : pas de remplacement de filtre ou d’usure mécanique contrairement aux ventilos-convecteur.
L’encombrement au sol est nul !
Le système requiert une hauteur de faux plafond inférieure à celle d’un système tout air.
Le traitement des zones internes par ce système est moins encombrant que par la climatisation en VAV ou par ventilo-convecteurs.

Inconvénients

La puissance frigorifique reste limitée par rapport aux systèmes traditionnels. On dit parfois que c’est un système placé pour vaincre les apports internes (bureautique, éclairage, occupants). Ceci sous-entend que les apports solaires des vitrages soient limités :
- soit par la conception du bâtiment créant des ombres portées,
- soit par la mise en place de protections solaires extérieures,
- soit par le placement de stores intérieurs clairs combinés à des vitrages performants,
- soit par la configuration des lieux (bureaux paysagers, salles profondes).

Il faut cependant relativiser cet inconvénient. En effet, dans un bâtiment moderne qui se veut énergétiquement performant, une puissance de conception de refroidissement top élevée provient souvent :
soit d’une programmation mal raisonnée et d’apports internes excessifs (taux d’occupation, puissance bureautique irréaliste),
Soit d’installations intérieures mal conçues (puissance d’éclairage excessive,…),
Soit d’une enveloppe mal protégée de l’ensoleillement.
Minimiser les charges internes et bien les estimer impactent considérablement les choix du système de refroidissement. Prenons un bureau de 20 personnes orientation Sud avec 30 % de surface vitrées.

	Hypothèses
	Minimiser charges internes			Estimation réaliste
Éclairage	12 W/m²	6,5 W/m²	6,5 W/m²	6,5 W/m²
Protections solaires	sans	sans	extérieures	extérieures
Ordinateurs	180 W/PC	180 W/PC	180 W/PC	104 W (mixte tour et laptop)

Puissance de froid	131 W/m²	126 W/m²	83,8 W/m²	68,7 W/m²

Dans un premier temps, les besoins en éclairage de ce bureau sont surestimés 12W/m² et 180W par ordinateur dans ce cas, il demanderait une puissance de froid 131W/m². Dans ce cas, l’auteur se prive de la possibilité d’envisager des plafonds froids. Par contre, si ces charges internes sont minimisées par l’utilisation de protections solaires et que l’éclairage est optimisé (6,5Wm²), ce bureau demanderait une puissance de froid de 84W/m². Dans ce cas, il est possible d’utiliser des plafonds froids avec un régime 15°-17°C qui permet déjà d’utiliser en partie l’énergie gratuite, contenue dans l’air (free-chilling) ou dans le sol (géocooling). Si les charges internes de la bureautique sont mieux estimées (120W/PC au lieu de 180W/tour et 40W pour l’utilisation de PC portable), on peut envisager d’augmenter le régime d’eau à 17-19°, ce qui permet une utilisation plus importante de free-chilling ou du géocooling. L’intérêt énergétique est ainsi double puisque d’une part la puissance de froid est diminuée de 47% entre les cas extrêmes et d’autres parts parce qu’il diminue la consommation énergétique du groupe de froid par utilisation d’énergie renouvelable (lien vers gain d’énergie par géocooling et free-chilling).

Le coût d’installation est plus élevé que pour d’autres systèmes, que pour d’autres systèmes, surtout en rapport à la puissance frigorifique fournie.

Ce coût est notamment lié à la régulation assez sophistiquée, notamment pour éviter tout risque de condensation.

Le chauffage en hiver reste à résoudre ! Plusieurs solutions sont possibles :
- soit le chauffage par le plafond (mais inconfortable),
- soit un chauffage par le plafond limité aux premiers panneaux situés en façade (confortable mais limités en puissance),
- soit un chauffage traditionnel par radiateur (solution généralement appliquée en rénovation puisque l’on peut récupérer l’installation existante).

Coût

Les coûts d’investissement d’un système « plafonds froids » sont aujourd’hui encore plus élevés que ceux des autres systèmes HVAC du type air/eau.

Les coûts d’investissement d’installations HVAC complètes avec plafonds froids, qui étaient il y a quelques années de l’ordre de 250 €/m², peuvent aujourd’hui être réalisées pour moins de 130 €/m².

Ces coûts doivent aussi être évalués globalement, en tenant compte des réductions possibles de coûts d’investissement dans d’autres domaines de la construction du bâtiment :

faux plafond,
simplification de l’allège et suppression du cache-convecteur,
non-installation éventuelle d’un corps de chauffe statique,
augmentation de l’espace locatif utilisable,
…

Compte tenu de ces éléments, la solution « plafond froid » se rapproche de sa concurrente plus traditionnelle, l’installation de ventilo-convecteurs.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Régulation par point de rosée d’un humidificateur

Régulation par point de rosée d'un humidificateur

Fonctionnement normal

Pour comprendre le fonctionnement de la régulation par « point de rosée » (encore rencontrée de nos jours), il faut revenir à une époque où le contrôle direct du taux d’humidité était difficile : les sondes d’humidité n’étaient pas du tout fiables. L’humidification se faisait sur base d’un laveur d’air, c.-à-d. un type d’humidificateur pulsant l’eau à débit constant. En fonctionnement, la pulvérisation était si intensive que l’air était amené pratiquement à la saturation (85 .. 90 % d’HR).

L’idée était alors d’humidifier de telle sorte qu’en sortie de laveur (X), l’air atteigne le point de rosée du point de soufflage (S) (de là le nom de la régulation). Une postchauffe amène ensuite l’air à bonne température. En pratique, les batteries de préchauffe et de refroidissement sont réglées par le régulateur (R2) pour atteindre la consigne de température du point de rosée (X), l’humidificateur fonctionnant à plein débit permanent. Par ailleurs, la batterie de postchauffe est réglée par le régulateur (R1) en fonction d’une consigne de température de pulsion (S) ou de température ambiante (A) : l’air humidifié est réchauffé à la température d’insufflation nécessaire.

En fait, on règle ainsi l’humidification sans aucune sonde d’humidité et sans agir sur l’humidificateur.

Exemple : voici l’évolution pour une consigne de point de rosée de 14°C,
une température de soufflage de 32°C et une consigne ambiante de 22°C.

Remarque.

Ce « zig-zag » de l’air sur le diagramme de l’air humide n’est pas en soit source de consommation excessive. L’énergie totale demandée est (hS – hE) et la phase d’humidification est neutre dans ce bilan.

Par exemple, si l’ambiance est trop humide, on diminue la préchauffe (de Y à Y’), la température de sortie de l’humidificateur (X) est abaissée (X’) et l’humidité absolue de l’air pulsé diminue. La vanne de la batterie de post chauffe s’ouvre quelque peu et la température de pulsion (S’) reste alors inchangée.

Par exemple, si l’humidité relative mesurée de l’ambiance est de 50 %
alors que la consigne est de 40 %, la préchauffe diminuera (de Y à Y’).

Un autre mode de régulation de ce type d’installation consiste à commander les batteries de préchauffe et de refroidissement au moyen d’une sonde d’humidité ambiante. Cela permet de maintenir une humidité constante quelles que soient les perturbations (on humidifie ou déshumidifie selon les besoins) mais entraîne une consommation importante liée à la déshumidification.

Problèmes

Destruction d’énergie

Les problèmes commencent en mi-saison …

Par suite des propriétés spécifiques de la régulation du point de rosée – que cela soit nécessaire ou non – l’air est refroidi à la température du point de rosée d’environ 13°C. Le fonctionnement n’est dès lors pas rentable pour tous les états de l’air extérieur qui se trouvent au-dessus de l’adiabate du point de rosée.

C’est ainsi par exemple que, en fonctionnement d’été, l’air est refroidi de l’état initial (E) jusqu’au point d’intersection avec l’adiabate (Y) du point de rosée, humidifié de façon adiabatique jusqu’au point (X) (point de rosée de remplacement) puis réchauffé à nouveau jusqu’à la température d’insufflation (S).

On se retrouve alors dans la situation aberrante où l’on refroidit et déshumidifie l’air, pour ensuite l’humidifier et le réchauffer !!

Bien qu’il ne devrait y avoir qu’une déshumidification, il y a encore ici une humidification – car le laveur est en service en permanence et le régulateur du point de rosée règle une température de l’air inférieure de 3 à 4°C à la température d’insufflation – et donc la puissance de refroidissement est encore accrue pour la déshumidification.

D’autres exemples de dysfonctionnement énergivore sont possibles, même en hiver, lorsque l’installation dispose d’un recyclage partiel de l’air et que le point de mélange (M) se trouve au-dessus de l’adiabate du point (X).

Pour respecter la condition de température de rosée à la sortie de l’humidificateur, un cycle de refroidissement/déshumidification/humidification/réchauffage se met en place…

Même lorsque l’humidificateur est mis à l’arrêt en été (manuellement ou de façon automatique), la consigne de rosée poussera la batterie froide à refroidir l’air et ensuite, la consigne de pulsion commandera son réchauffage.

Humidification excessive

De plus, lorsqu’aucune sonde d’humidité ne contrôle la batterie de préchauffe, l’humidité ambiante obtenue du fait de l’humidicateur dépasse largement la barre des 40 %, ce qui n’apporte rien au confort mais entraîne une consommation inutile.

Par exemple, si on fixe la consigne de point de rosée à 14°C et la température de pulsion à 20°C, l’air sera pulsé avec une humidité relative de 58 % à laquelle viendra encore s’ajouter l’humidité produite dans les locaux.

Améliorations possibles

Adapter la consigne de température du point de rosée

Classiquement, on retrouve la consigne de température de rosée (en sortie de laveur d’air) bloquée sur 13 ou 14°C toute l’année.

Analysons la situation en hiver. Si l’air sort de l’humidificateur à une température de 14°C et une humidité relative de 90 %, après chauffage à 21°, il sera à plus de 55 % d’humidité ! Or dans l’ambiance, il captera encore l’humidité des occupants (50 grammes par heure et par personne), des plantes, …

Idéalement, la température du point de rosée devrait donc être basse en hiver, afin de limiter la consommation d’humidification.

Par exemple en fixant la consigne de rosée à 7°C, on atteint une humidité ambiante de l’ordre de 45 % (pour une température ambiante de 20°C, en tenant compte de l’apport en humidité des occupants.

Mais si, en été, la consigne de rosée est basse, on risque vite de tomber dans le cas où la batterie de froid sera en demande pour satisfaire cette consigne. On doit au contraire augmenter au maximum la consigne de rosée pour qu’elle soit proche de la consigne de pulsion.

Par exemple, si la consigne de pulsion est de 17°C, le point de rosée peut être réglé à 16°C (le degré d’écart entre ces deux consignes sera donné par le ventilateur).

Une consigne de rosée aussi élevée ne peut malheureusement pas convenir en hiver car elle entraînerait une humidification excessive et énergivore.

Il faut donc prévoir une consigne de rosée différente en fonction de la saison.

Comment faire ?

La première action consisterait à adapter manuellement la consigne en fonction de la saison.

Mieux, on peut imaginer une consigne de rosée variable en fonction de la température extérieure, suivant une courbe de chauffe du type :

Enfin, une alternative peut consister à modifier automatiquement la consigne de rosée en fonction de l’humidité relative mesurée dans la reprise d’air. La consigne peut par exemple varier entre 7°C et la température de pulsion moins 1 .. 1,5°C.

Stopper la déshumidification d’été

Si on analyse de près la régulation par point de rosée, on se rend compte que la destruction de l’énergie provient surtout du fait que la batterie froide est commandée par la consigne de point de rosée : elle peut être enclenchée pour déshumidifier l’air.

Or dans des locaux de type « bureaux », sauf exceptions, il nous semble que le besoin de déshumidifier ne se présente pas :

Dans des conditions extérieures extrêmes (30° et 50 % HR), avec une consigne de rosée de 16°C et une consigne de pulsion de 17°C, l’humidité ambiante ne dépasse pas 60 % en tenant compte de l’apport en humidité des occupants (point A’).

Exceptions ? Il est des cas où une déshumidification s’impose : les locaux climatisés par plafonds froids ou poutres froides, et les salles où le maintien de conditions d’ambiance stricte est nécessaire.

Comment faire ?

Il y a lieu de modifier le principe de régulation pour commander la batterie froide au départ du même point de consigne que la batterie de post-chauffe (bien sûr avec une plage morte entre l’enclenchement des 2 batteries). Seul le besoin de refroidissement de l’ambiance pilotera la batterie froide.

Par exemple : commande de la batterie de refroidissement et de la batterie de post-chauffe par la consigne de pulsion. La batterie de préchauffe restant commandée par la consigne de rosée pour gérer l’humidification en hiver.

Cette mesure combinée avec l’abaissement du point de rosée en hiver, devrait éviter toute destruction d’énergie.

Limiter l’humidification excessive

Si ce n’est pas déjà le cas, on cherchera tout d’abord à commander l’humidificateur sur base de l’humidité effective dans les locaux. Par exemple via une sonde dans la reprise d’air, plutôt que via une sonde dans la pulsion.

Par exemple, cette technique consiste à agir, sur base d’un hygrostat dans la reprise commune des locaux, sur la pompe de l’humidificateur. Cela peut entraîner certaines fluctuations d’humidité dans les locaux.

Signalons que dans ce cas, la consigne de l’hygrostat et la consigne de rosée seront les plus basses possibles (pour assurer environ 40 % dans l’ambiance). En évitant une humidification excessive, on limitera les fluctuations d’humidité ambiante liée au fonctionnement en tout ou rien de la sonde d’humidité.

On peut ensuite mettre l’humidificateur à l’arrêt dès la mi-saison, par exemple, au-dessus d’un seuil de température extérieure : 5…8°C. C’est mieux que rien … mais cela n’empêchera pas le fonctionnement simultané de la batterie froide et de la batterie de post-chauffe en mi-saison.

Favoriser l’humidification à débit variable

Toutes ces difficultés, proviennent finalement de la technologie des « laveurs d’air » qui saturent l’air pulsé en eau.

On pourrait imaginer pouvoir directement régler le taux d’humidité souhaité en agissant sur l’efficacité de l’humidificateur.

Le schéma de l’installation serait le suivant :

C’est un montage en vanne diviseuse mais il est possible également de diviser l’installation en plusieurs rampes de gicleurs, commandés chacune par une vanne magnétique.

Fonctionnement en hiver.

Fonctionnement en été.

Ce type de fonctionnement est semblable à celui obtenu avec un humidificateur à vapeur.

Est-ce réalisable avec un humidificateur à pulvérisation ou à évaporation ?

Certains fabricants semblent dire que c’est possible avec leur matériel. D’autres disent qu’il existe un écart entre la théorie et la pratique et que l’on ne sait pas trop quelles sont les conditions obtenues pour de faibles débits d’eau : la taille des gouttes augmente et le pouvoir de diffusion dans l’air diminue fortement. Un pompage de l’installation aurait beaucoup de chance de se produire… Cela semble par contre possible avec les humidificateurs rotatifs.

En résumé, le bilan est mitigé et il est difficile de se faire une opinion globale. Si un de nos lecteurs posséde une expérience pratique de ce type de régulation, son éclairage est donc le bienvenu.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Évaluer l’efficacité énergétique du poste de cuisson

Photo poste de cuisson.

Analyse quantitative

Cette analyse est purement indicative, elle ne peut constituer à elle seule un critère de décision.

En effet, il est très difficile de donner des valeurs de consommation de référence car elles varient très fort en fonction de facteurs indépendants de l’énergie (hygiène, organisation, choix culinaires, etc).

Ainsi, si on compare, du point de vue énergétique, sa cuisine avec d’autres cuisines, on ne peut valablement porter de jugement de valeur que si les concepts de base choisis sont identiques.

L’analyse quantitative doit donc être complétée par l’analyse qualitative.

Ainsi, supposons par exemple, pour une cuisine, que l’on aboutisse aux deux conclusions suivantes :

Analyse quantitative : le poste cuisson est globalement peu performant (en Wh/repas).

Analyse qualitative : la cuisson à haute température, avec évaporation d’eau (sauter, griller ou frire) est prépondérante.

Ces deux conclusions se recoupent : si le poste cuisson est peu performant, c’est justement, dans l’exemple, parce que la cuisson avec évaporation est prépondérante. La conclusion de l’analyse qualitative vient justifier la conclusion de l’analyse quantitative.

L’analyse quantitative peut aussi venir trouver sa justification dans les concepts de base influençant les consommations.

En revanche, l’évaluation de sa propre situation (mesure ou estimation) permet de mieux comprendre où passe l’énergie de sa cuisine et donc de concevoir une stratégie d’amélioration fondée sur l’analyse des facteurs de consommation (et non pas sur la comparaison avec un modèle moyen et irréel).

Une valeur de référence

Nous avons relevé les ratios suivants, dans des cuisines considérées comme correctes. Ces valeurs peuvent encore être améliorées (parfois de 20 à 30 %) mais certaines autres cuisines les dépassent largement (parfois d’un facteur 2 ou plus). Ces valeurs sont valables pour une gamme de cuisines collectives allant de 50 à 400 repas par service. Au-delà ces ratios peuvent diminuer.

Cuisson	450 Wh/repas
Remise en température	55 Wh/repas en barquettes, 20 Wh/repas en plat.
Maintien en température	20 Wh/repas

Le maintien en température peut, dans certaines cuisine atteindre 80 Wh/repas et plus, comme être nul (distribution tendue).

Évaluer sa propre situation

Les appareils électriques

> À partir de mesures :
On peut mesurer la consommation des appareils utilisés lors de la cuisson. Pour être représentative d’une moyenne, il faut répéter l’opération plusieurs jours de suite. Les mesures peuvent être réalisées sur chaque appareil mais nécessite alors l’intervention d’un électricien vu que les appareils ne sont pas raccordés à une prise mais de façon fixe. Elles peuvent aussi être réalisées à partir du tableau électrique où l’on trouve un départ par appareil de cuisson.

S’il existe un compteur électrique spécifique à la cuisine, on peut tenter d’isoler l’utilisation des appareils de cuisson.

Les appareils au gaz

> À partir de mesures :
Contrairement à l’électricité (les compteurs électriques sont petits et facilement déplaçables), on exclut la pose de compteurs gaz temporaires. En effet, on manque de place, et il y a des problèmes de sécurité et de prix.

Par contre, il existe en général un compteur gaz pour la cuisine du bâtiment. Dans ce cas, un relevé avant et après la cuisson suffit. Pour être représentatif d’une moyenne, il faut répéter l’opération plusieurs jours de suite.

S’il n’existe pas de compteur spécifique à la cuisine, il faut isoler le poste cuisson. Si le chauffage est au gaz, on fait les mesures en dehors de la période de chauffe. Si l’eau est chauffée au gaz dans un boiler à accumulation, on coupe temporairement celui-ci. Si le boiler est à chauffe directe, on peut calculer l’énergie nécessaire au chauffage de l’eau utilisée.

> A partir d’estimation :
Pour les appareils avec brûleur séquentiel, l’allumage s’effectue toujours à plein débit. La diminution de l’apport de chaleur est obtenue par une série d’arrêts et de remises en marche du brûleur.

Pour certains appareils, la flamme est directement visible ou le devient facilement en enlevant une plaque de l’appareil. On peut calculer la proportion de temps (f) durant lequel il y a une flamme et calculer l’énergie consommée par la formule :

E = P x T x f,

Où :

P : puissance de l’appareil,
T : temps de la cuisson.

Analyse qualitative

Nous avons une surconsommation d’énergie, par rapport au service rendu, quand la quantité d’énergie consommée dépasse nettement la quantité intrinsèquement nécessaire au processus physico-chimique de cuisson des denrées.

Il y a toujours une partie de l’énergie qui n’est pas utilisée à la cuisson proprement dite : ainsi, une partie de la chaleur sert à élever la température du récipient, une autre partie s’échappe éventuellement avec les gaz brûlés évacués, etc .

Les indices permettant de repérer des anomalies sont expliqués un à un. Ils servent à remplir une grille d’évaluation.

L’analyse qualitative de l’efficacité énergétique du poste « cuisson » se fait en passant en revue chacun des appareils de cuisson utilisés. La conclusion globale dépend de la proportion de « bons » et de « mauvais » appareils utilisés pour ce poste.

Par exemple, l’utilisation fréquente d’un auto-cuiseur de bonne qualité est un indice d’un poste cuisson à haute efficacité énergétique.

Repérer les indices d’un bon/mauvais appareil
Grilles d’évaluation

Repérer les indices d’un bon/mauvais appareil

Photo poste de cuisson.

L’efficacité énergétique d’un appareil de cuisson dépend des paramètres ci-dessous. Les premiers concernent l’appareil proprement dit, les suivants concernent la façon de l’utiliser.

La source de chaleur

Les appareils qui produisent la chaleur à l’intérieur du volume de cuisson (certains fours ou marmites) ont une efficacité supérieure à ceux qui produisent la chaleur à l’extérieur. Ainsi, une marmite à chauffe directe perd moins d’énergie qu’une marmite à réchauffeur externe, tout autre paramètre restant égal.

Le transfert de chaleur

Les appareils qui accélèrent le transfert de la chaleur aux denrées ont une plus grande efficacité. Ainsi les fours à convection forcée sont plus efficaces que les fours statiques, et la cuisson par la vapeur (fours avec vapeur, autocuiseurs, etc.) facilite la répartition de la chaleur.

Le confinement

Les appareils fermés perdent nettement moins d’énergie que les appareils ouverts. Les moins efficaces sont les feux vifs (à gaz ou électriques), les sauteuses ouvertes, les salamandres, grilloirs, plaques à snacker. L’efficacité d’une marmite peut être augmentée en la fermant par un couvercle.

La fuite d’énergie

Les appareils bien calorifugés sont plus efficaces.

La question concerne principalement les appareils fermés (fours, marmites, bain-marie).

Des appareils ouverts (plaques, etc.) se font encore en version non isolée, mais ces appareils sont surtout caractérisés « sans confinement » et la question de l’isolation est relativement secondaire. Quand elle existe, l’isolation protège surtout des brûlures et protège les circuits ainsi que les boutons de commande.

Les friteuses à zone froide sont mal isolées au fond mais ont l’avantage de mieux refroidir les débris solides et donc d’économiser l’huile et d’améliorer le goût.

Pour les appareils fermés, le calorifuge existe depuis longtemps mais il a bien évolué : isolant plus épais, isolant mieux protégé, ponts thermiques traités, meilleure fixation, meilleure tenue.

On peut vérifier que l’isolant est bien réparti et bien fixé au niveau des parties de l’appareil où il est visible (en général dans les parties cachées. Ex. : dessous de l’appareil, etc.). Il suffit parfois de dévisser une plaque. De même, on peut contrôler si l’appareil présente des zones chaudes (à l’arrière, par dessous, …). Un appareil bien isolé peut être touché sans se brûler.

Vu l’intérêt économique différent, les appareils au gaz sont, en général, moins bien calorifugés. Les fours électriques sont plus fermés (pas de gaz à évacuer).

Certains appareils chauffés par de la vapeur perdent de l’énergie par les fuites, ou par la mauvaise récupération de l’eau condensée.

La masse inerte

Moins on aura à chauffer de matière non consommable (le récipient), moins on consommera de chaleur.

La masse inerte est à comparer à la masse utile (denrée + bain alimentaire). L’eau de cuisson des légumes et l’huile des frites sont des bains alimentaires. L’eau des bain-marie et la vapeur des fours sont des bains non alimentaires.

Un rapport de la masse inerte à la masse utile faible est un indice d’une bonne efficacité énergétique de l’appareil.

Ce rapport est souvent bon dans les marmites, les fours à rôtir et les autocuiseurs, parfois dans les grills et les plaques vitrocéramiques (gaz ou électricité).

Il est souvent médiocre dans les sauteuses, les plaques traditionnelles et les fours pâtissiers.

Remarque : une plaque à induction a une meilleure efficacité énergétique qu’une plaque classique. Néanmoins, pour que la différence soit réellement effective, il faut que la plaque soit de bonne qualité : la vitrocéramique doit être transparente aux ondes électromagnétiques. Si votre plaque reste froide lors de la cuisson, cela signifie qu’elle l’est suffisamment.

Le dimensionnement

Le surdimensionnement : un matériel trop grand par rapport aux quantités à cuire perd plus d’énergie, pour un ensemble de raisons : plus de fuites d’énergie, masse inerte proportionnellement plus importante, etc.

Le sous-dimensionnement : paradoxalement, un matériel trop petit par rapport aux masses de produits à cuire pourra être une cause de sur-consommation d’énergie. Ainsi, un four trop petit nécessite deux cuissons au lieu d’une seule (chacune consommant plus de la moitié de l’énergie d’une cuisson unique). De plus, il faudra probablement stocker la première fournée dans une armoire chaude en attendant la fin de la deuxième cuisson.

Le rendement des appareils au gaz

Il y a eu beaucoup d’améliorations concernant le rendement des appareils au gaz ces dernières années.
Outre un bon calorifugeage, ce rendement est obtenu par le brûleur séquentiel, par l’optimisation du transfert de chaleur et par l’allumeur électronique.

Avec un brûleur séquentiel, la diminution de l’apport de chaleur est obtenue par une série d’arrêts et de remises en marche du brûleur selon un cycle pré-établi. L’allumage s’effectue toujours à plein débit et donc la flamme a toujours la même hauteur. Il permet d’augmenter le rendement de l’appareil de 20 points.

Le meilleur transfert de chaleur fait gagner quelques points de rendement (parfois près de 10 points).
Il s’obtient par le choix du matériau pour l’échangeur (cuivre bon conducteur) et par le choix de la géométrie des parois d’échange thermique : trajet des gaz chauds plus long, plus turbulent (ailettes, tétons).

L’allumeur électronique est plus facile à manipuler que le piezzo. On arrêtera donc plus volontiers l’appareil.

Grâce à ces techniques, il existe une friteuse au gaz à haut rendement (88 %) fabriquée en Hollande. Ce rendement est à comparer aux 45 % d’une friteuse au gaz classique.

La qualité de combustion (installations au gaz)

Remarque : ce paramètre n’est pas intégré dans les grilles d’évaluation pour plusieurs raisons : parce que son incidence est relativement plus faible que celle des autres paramètres et parce que son amélioration relève seulement d’une bonne maintenance technique qui sera de toute façon à programmer, quelles que soient les conclusions de l’évaluation énergétique, au moins pour des raisons de sécurité.

Le binôme temps/température :

Il s’agit de conduire la cuisson au bon moment, à la bonne température, et sur la bonne durée.

La durée excessive

La durée excessive est surconsommatrice. Ainsi, pour préparer une soupe, mieux vaut introduire ensemble les produits à temps de cuisson égal, que de les introduire peu à peu toutes les dix minutes, à mesure de leur disponibilité à la sortie de la légumerie.

Le préchauffage

Il doit être limité au temps strictement nécessaire (fours, armoires chaudes, etc.).

Quand un produit doit être jeté dans une eau portée à l’ébullition, ou dans un bain de friture, il est primordial de ne plus attendre à partir du moment où la température est atteinte : la contrainte est souvent celle de l’organisation des tâches des différents personnels disponibles.

L’allumage des appareils ne doit pas être systématique au petit matin, mais sera différé jusqu’au moment opportun.

Le choix des horaires

Un horaire de cuisson bien choisi permet d’éviter de recourir aux armoires chaudes pour le stockage après cuisson.

Le refroidissement d’un appareil

Le refroidissement d’un appareil, le plus souvent un four, entre deux cuissons successives fait croître la consommation d’énergie. Il vaut mieux démarrer le second cycle dès la fin du premier.

Parfois, il est possible de cuire ensemble deux plats compatibles . Dans le cas des marmites, le refroidissement a moins d’incidence sur la consommation (températures plus basses) et reste souvent inéluctable, pour le nettoyage entre deux cuissons.

Les excès de température

Les excès de température entraînent le plus souvent une surconsommation d’énergie : température des bains, température des fours, température des denrées. En fait, il s’agit d’adapter le binôme temps/température : un auto-cuiseur pourra monter plus haut en température, mais sur une durée plus courte, et avec un meilleur confinement : il y aura économie d’énergie.

Les automatismes (régulateurs/programmateurs)

Les automatismes sont des auxiliaires très efficaces pour réduire la consommation d’énergie, tout en améliorant le plus souvent les qualités gustatives et en diminuant les pertes de masse. Les sondes de température à cour sont particulièrement appréciables.
Citons :

la possibilité de réguler finement les brûleurs à gaz grâce au pilote séquentiel,
les appareils polyvalents à programmes intégrés,
les sondes à cour, suivant fidèlement l’évolution du produit et pilotant un régulateur de température (du type séquentiel dans le cas du gaz),
les plaques à sonde (testant la présence et la température du produit),
les automates de cuisson sous vide (fonctionnant sans présence humaine, la nuit),
les programmes faciles à entrer (clavier écran , etc.)

Les automatismes n’apportent pas beaucoup par rapport à une conduite manuelle expérimentée et très au fait des appareils. Leur gain n’est pas quantifiable en soi, mais seulement par rapport à un comportement humain auquel il se substitue : tout dépend de la qualification des personnes, de leur disponibilité (effectifs, horaires), de l’organisation du travail, et de l’effort d’adaptation nécessité par l’évolution des produits et une carte culinaire qui serait trop complexe à assimiler techniquement. Les automatismes rendent aussi des services aux personnes expérimentées, en allégeant leur tâche et en leur permettant de plus diversifier les menus, voire de gagner sur les durées.

D’autre part, les automatismes des appareils nouveaux, moins énergivores par ailleurs, permettent d’en assimiler rapidement la maîtrise et d’en tirer les avantages prévus, sans risque de se tromper (avec des conséquences énergétiques).

Remplacer un vieux matériel (trop gros ou trop petit, mal isolé) fait souvent économiser l’énergie, et l’automatisme est acheté par la même occasion : il ne crée pas l’économie d’énergie, mais la facilite sur un matériel non encore maîtrisé.

Grille d’évaluation – Exemple

Dans les grilles d’évaluation chacun des paramètres cités ci-dessus a été affecté d’une pondération (incidence quantitative) sous la forme d’un nombre d’étoiles.

Une grille d’évaluation est complétée pour chaque appareil de cuisson. L’utilisateur remplit les cases blanches.

APPAREIL DE CUISSON	Type :	sauteuse basculante
	Capacité :	200 litres gaz
	Puissance :	25 kW
	% du temps :	10 %
Efficacité énergétique / Paramètres	Incidence	Note (0 à +/- 3)*	Bilan	Décision
Source de chaleur	*	– 1	– 10	non
Transfert de chaleur	**	+ 1	+ 20
Confinement	*****	– 1	– 50	non
Fuite d’énergie	*	0	/
Spécifique vapeur	***	0	/
Masse inerte	**	0	/
Sur dimensionnement	**	– 2	– 40	A voir
Sous dimensionnement	*	0	/
Rendement app. gaz	**	– 2	– 40	A voir
BINÔME TEMPS/TEMPÉRATURE
Durée excessive	***	0	/
Pré-chauffage	***	– 1	– 30	oui
Horaires	**	– 1	– 20	non
Refroidissement	*	0	/
Excès de température	**	0	/
Automatisme	**	0	/

* La note résulte d’un examen de l’appareil concerné et de son utilisation.
Exemple : si une marmite fonctionne toujours avec couverte, le confinement est noté + 3.

0 signifie « sans objet » par rapport aux critiques écrits dans le texte correspondant.

Concepts de base ayant une influence sur les consommations

Outre l’efficacité énergétique des appareils de cuisson et la façon de les utiliser, bien d’autres facteurs influencent les consommations du poste.

Ce sont d’autres considérations que l’énergie qui conduisent au choix de ces concepts.

Nous avons relevé les points suivants :

L’hygiène

Une cuisine ne respectant pas l’hygiène risque de consommer moins qu’une cuisine la respectant : interruption dans la chaîne du chaud, etc.

Le nombre de plats nécessitant cuisson – Les produits non cuits

Il est certain qu’une institution où l’on propose une entrée chaude, un potage et un plat consistant aura un poste cuisson bien plus énergivore que celle qui se contente de servir un plat consistant.

Dans le même ordre d’idée, il est trivial de constater que certains cuisines consomment beaucoup moins en été, du fait des changements de menus (salades, fruits frais et crèmes glacées, au lieu des entrées chaudes, choucroutes et pâtisseries).

La gamme des produits

Les produits précuits (4^ième gamme) permettent évidemment de réduire la consommation d’énergie en cuisine, mais pas nécessairement dans le bilan global de la chaîne intégrant la cuisson industrielle.

Sur la chaîne globale, il est intéressant d’utiliser un précuit pour les quantités de produits pour lesquelles on ne dispose pas des conditions optimales de cuisson économe (quantité trop faibles, par exemple : sauces, fonds de tarte).

L’évaporation de l’eau des denrées

La cuisine mijotée est grosse consommatrice d’énergie.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Brûleur séquentiel

Brûleur ordinaire et brûleur séquentiel.

Principe

Ordinairement, pour diminuer l’apport de chaleur à une préparation (lorsque sa température de cuisson est atteinte par exemple), on réduit le débit d’arrivée du gaz. Ceci a pour effet de raccourcir les flammes du brûleur.

Et la flamme, ainsi raccourcie, se concentre toujours au même endroit. Cela provoque une surchauffe locale qui conduit généralement à ce que les aliments « attachent » au fond des récipients.

Le brûleur séquentiel évite ce problème. La diminution de l’apport de chaleur est obtenue par une série d’arrêts et de remises en marche du brûleur selon un cycle préétabli. L’allumage s’effectue toujours à plein débit et donc la flamme a toujours la même hauteur.

Non seulement la surface couverte par les flammes est toujours la même, mais, de plus, pendant les séquences d’arrêt du brûleur, la chaleur se diffuse des parois les plus chaudes vers les parties les plus froides de la préparation. On obtient ainsi une homogénéisation de la température dans la préparation.

Brûleur ordinaire.

Brûleur séquentiel.

Fonctionnement

Le brûleur séquentiel comprend :

Un brûleur (1) équipé d’une électrode d’allumage et d’une électrode de détection de flamme (sur les brûleurs découverts, ces électrodes sont situées à l’intérieur du brûleur et donc à l’abri des chocs et du recouvrement par des déchets d’aliments).

Une électrovanne (2) qui permet d’ouvrir ou de fermer l’arrivée de gaz au brûleur.

Un sélecteur (3) permettant de choisir la séquence d’allumage / extinction la plus appropriée.

Un boîtier (4) comprenant les circuits de commandes et de sécurité.

Le boîtier de commande provoque l’allumage et l’extinction du brûleur selon la séquence choisie sur le sélecteur par l’utilisateur. À l’allumage, le gaz provient du brûleur dès l’ouverture de l’électrovanne, puis est enflammé par les étincelles de l’électrode d’allumage. L’autre électrode détecte toute absence de flamme permettant ainsi d’assurer la sécurité.

Les temps d’allumage et d’extinction peuvent être programmés avec précision. Sur un brûleur découvert, il est, par exemple, possible d’obtenir l’allumage pendant seulement deux secondes toutes les trente secondes. Le sélecteur laisse le choix entre plusieurs séquences permettant ainsi différents « ralentis ».

Le brûleur séquentiel peut aussi fonctionner en continu pour assurer une montée rapide en température et il ne se distingue alors pas d’un brûleur ordinaire.

Applications

Cette nouvelle technique peut s’appliquer aux principaux appareils de cuisine professionnelle : brûleur découvert, plaque « coup de feu », plaque à snacker, marmite, sauteuse…

Avantages

Les avantages de ce système sont nombreux :

Économie d’énergie : un brûleur ordinaire a un rendement médiocre au ralenti du fait que la distance de la flamme au récipient se trouve augmentée.

Des récipients plus faciles à nettoyer (gain de temps et économie d’eau chaude).

Une température plus homogène dans la préparation (certitude de réussir les préparations les plus délicates), évite l’utilisation de marmites à chauffage indirect ou du bain-marie.

Réduction des pertes en poids des préparations en marmites ou sauteuses.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir la couche isolante du plancher des combles [Concevoir]

L’efficacité isolante

La valeur isolante du matériau dépend de son coefficient de conductivité thermique. Plus sa conductivité est faible, plus l’isolation sera efficace et donc plus l’épaisseur nécessaire à mettre en œuvre sera réduite. Le matériau doit également conserver une efficacité suffisante dans le temps.

Le choix l’épaisseur d’isolant doit donc se réaliser en fonction de la performance thermique à atteindre.

Exemple d’épaisseur calculée d’isolant

Remarque.

Les calculs ci-dessous sont faits avec l’hypothèse que le plancher est étanche à l’air. Dans le cas contraire, la valeur U peut être très fortement dégradée.

Pour éviter les courants d’air à travers les planchers légers, on choisira une finition inférieure de type :

plafonnage;
plaques de carton-plâtre correctement rejointoyées;
ou des panneaux de fibres de bois liées au ciment, avec enduit.

Le plafond n’est, par contre, pas rendu étanche par une finition en lambris ou planchettes.
Il ne l’est, bien sûr, pas non plus dès que la finition intérieure est perforée pour des canalisations électriques ou pour une autre raison. Si le passage de canalisation est nécessaire, celles-ci passeront dans un vide technique aménagé entre un écran à l’air et la finition intérieure.
Un plancher lourd ne pose généralement pas de problème de courant d’air.

Calcul précis

L’épaisseur « d_i » de l’isolant se calcule par la formule suivante :

1/U
= [1/h_i + d₁/λ₁ + d₂/ λ₂ + … + d_i/λi + R_u + 1/h_e]

<=> d_i = λ_i [(1/U) – (1/h_i + d₁/λ₁ + d₂/λ₂ + … + R_u + 1/h_e)]

où,

λ_i est le coefficient de conductivité thermique de l’isolant,
U est le coefficient de transmission thermique de l’ensemble « plancher des combles + versants de toiture » à atteindre (exemple : 0,3 W/m²K),
h_eet h_i les coefficients d’échange thermique entre le toit et les ambiances extérieures et intérieures valant respectivement 23 W/m²K et 8 W/m²K,
d_x/λ_x la résistance thermique des autres couches de matériaux,
R_u est la résistance thermique des combles. Elle comprend la résistance thermique de l’espace d’air et la résistance thermique de la toiture (en pente).

Le tableau ci-dessous donne les résultats des calculs pour des toitures avec sous-toiture et pour différents modèles d’isolation de plancher.

Sous-toiture +	Valeur U sans isolation [W/(m²xK)]	Épaisseur (en mm) d’isolant nécessaire pour obtenir : U < 0,3 W/(m²xK)
Plancher :	Valeur U sans isolation [W/(m²xK)]	MW, EPS 0.045 W/(mK)	PUR 0.035 W/(mK)	XPS 0.040 W/(mK)
Plancher léger étanche à l’air; sans aire de foulée.	2.6	> 133	> 103	> 118
Plancher léger étanche à l’air; avec aire de foulée.	1.5	> 120	> 93	> 107
Plancher lourd étanche à l’air.	2.3	> 130	> 101	> 116

Calcul simplifié

La valeur U d’une toiture est presque uniquement déterminée par la couche isolante. Pour simplifier le calcul, on peut négliger la résistance thermique des autres matériaux.

La formule devient alors :

e_i = λ_i ((1/ U) – (1/h_e + 1/h_i) [m]

Exemple pour U = 0,3 W/m²K,

e_i = λ_i ((1/ 0,3) – (1/23 + 1/8 )) m
= λ_i x 3,16 [m]

L’épaisseur ne dépend plus que du choix de l’isolant et de son λ_i.

L’épaisseur ainsi calculée doit être adaptée aux épaisseurs commerciales existantes.

Exemple.

Si l’isolant choisi est la mousse de polyuréthane (PUR).

Son λ_i vaut 0.039 W/mK (suivant NBN B62-002)
ei = 0.039 x 3.16 = 0.12324 m

L’épaisseur commerciale : 13 cm (par exemple : 6 + 7 cm).

Calculs

Pour estimer vous-même, de manière simplifiée, l’épaisseur suffisante d’un isolant.

L’adéquation avec le support

Un isolant semi-rigide :

s’intercale facilement dans les espaces qui lui sont réservés (pose entre les gîtes);
calfeutre correctement les raccords (autour de l’isolant);
ne résiste pas à la compression (non circulable).

Un isolant souple :

peut suivre la forme très compliquée d’un plancher (contournement des gîtes);
s’intercale facilement dans les espaces qui lui sont réservés (pose entre les gîtes);
calfeutre correctement les raccords (autour de l’isolant);
ne résiste pas à la compression (non circulable);

doit être supporté (par le plafond).
Un isolant rigide :

résiste mieux à la compression (peut éventuellement supporter une aire de foulée);
calfeutre moins facilement (entre les gîtes ou lambourdes);
s’adapte plus difficilement à des formes compliquées.

Les flocons ou granulés :

s’intercalent facilement dans les espaces qui leur sont réservés (pose entre les gîtes);
calfeutrent correctement les raccords (autour de l’isolant);
ne résistent pas à la compression (non circulable);
doivent être supporté (par le plafond);
se déplacent facilement.

Le choix de l’isolant dépend des caractéristiques énumérées ci-dessus et du modèle d’isolation choisi en fonction du type de plancher (lourd ou léger).

Le plancher lourd

Le plancher lourd sera idéalement isolé par le haut afin de lui maintenir une température constante. On évite ainsi des contraintes internes dans la structure et les désordres qu’elles risquent de provoquer. Le volume protégé profite également de l’inertie thermique importante du plancher lourd.

Non circulable

Si le plancher ne doit pas être circulable, tous les isolants en matelas ou en panneaux conviennent.
Si, en outre, la face supérieure du plancher est compliquée ou irrégulière, on préférera les matelas d’isolant souples qui épousent mieux la forme.
Les matelas souples seront idéalement enveloppés d’un papier perméable à la vapeur qui le protège de la poussière.

Circulable

Si le plancher doit être circulable, tous les panneaux rigides conviennent à condition que leur résistance à l’écrasement soit compatible avec les surcharges prévues.
Ils seront ensuite couverts par des plaques de protection constituant l’aire de foulée.
Ces panneaux rigides ne nécessitant pas de lambourdes pour porter l’air de foulée, les ponts thermiques sont évités.

Si pour des raisons économiques ou de protection au feu un isolant semi-rigide ou souple devait être posé, il le serait entre lambourdes. (voir plancher léger, isolation entre gîtes).

Le plancher léger

Non circulable

Isolation sur le plafond entre les gîtes

On utilisera idéalement des matelas rigides ou semi-rigides, car ils sont faciles à ajuster et à calfeutrer.
On peut également utiliser des flocons ou granulés. Ils sont plus faciles à poser, mais risquent d’être déplacés avec le temps par des facteurs mécaniques extérieurs (vent, circulation intempestive, rongeurs, oiseaux, …).
Isolation autour des gîtes

On utilisera exclusivement un matelas souple épousant bien la forme du support. Les matelas souples seront idéalement enveloppés d’un papier perméable à la vapeur qui le protège de la poussière.
Isolation au-dessus du plancher

Si le plancher ne doit pas être circulable, tous les isolants en matelas ou en panneaux conviennent.
Si on utilise des panneaux suffisamment résistants, ceux-ci peuvent être recouverts ultérieurement d’une aire de foulée et le plancher des combles serait ainsi rendu circulable, si nécessaire.
Dans ce cas, il ne faut pas oublier de prévoir le pare-vapeur éventuellement requis.

Circulable

Le plancher léger circulable sera généralement isolé dans son épaisseur pour des raisons d’économies d’espace et de matériaux.
Dans ce cas, on utilisera idéalement des matelas rigides ou semi-rigides, car ils sont faciles à ajuster et à calfeutrer.
Lorsque le plafond est posé avant l’aire de foulée, on peut utiliser des flocons ou granulés. Ils sont faciles à mettre en place.

Dans certains cas lorsqu’il n’y a pas de plafond ou lorsque des appareils volumineux sont encastrés dans celui-ci, on pose l’isolant sur une plaque de support reposant sur le gîtage.
Tous les panneaux rigides conviennent à condition que leur résistance à l’écrasement soit compatible avec les surcharges prévues.
Ils seront ensuite couverts par des plaques de protection constituant l’aire de foulée.

Ces panneaux rigides ne nécessitant pas de lambourdes pour porter l’air de foulée, les ponts thermiques sont évités.

Si pour des raisons économiques ou de protection au feu un isolant semi-rigide ou souple devait être posé, il le serait entre lambourdes. (Voir plancher léger, isolation entre gîtes).

Attention !

Certains isolants sont incompatibles avec d’autres éléments du plancher en contact avec l’isolant.
Par exemple, les mousses de polystyrène sont attaquées par les agents d’imprégnation du bois à base huileuse et par certains bitumes, par les solvants et les huiles de goudron.

Le comportement au feu

Lorsque le support résiste mal au feu (plancher en bois, tôles profilées métalliques), l’inflammabilité de l’isolant joue un rôle important.
Suivant le degré de sécurité que l’on souhaite atteindre, en fonction de la valeur du bâtiment et de son contenu, de son usage, de sa fréquentation, etc., on déterminera le degré d’inflammabilité acceptable pour l’isolant.

La chaleur produite par les spots peut dégrader ces mousses et provoquer des incendies. Si des spots doivent être placés à proximité du panneau isolant (solution à éviter), les mousses doivent être protégées en interposant des boucliers thermiques efficaces.

On veillera également à ce que ce matériau ne dégage pas de gaz toxique lorsqu’il est exposé à la chaleur d’un incendie. C’est notamment le cas de mousses auxquelles ont été rajoutés des moyens retardateurs de feu.

L’impact écologique

Les différents matériaux isolants n’ont pas tous le même impact sur l’environnement. Pour limiter cet impact, on choisira de préférence un isolant « écologique ».

Le prix

« Le nerf de la guerre…! »

A performance égale on choisira le matériau le moins cher. Il faut cependant raisonner en coût global, et tenir compte, non seulement du coût de l’isolant mais aussi de sa mise en œuvre.
Lorsqu’ils sont posés dans les planchers, les isolants correctement posés et protégés des agressions extérieures ne nécessitent aucun entretien et leur durée de vie ne pose pas de problème particulier.

Les conseils généraux de mise en œuvre

L’isolant est mis en œuvre conformément aux prescriptions de son agrément technique.

L’isolant doit être placé sur toute la surface du plancher sans oublier les éventuelles parties verticales, les trappes d’accès, etc.

Les joints entre les différents panneaux isolants et entre les panneaux isolants et les gîtes (planchers légers) doivent être bien fermés.

Pourquoi ?

Pour la même raison que ci-dessus et pour éviter les ponts thermiques, l’isolation de l’enveloppe doit être continue. La couche isolante de la toiture doit être raccordée avec les couches isolantes des autres parois du volume protégé.
Par exemple :
- L’isolant du plancher doit être en contact avec l’isolant des murs extérieurs et des éventuels murs intérieurs du grenier;
- Il doit être dans le prolongement et en contact avec le dormant du trapillon isolant des accès.
- Il doit être en contact avec l’isolant autour du conduit de cheminée.
- Les panneaux isolants ne peuvent être perforés pour la pose de conduite, etc.
- Les panneaux isolants doivent être protégés et manipulés avec précaution pour éviter les écrasements, les déchirures, l’eau, la boue.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Évaluer le rendu des couleurs

Lumière froide et lumière chaude.

Les grandeurs recommandées

Indice de rendu des couleurs (IRC ou Ra)

La norme EN 12464-1 précise l’indice de rendu des couleurs que doivent avoir les lampes en fonction du type de local et de la tâche visuelle exécutée. L’indice de rendu des couleurs dans les bureaux est, par exemple, fixé par la norme à une valeur de 80.

Données

Pour connaitre les spécifications complètes relatives à l’éclairage par type de bâtiment.

Température de couleur

La température de couleur définit l’apparence colorée d’un local. Son choix est une affaire de psychologie, d’esthétique et de ce qui est considéré comme naturel. Le choix dépendra du niveau d’éclairement (ou l’inverse), des couleurs du local et du mobilier, du climat environnant et de l’application. En climat chaud, une apparence de couleur de lumière plus froide est généralement préférée et vice versa. À ce niveau, la norme EN 12464-1 laisse le libre choix de la température de couleur.

En pratique, selon l’ambiance souhaitée, des valeurs sont néanmoins recommandées.

Contraste des couleurs

Dans certains cas, comme dans les salles de sport, il est important de pouvoir distinguer les différentes aires de jeu. Pour faciliter cette perception visuelle, un bon tracé des lignes de jeux ayant des facteurs de réflexion différents ou des couleurs bien contrastées est indispensable. Aucun éclairage, aussi bon soit-il, n’y suppléerait.

Les tracés de jeu doivent être très contrastés par rapport au sol qui est soit de couleur verte, soit d’une couleur désaturée (cas des parquets ou même des revêtements de sol brique par exemple). Ils devront donc être soit blanc ou rouge, jaune, bleu etc… (couleurs opposées au vert) et de couleur très vive (très saturée).

Comment évaluer sa situation ?

Le rendu des couleurs et la température de couleur dépend directement du type de lampe utilisé.

Généralement la température de couleur peut s’apprécier à l’œil nu.

De plus, ces grandeurs peuvent parfois être repérées sur la lampe ou dans le catalogue du fabricant.

Données

Pour connaitre les caractéristiques lumineuses des types de lampes : cliquez-ici !

Pour remédier à une situation d’inconfort :

Concevoir	Remplacer complètement les luminaires : choisir les lampes.
Améliorer	Remplacer uniquement les lampes.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir l’emplacement des luminaires dans les bureaux

Bureau individuel

Ces bureaux ont en général 5 à 7 m de profondeur et jouissent d’un éclairage naturel qui peut être abondant. Ils peuvent se passer d’éclairage artificiel durant un grand nombre d’heures.

Afin de limiter les problèmes d’éblouissement et de reflets sur les écrans d’ordinateur, il est conseillé de placer la table de travail perpendiculairement aux fenêtres. Vu que la plupart des luminaires actuels ont des angles de défilement bien contrôlés dans toutes les directions, ils pourront être placés en deux rangées perpendiculaires ou parallèles à la baie vitrée.

Comme l’apport d’éclairage naturel est généralement important, et bien que ces bureaux ne soient pas très profonds, il est intéressant de pouvoir commander les deux rangées de luminaires séparément l’une de l’autre afin de pouvoir dimmer le luminaire côté fenêtre.

Bureau de groupe

Un bureau de groupe est occupé par 5 à 10 personnes. Les places de travail peuvent être arrangées afin que les lignes de vision des personnes soient parallèles aux fenêtres et que la lumière naturelle provienne de leur gauche pour les droites et vice versa pour les gauchers. La position des places est donc souvent figée.

La distribution classique des luminaires en rangées parallèles à la fenêtre permet de tenir compte des apports de lumière naturelle (si la modulation des faux plafonds permet une telle répartition).

Une telle disposition des personnes et des luminaires peut paraître monotone mais elle a l’avantage de fournir une même qualité d’éclairement pour chacun sans nécessiter de dispositifs spéciaux contre l’éblouissement.

Bureau paysager

En général, c’est toute la largeur d’une aile d’un bâtiment qui est réservée à un bureau paysager.

Il bénéficie donc souvent d’éclairage naturel bilatéralement ou même trilatéralement. Cependant, leur profondeur et la présence de mobilier sont telles que certaines zones ne peuvent se passer d’éclairage artificiel.

Pour éviter la monotonie d’un tel espace, on peut éclairer différemment les zones de communication et les zones de travail.

Les zones de même activité seront regroupées et disposeront d’une commande d’éclairage spécifique.

Les luminaires peuvent également être gérés en groupes différents en fonction de l’apport d’éclairage naturel et d’un zonage d’activité.

Il est également important de veiller au confort psychologique en créant une zone de travail agréable et personnelle pour chaque individu en utilisant, par exemple, des luminaires d’appoint ponctuels.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir l’implantation de la zone froide [Concevoir – Cuisine collective]

Une part de l’énergie frigorifique va servir à refroidir (et donc assécher) l’air extérieur jusqu’à la température de consigne de la chambre froide.

Cette part d’énergie peut être élevée dans l’ensemble du bilan frigorifique si cet air est chaud et humide.
Ainsi, les portes des chambres froides doivent, autant que possible, être tenues à l’écart des zones chaudes et humides :

zone surtout chaude et parfois humide : la zone de cuisson,
zones surtout humide et parfois chaude : la zone de la laverie.

Si cela ne gêne pas l’utilisation, une zone-tampon ou un sas avec des portes va-et-vient peut être créé devant les portes des frigos pour disposer d’un espace qui aurait une température moyenne et une humidité relative plus basses.

Exemple.

Soit une chambre froide négative de dimensions intérieures : L = 4 m, l = 4 m, h = 3 m.
L’air intérieur a les caractéristiques suivantes : t° = -18°C, HR = 50 %.
La chambre est « sollicitée » pendant 8 h/jours. Il y a 10 interventions par heure; pendant chacune d’elle la porte est laissée ouverte pendant 10 secondes.

L’air extérieur a les caractéristiques suivantes : t° = 35°C, HR = 90 %.

Avec cette utilisation, il y a un renouvellement de 15,7 volumes par jour. L’énergie nécessaire pour refroidir et assécher l’air par les ouvertures de portes est de 40,5 kWh par jour (pendant la période d’utilisation).

Avec une meilleure implantation, l’air extérieur a les caractéristiques suivantes : t° = 22°C, HR = 50 %.

Avec cette utilisation, il y a un renouvellement de 12 volumes par jour. L’énergie nécessaire pour refroidir et assécher l’air par les ouvertures de portes est de 13,4 kWh par jour (pendant la période d’utilisation).

Soit une économie de (40,5 – 13,4) = 27,1 kWh/jour.

Avec un COP global moyen de 2,5 et un prix moyen de 0,115 € du kWh, cela représente une économie de (27,1 [kWh] / 2,5) x 0,115 [€] x 260 [jours], soit 342 € par an pour une seule chambre froide.

À cela, il faut ajouter le gain d’énergie électrique pour les dégivrages (environ 6,3 kWh).

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Objectifs et principes de la ventilation

Objectif et principe

L’activité d’une cuisine, par le fonctionnement des équipements, est source d’un certain nombre de nuisances.

Ces nuisances sont dues à plusieurs facteurs :

Le dégagement calorifique des équipements. L’asymétrie de rayonnement entre les appareils de cuisson et les parois environnantes, en est une conséquence et constitue une gêne supplémentaire.
La chaleur dégagée par les appareils est transmise à l’air. La chaleur se divise en une partie sensible et une partie latente (humidité). L’air chaud monte en entraînant avec lui humidité et graisses.
les dégagements gazeux et les odeurs qui peuvent entraîner un inconfort, voire des intoxications

L’objectif de la ventilation d’une cuisine collective est d’éliminer au mieux les agents de nuisance.

Mais attention, si la ventilation permet d’évacuer la chaleur qui se trouve dans l’air, elle ne peut cependant rien faire contre la chaleur rayonnante dégagée par les équipements.

Évaluer

Pour savoir quels sont, les critères de qualité de l’air dans une cuisine collective.

Parallèlement à l’évacuation de l’air chaud et pollué, il y a lieu d’éviter une consommation excessive de chauffage, des courants d’air désagréables et un assèchement de l’air trop important.

Le traitement de l’air comporte deux fonctions :

Capter, filtrer et extraire l’air vicié pour l’évacuer vers l’extérieur,
introduire, traiter et diffuser l’air neuf dans les différents locaux.

C’est le premier point, à savoir l’extraction au-dessus des appareils de cuisson et des lave-vaisselle au moyen d’un appareil spécifique (hotte ou plafond filtrant) qui constitue la spécificité de la ventilation des cuisines. La diffusion d’air neuf et la ventilation des locaux annexes se font, elles, avec des principes et des équipements tout à fait identiques à ceux de la ventilation en général.

Concevoir

Si vous voulez en savoir plus sur le choix de la ventilation en général.

Règles de bonne pratique

Il faut établir les pressions relatives entre les locaux de manière à respecter l’hygiène : dans les locaux qui dégagent des odeurs ou beaucoup d’humidité (local de cuisson, laverie vaisselle, local des ordures et sanitaires), l’air doit être extrait. Il en est de même de tous les locaux « à denrées sales ». Exemple : légumerie (s’il s’agit du local où les légumes sont en attente de préparation ou du local où les légumes sont nettoyés) . Dans les locaux dits « propres », de l’air neuf est introduit.
Au niveau de la ventilation, la cuisine doit être considérée comme une zone à part entière. Ce qui signifie que la ventilation de l’ensemble des locaux de la cuisine est réalisée indépendamment du reste du bâtiment. Il faut y « équilibrer » les pulsions et les extractions d’air. Néanmoins, il faut empêcher la propagation des polluants de l’ensemble des locaux-cuisines vers les autres locaux du bâtiment.

Or, en général la mitoyenneté entre les locaux de la cuisine et le reste du bâtiment se fait au niveau du restaurant.
Soit la ventilation du restaurant est traitée avec l’ensemble des autres locaux-cuisines (système avec transfert), soit le restaurant dispose d’un système indépendant de ventilation.
Dans le premier cas, l’ensemble des locaux-cuisines (restaurant compris) doit être en dépression par rapport au reste du bâtiment. Ce qui signifie que l’ensemble des débits extraits doivent être supérieurs à l’ensemble des débits introduits (ex : débits introduits = 90 % des débits extraits).
Dans le second cas, l’ensemble des locaux-cuisines (restaurant non compris) doit être en dépression (ex : débits introduits = 90 % des débits extraits) de manière à ce que les odeurs de la cuisson ne se propagent pas dans le restaurant. De plus, le restaurant doit être en légère surpression vis-à-vis de la cuisine et en dépression par rapport au reste du bâtiment. (ex. : débits introduits = 95 % des débits extraits).
La zone de cuisson et la laverie vaisselle nécessite des moyens d’extraction mécaniques spécifiques tels que hottes ou plafonds filtrants. La ventilation hygiénique peut être assurée soit par la plus petite vitesse de la hotte, soit par un système séparé.
Les bilans sont d’abord faits pour un fonctionnement à pleine charge de la cuisine. Ensuite on regarde si on peut l’adapter, au moyen de plusieurs vitesses par exemple, dans d’autres circonstances.
Trois systèmes de base sont possibles:

Le système indépendant

Chaque local possède son extraction et son introduction d’air.

Le système avec transfert

L’air est extrait dans les locaux « sales » et introduit dans les autres locaux avec grilles de transfert entre les locaux.

Le système avec transfert

Le système avec transfert et amenée ou extraction d’air complémentaire.

Ce troisième système combine les deux précédents : l’air est extrait dans les locaux « sales » et introduit dans les autres locaux avec grilles de transfert entre les locaux. Chaque local dont le débit risque, à un moment donné de la journée, de ne pas être équilibré par les débits des autres locaux de la cuisine, dispose en plus d’une amenée ou d’une extraction d’air complémentaire.

Il permet donc d’équilibrer les débits à tout moments de la journée.

Chacun de ces systèmes peut être réalisé avec un système à simple flux (extraction mécanique et pulsion naturelle) ou à double flux.

On peut combiner ces trois systèmes au niveau d’une seule cuisine : on peut avoir une partie des locaux avec transfert et d’autres locaux avec des systèmes indépendants.

Exemple.

On peut considérer l’ensemble des « petits » locaux dont la ventilation est nécessaire en permanence et y implanter un système avec transfert (ex. : local des ordures (extraction), les réserves de légumes (extraction), le local des pommes-de-terre (extraction), etc. À partir des différents débits nécessaires, on regarde s’il y a équilibre entre pulsion et extraction; dans le cas contraire, on peut pulser ou extraire le complément dans les couloirs, zones de circulation, zones de travail ouvertes, etc.

Pour les locaux utilisés temporairement (ex. : local de cuisson, restaurant, laverie, préparation froide, bureau du chef-coq, etc.), on peut leur donner des systèmes de ventilation indépendants. On peut aussi leur donner un (des) système(s) avec transfert. Dans ce cas, soit les locaux fonctionnent toujours ensemble, soit, lorsqu’un local n’est pas utilisé, une extraction ou pulsion complémentaires assure l’équilibre.

Par exemple, lorsque le restaurant peut, servir de cafétéria, et qu’il ne fonctionne donc pas en même temps que la cuisine, il vaut mieux prévoir deux systèmes indépendants.

Bref, chaque cuisine est à étudier spécifiquement. Les processus de préparation et de distribution des repas sont analysés avant de concevoir la ventilation. Celle-ci tiendra compte, de la disposition des différents locaux, des horaires et des différents débits correspondant aux locaux.

Évaluer

Pour un autre exemple (conception de la ventilation d’une cuisine d’école).

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Puissance électrique dans les cuisines collectives

Puissance électrique des appareils « gros consommateurs »

Les valeurs ci-dessous nous ont été communiquées par un fabricant.

Appareillage	Caractéristiques	Puissance électrique (kW)
Cuisson
Marmites	40 litres	10 kW
	60 litres	15 kW
	80 litres	18 kW
	100 litres	18 kW
	150 litres	25 kW
	250 litres	30 kW
	300 litres	35 kW
Sauteuses	600 x 600 mm	11 kW
	800 x 600 mm	15 kW
	900 x 600 mm	18,5 kW
Friteuses	1 bac 8 L utile	7,5 kW
	2 bacs 8 L utile	15 kW
	1 bac 16 L utile	15 kW
	1 bac 47 L utile	38 kW
Grillades	450 x 600 mm	7 kW
Fourneaux	2 taques	5 kW
	4 taques	11,5 kW
	6 taques	21,5 kW
	four sans taque	5 kW
Fourneau Taque vitrocéramique	2 taques	8 kW
	4 taques	16 kW
	4 taques + four	21 kW
Bain marie	G/N 1/1 (305 x 510 mm)	1,5 kW
Bain marie	G/N 2/2 (630 x 510 mm)	3 kW
Four mixte air chaud/vapeur	6 G/N 1/1	10 kW
	10 GN 1/1	19 kW
	20 G/N 1/1	36 kW
	20 GN 2/1	73 kW
Four à vapeur sous pression	3 GN 1/1	15 kW
Four micro-ondes	40 litres	1 kW
Salamandre	Dimensions utiles
	600 x 350 mm	4 kW
	330 x 350 mm	2 kW
Salamandre + grill	Dimensions utiles
	600 x 350 mm	8 kW
	330 x 350 mm	4 kW
Froid
Cellule de réfrigération rapide	Capacité par cycle
	10 kg	1,5 kW
	25 kg	2 kW
	60 kg	3 kW
Laverie
Machine à laver industrielle à chargement frontal	8 paniers/h (alim. EF)	2 kW
Machine à laver industrielle à chargement frontal	20 paniers/h (alim. EF)	5 kW
Machine à laver à capot	25 paniers/h (alim. EF)	5,5 kW
	50 paniers/h (alim. EF)	13 kW
	50 paniers/h (alim. EC)	10 kW
	75 paniers/h (alim. EF)	17 kW
	75 paniers/h (alim. EC)	12 kW
Machine à laver à paniers à avancement automatique	75 paniers/h (alim. EF)	35 kW
	75 paniers/h (alim. EC)	21 kW
	100 paniers/h (alim. EF)	37 kW
	100 paniers/h (alim. EC)	23 kW
	120 paniers/h (alim. EF)	48 kW
	120 paniers/h (alim. EC)	29 kW
	150 paniers/h (alim. EF)	57 kW
	150 paniers/h (alim. EC)	37 kW
	200 paniers/h (alim. EF)	70 kW
	200 paniers/h (alim. EC)	50 kW
Machine à laver à convoyeur	2 000 assiettes/h (alim. EF)	42 kW
	2 000 assiettes/h (alim. EC)	33 kW
	2 500 assiettes/h (alim. EF)	52 kW
	2 500 assiettes/h (alim. EC)	35 kW
	5 000 assiettes/h (alim. EF)	83 kW
	5 000 assiettes/h (alim. EC)	57 kW
	7 000 assiettes/h (alim. EF)	115 kW
	7 000 assiettes/h (alim. EC)	80 kW
Machine à laver les ustensiles	8 GN1/1 ou 4 GN2/1	20 kW
Machine à laver les plateaux	750 plateaux/h	15 kW
	1 200 plateaux/h	20 kW
	2 000 plateaux/h	24 kW
Machines à laver les verres	1 200 verres/h	3 kW

Facteurs de simultanéité

Les valeurs ci-dessous nous ont été communiquées par un fabricant.

Type de cuisine	Petite cuisine		Cuisine moyenne		Grande cuisine
Type de cuisine	Nombre de repas	Coefficient de simultanéité	Nombre de repas	Coefficient de simultanéité	Nombre de repas	Coefficient de simultanéité
Cuisine resto entreprise	< 150	0,8	< 500	0,7 – 0,5	> 500	0,7 – 0,5
Cuisine resto direction
Cuisine resto étudiants
Cuisine d’hôpital	< 250	0,8	< 650	0,7 – 0,5	> 650	0,7 – 0,5
Home	< 100	0,9	< 250	0,7 – 0,5	> 250	0,7 – 0,5
Cuisine de finition	< 50	0,9	< 400	0,7 – 0,5	> 400	0,7 – 0,5

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Toiture inclinée : fonctions des composants

Fonctions des composants de la toiture inclinée

Pour remplir son triple rôle – protection / confort / économie -, la toiture doit être constituée, outre la charpente, des 6 couches suivantes :

Les composants de la toiture inclinée

Fonctions principales des composants (de l’extérieur vers l’intérieur) .

1. La couverture

Arrête l’eau et l’évacue vers la gouttière.

2. La sous-toiture

Évacue vers l’extérieur l’eau infiltrée accidentellement.
Évacue l’eau qui s’est condensée sur la face interne de la couverture suite au sur-refroidissement.
Permet de renforcer la résistance thermique du toit en limitant les courants de convection.

Remarques.

Les contre-lattes écartent les lattes de la sous-toiture et ainsi empêchent l’eau de stagner sur celle-ci.

Pour être efficace, la sous-toiture doit aboutir à l’extérieur du bâtiment dans la gouttière, par exemple.

3. L’isolant thermique

Diminue le flux de chaleur qui traverse la toiture.

4. L’écran étanche à la vapeur et à l’air

Empêche les fuites d’air de l’intérieur vers l’extérieur et les infiltrations d’air extérieur.
Arrête la migration de vapeur contenue dans l’air intérieur.

Remarque : si un pare-vapeur résiste au passage de la vapeur, il résiste à fortiori au passage de l’air.

5. L’espace technique éventuel

Permet le passage des conduites sans endommager l’écran étanche à la vapeur.

6. La finition intérieure.

Constitue la peau intérieure de la paroi.
Ferme l’espace technique éventuel entre elle et l’écran pare-vapeur.
s’il n’y a pas de pare-vapeur, elle doit être étanche à l’air.

Remarque : parmi les couches citées ci-dessus, certaines peuvent être réunies en un seul composant.

Distance des différentes couches les unes par rapport aux autres :

Si l’ordre des différentes couches est toujours le même, par contre les espaces entre elles peuvent varier.

L’ordre des couches est invariable :

Couverture
Couche isolante
Pare-vapeur
Vide technique
Finition intérieure
Espaces vides dans la toiture
Espace protégé

L’espace entre elles peut varier.

Les vides, s’ils ne sont pas accessibles, ne doivent pas être ventilés.

Vérification de l’objectif de protection

La toiture doit protéger les habitants et se protéger elle-même des intempéries et des agresseurs extérieurs :

La toiture doit :	Càd. :	Composant assurant cette fonction :
Résister à son poids propre, au vent, au poids de la neige, etc.	Réaliser une structure stable fixée au gros œuvre.	CHARPENTE
Protéger les habitants des intempéries.	Respecter les pentes adaptées aux matériaux choisis.	CHARPENTE
	Stopper l’eau et l’évacuer vers l’extérieur.	COUVERTURE (+ gouttières et descentes d’eaux)
	Évacue l’eau infiltrée accidentellement vers l’extérieur.	SOUS-TOITURE
Protéger les habitants du vent.	Rendre étanche l’enveloppe à l’air extérieur.	SOUS-TOITURE
Protéger les habitants du vent.	Rendre étanche l’enveloppe à l’air extérieur.	FINITION INTÉRIEURE ( = écran étanche à l’air)
Protéger les habitants contre les insectes, oiseaux, rongeurs, etc.	Colmater les entrées possibles.	GRILLAGES
Se protéger elle-même d’un agresseur sournois : la vapeur d’eau.	Rendre étanche à la vapeur d’eau la face de la toiture en contact avec l’ambiance intérieure.	PARE-VAPEUR

		OK !

Vérification de l’objectif de confort

La toiture doit procurer aux habitants une sensation de confort thermique (combles habitables) :

La toiture doit :	Càd. :		Composant assurant cette fonction :
Protéger les habitants du froid extérieur en hiver et de l’excès de chaleur extérieure en été.	Diminuer les flux de chaleur qui traverse l’enveloppe.		ISOLANT THERMIQUE
	Maintenir la température des parois à un niveau qui évite les rayonnements inconfortables.		ISOLANT THERMIQUE
	Empêcher les fuites d’air chaud par les interstices.		FINITION INTÉRIEURE ( = écran étanche à l’air)
Empêcher les courants d’air froid extérieur.	Rendre la toiture étanche à l’air extérieur.		FINITION INTÉRIEURE ( = écran étanche à l’air)
Empêcher les courants d’air froid extérieur.	Rendre la toiture étanche à l’air extérieur.		SOUS-TOITURE
		Recherche d’un compromis !
On doit pouvoir aérer les locaux.	Renouveler l’air intérieur par de l’air frais extérieur.		VENTILATION (ex. : fenêtres de toiture)

			OK !

Vérification de l’objectif d’économie

La toiture doit favoriser les économies d’énergie :

La toiture doit :	Càd. :	Composant assurant cette fonction :
Réduire la consommation d’énergie nécessaire au maintien à bonne température de l’espace sous la toiture	Réduire le flux de chaleur qui traverse l’enveloppe.	ISOLANT THERMIQUE
	Empêcher les fuites d’air chaud par les interstices.	FINITION INTÉRIEURE ( = écran étanche à l’air)
	Limiter les pertes de chaleur par renouvellement d’air.	VENTILATION (ex. : fenêtres de toiture)

		OK !

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir le vitrage

La performance énergétique et lumineuse du vitrage

Un vaste choix de vitrages sur le marché

La technologie des vitrages est variée :

Comment sélectionner les performances adéquates pour un bâtiment donné ? C’est ce que nous allons tenter de réaliser ci-dessous.
Le premier rôle d’une baie vitrée est :

D’assurer le confort visuel et thermique des occupants.
De gérer les apports solaires en toute saison en optimisant l’énergie disponible.

De ce point de vue, les vitrages sont caractérisés par 3 facteurs :

Facteur lumineux : le coefficient de transmission lumineuse « TL »
Facteur thermique : le coefficient de transmission thermique « U »
Facteur énergétique vis-à-vis du soleil : le facteur solaire « FS »

Les interactions entre les facteurs :

A première vue, plus le facteur solaire d’un vitrage est bas, plus il est opaque au rayonnement solaire et donc moins il est transparent à la lumière. Lorsque le facteur solaire diminue, le coefficient de transmission lumineuse devrait diminuer lui aussi.

Mais en réalité,

le rayonnement solaire est composé pour moitié de lumière et pour moitié de rayonnement infrarouge,
dans le local, la lumière se transforme en chaleur,
le rayonnement infrarouge apporte, lui, seulement de la chaleur.

Aussi, avec des filtres spécifiques, on peut donc diminuer le passage du rayonnement infrarouge sans freiner le passage de la lumière. Le FS diminuera, mais le FL restera presque intact. Avec une limite : il y a un moment où on aura arrêté tout le rayonnement infrarouge et où, pour diminuer encore l’apport de chaleur, il faudra diminuer l’apport de lumière en parallèle.

Pour connaître les caractéristiques énergétiques et lumineuses des différents types de vitrages, cliquez ici !

Par contre, le fait de rendre un vitrage moins perméable au rayonnement solaire (c’est-à-dire diminuer son facteur solaire et parfois sa transmission lumineuse), n’a pas de conséquence sur la valeur de son coefficient de transmission thermique U.

> Pour connaître les caractéristiques thermiques des différents types de vitrages, cliquez ici !

Le dilemme : facteur solaire – transmission lumineuse

Les souhaits de l’utilisateur varient selon les périodes de l’année et sont contradictoires. En effet :

En hiver, il désire maximiser les gains solaires, et donc avoir une transparence maximale au rayonnement solaire (TL et FS élevés).

En été, il désire limiter au maximum les gains de chaleur (FS faible) qui sont la cause de surchauffe, tout en assurant un éclairage suffisant des locaux (TL élevé).

Le graphique ci-dessous montre les différentes combinaisons possibles des valeurs TL et FS des vitrages.

La zone supérieure grise :
Correspond aux combinaisons de TL et FS qu’il n’est pas possible d’atteindre, le facteur solaire n’étant jamais inférieur à la moitié de la transmission lumineuse.

La zone inférieure grise :
Correspond aux combinaisons qui présentent peu d’intérêt, le facteur solaire FS étant élevé (apports énergétiques importants) et transmission lumineuse TL faible (peu d’apports lumineux).

La zone centrale claire :
Correspond aux caractéristiques qu’il est théoriquement possible de réaliser, certaines zones présentant plus d’intérêt selon les périodes de l’année.

Par leur facteur solaire faible, certains vitrages empêchent, par réflexion ou absorption, la chaleur solaire de pénétrer dans le bâtiment, et conviennent donc bien pour les bâtiments où les gains solaires sont à minimiser (c’est à dire, les bâtiments fortement exposés ou les bâtiments aux gains internes importants). Ils rejettent malheureusement en même temps la lumière, entraînant une transmission lumineuse généralement très faible.

De plus, les vitrages absorbants sont teintés dans la masse. Ceux de couleur bleue claire ou verte, ont un coefficient de transmission lumineuse plus élevé que les vitrages teintés traditionnels de couleur bronze ou grise mais ont un facteur solaire moins élevé que ces derniers.

Les vitrages absorbants sont moins efficaces contre le rayonnement solaire que les verres réfléchissants, c’est pourquoi ils ne sont pratiquement plus utilisés à l’heure actuelle.

Quel coefficient de transmission lumineuse choisir ?

Plus le facteur de lumière du jour est élevé, plus le temps d’utilisation des locaux avec la lumière naturelle est élevé, limitant ainsi la consommation d’éclairage artificiel.

Les valeurs nécessaires varient d’un cas à l’autre : de nombreux facteurs interviennent tels la profondeur du local, le pourcentage de surface vitrée, l’orientation du local…. Le graphique ci-dessous illustre l’influence du coefficient de transmission lumineuse sur la consommation d’éclairage artificiel pour une façade vitrée à 50 %, en fonction de l’orientation du bâtiment.

On constate que :

Plus le coefficient de transmission lumineuse augmente, moins on consomme d’éclairage artificiel.
Les locaux situés au Nord nécessiteront toujours plus d’éclairage artificiel que respectivement l’Est, l’Ouest et le Sud.

On peut quantifier l’apport de lumière naturelle dans un local par le facteur de lumière du jour (FLJ). Exprimé en %, il exprime le rapport entre l’éclairement intérieur sur le plan de travail dans le local, et l’éclairement extérieur sur le plan horizontal, en site dégagé, par ciel couvert.

Un objectif raisonnable est d’arriver à un temps d’utilisation de l’éclairage naturel d’au moins 60 %. Ceci entraîne un facteur de lumière du jour de 2,5 (exigence de 300 lux) à 4 % (exigence de 500 lux) dans les locaux de vie, et de 1,5 % dans les circulations et sanitaires (exigence de 100 lux).

Quel facteur solaire choisir ?

Le choix du facteur solaire minimum à rechercher est fonction de chaque cas (surface vitrée, orientation, …). Il n’est donc pas possible de citer un chiffre unique. C’est une simulation thermique qui peut optimaliser ce choix.

Fixons un ordre de grandeur par un exemple.

Objectif : éviter la climatisation du local.

Dans les immeubles de bureaux, on peut estimer qu’un refroidissement devient nécessaire en été lorsque la somme des apports internes et externes atteint 60 W/m² au sol du local. Si on estime d’une manière générale les apports internes d’un bureau moyennement équipé comme suit : un ordinateur (+ 150 W/ordinateur), une personne (70 W/pers.), l’éclairage (10 W/m²) et 1 personne/13 m² au sol, les apports internes totalisent 27 W/m². Pour éviter le recours à la climatisation, il est donc nécessaire de limiter les apports solaires à 33 W/m² au sol.

Apports thermiques

Le tableau suivant représente pour une journée ensoleillée du mois de juillet, la puissance énergétique maximum due à l’ensoleillement, réellement transmise à l’ambiance d’un local de 30 m² au sol, en fonction de l’inertie du bâtiment. La fenêtre du local est équipée d’un double vitrage clair (de 6 m², soit 4 m x 1,5 m) orienté respectivement à l’est, au sud et à l’ouest.

–	Bâtiment lourd		Bâtiment moyen		Bâtiment léger
Est	245	49	267	53	351	70
Sud	198	40	210	42	252	50
Ouest	250	50	263	53	356	71
–	W/m² de vitrage	W/m² au sol	W/m² de vitrage	W/m² au sol	W/m² de vitrage	W/m² au sol

Facteur solaire recommandé

–	Bâtiment lourd	Bâtiment moyen	Bâtiment léger
Est	0.51	0.47	0.36
Sud	0.63	0.60	0.50
Ouest	0.50	0.47	0.35
–	FS	FS	FS

Facteur solaire minimum de l’ensemble vitrage + protection nécessaire
pour limiter les apports solaires à 33 W/m² au sol.

On peut donc préconiser un vitrage dont le facteur solaire est limité à 40 %, tout en atteignant une transmission lumineuse de 70 %.

Contrôle solaire … oui, mais il faut savoir que :

La réflexion ou absorption solaire au moyen de vitrage à contrôle solaire est constante et définitive. Aucune adaptation n’est possible en fonction de l’ensoleillement, contrairement aux protections solaires mobiles sous forme de stores, intérieurs ou extérieurs.

Mais, le choix du confort thermique ne doit pas se faire exagérément au détriment du confort lumineux. Sous nos latitudes, la probabilité d’ensoleillement est inférieure à 20 % en hiver (moins d’un jour sur cinq) et à 50 % en été (moins de un jour sur deux). Un vitrage très efficace contre le rayonnement solaire en été est inconciliable avec la valorisation de l’éclairage naturel en absence d’ensoleillement et des apports énergétiques gratuits en hiver. Sauf exception (locaux informatiques où il faut gérer la surchauffe et l’éblouissement), certains vitrages trop absorbants ou réfléchissants seront écartés dans nos régions à climat variable.
Conscients de ce problème, les fabricants de vitrages ont développé des nouveaux vitrages présentant une protection contre l’énergie solaire correcte (FS = 0,40) et une transmission lumineuse qui se rapproche de celle des doubles vitrages clairs (TL = 0,70).

Plus un verre absorbe ou réfléchit le rayonnement solaire, plus il a tendance à s’échauffer. Il est ainsi exposé à la casse thermique. Des précautions sont à prendre pour éviter l’échauffement de ces types de verres.

Le coefficient de transmission thermique « U »

Un simple vitrage a un coefficient U de 5,8 W/m²K. On améliore son pouvoir isolant, c’est à dire on diminue son coefficient de transmission thermique U, par les interventions suivantes :

Type d’amélioration	Type de vitrage		Coefficient U [W/m²K]
Insertion de lames d’air entre des couches de verre.	Le double vitrage	Le triple vitrage	U = 2,8	U = 1,9
Action sur les caractéristiques de la surface du verre.	Le double vitrage basse émissivité (= à haut rendement )		U = 1,6
Remplacement de l’air entre les couches de verre par un mélange gazeux plus isolant.	Le double vitrage basse émissivité avec gaz (argon, krypton, …)		U = 1,1 à 1,3

Le facteur coût intervient dans le choix du vitrage, mais un vitrage bien isolé permet de réaliser des économies d’énergie. En première approximation, le supplément de prix au m² est rentabilisé en 6 ans.

Au départ, consommation annuelle d’1 m² de simple vitrage :

= 6 W/m².K [coefficient de déperdition du vitrage] x (15 – 6) [delta de température moyenne intérieure et extérieure] x 5 800 h [nombre d’heures de chauffe] / 0,8 [rendement du système de chauffe (on évalue une consommation et non un besoin)] = 400 kWh/m² = l’équivalent de 4 seaux de fuel/m².an !

Consommation annuelle d’1 m² de double vitrage basse émissivité :

= 1,1 W/m².K x (15 – 6)

x 5 800 h / 0,8 = 72 kWh/m²

Rentabilité du remplacement d’un châssis simple vitrage ?

Économie : 328 kWh/m² = 33 litres fuel
Pour un fuel à 0,8€/l, cela revient à 26,4€/m².an
Investissement : 300 €/m²
Temps de retour : 300 € / 26,4 € /an = 11 ans…

C’est donc souvent le confort amené qui justifie le remplacement du simple vitrage.

En pratique

Le simple vitrage n’est plus utilisé. En construction neuve comme en rénovation, la réglementation impose pour les fenêtres un U_fenêtre maximum, ce qui implique l’utilisation du double vitrage basse émissivité (dénommé aussi « vitrage à haut rendement HR »).

Sans hésiter et dans tous les cas, nous recommandons le choix d’un plus faible coefficient de transmission thermique pour limiter les pertes en hiver. Cette limitation est nettement plus importante que la limitation du refroidissement du bâtiment en été, car la période d’été est plus courte et le delta T°Int-ext est nettement plus faible.

Le triple vitrage est de plus en plus utilisé (surtout pour le résidentiel). C’est un vitrage d’épaisseur et de poids importants, s’adaptant à des menuiseries spécifiques.

Interaction entre U et FS ?

Le coefficient de transmission thermique U est peu influencé par les caractéristiques d’absorption ou de réflexion d’énergie. Le facteur solaire FS et le coefficient de transmission lumineuse TL sont indépendants de U.

Les couches à basse émissivité peuvent donc être combinées avec les couches de contrôle solaire réfléchissantes. Il s’agit alors de vitrages combinant les deux effets d’isolation et de contrôle solaire avec les contraintes visuelles que cela entraîne.
Remarques.

La performance d’un simple vitrage n’est pratiquement pas améliorée par son épaisseur.

Rien ne sert d’améliorer les performances isolantes d’un vitrage si les performances du châssis ou du raccord châssis-mur ne sont pas équivalentes et compatibles avec celles du vitrage. En effet, le calcul du coefficient de transmission thermique d’une fenêtre (U_fen) tiendra compte du coefficient de transmission thermique U du vitrage (U_v), du châssis (U_ch) et des effets de bords.

Théories

Pour évaluer le coefficient de transmission thermique U d’une fenêtre, cliquez ici !

Première synthèse

	Économie énergie	Confort visuel et thermique
… plus le vitrage laisse passer de la lumière, c’est à dire plus son facteur .de transmission lumineuse TL est grand.	moins grande est la consommation d’éclairage électrique.	plus l’éclairage est naturel et le contact visuel avec l’extérieur agréable. mais par contre, plus grand sont les risques d’éblouissement si aucun dispositif de protection solaire n’est prévu.
… plus le vitrage est isolant, c’est à dire plus son coefficient de déperdition thermique U est bas.	plus les déperditions thermiques seront réduites à travers sa surface en hiver. plus le vitrage est chaud sur sa face intérieure et donc moins la température de l’air intérieur doit être élevé pour assurer le confort en hiver.	plus la surface intérieure du verre est chaude et plus les risques de condensation de surface sont réduits. plus le confort thermique dans le local est grand en hiver.
… mieux le vitrage contrôle le rayonnement solaire entrant, c’est-à-dire plus son facteur solaire est petit.	plus les frais de conditionnement d’air en été sont réduits. mais, par contre, moins les apports d’énergie gratuite en hiver sont importants.	plus les risques de surchauffe du à l’effet de serre sont diminués. moins la lumière naturelle pénètre dans le local.

Choix du vitrage en fonction des caractéristiques du bâtiment

Démarche pour le choix

Lors du choix d’un vitrage, les paramètres déterminants seront :

l’orientation du bâtiment,
l’implantation du bâtiment,
les gains internes,
la climatisation éventuelle des locaux,
le pourcentage de surface vitrée,
la taille du local et la photométrie des parois.

L’orientation du bâtiment

Si la performance thermique doit être élevée pour toutes les façades, les besoins en contrôle solaire et lumineux varient suivant l’orientation.

Idéalement, il est conseillé de changer de vitrage à chaque orientation si l’aspect financier et esthétique n’est pas un problème pour le constructeur, mais ce n’est pas souvent le cas. Aussi il est plus intéressant :

De déterminer la famille de vitrage la plus performante pour le bâtiment plutôt que le vitrage lui-même, pour avoir une certaine marge de manœuvre.

De choisir ensuite dans cette famille, le vitrage le plus polyvalent possible pour ne pas multiplier les vitrages différents.

Pour raisonner plus avant dans ce domaine, on peut avoir 2 hypothèses en tête :

Soit le bâtiment est mal isolé ou présente peu d’apports internes (hébergement au sens large) : le chauffage du bâtiment se fait tout au long de la journée et les apports solaires sont les bienvenus.

Soit le bâtiment est bien isolé ou présente des apports internes élevés (bureaux au sens large) : le chauffage du matin permet de remettre le bâtiment en température après l’arrêt de la nuit et dès l’arrivée des occupants, les apports internes suffisent pour maintenir la consigne intérieure. Tout apport solaire supplémentaire génèrera de la surchauffe.

… au Nord

Les pièces orientées au nord bénéficient toute l’année d’une lumière égale et du rayonnement solaire diffus. Par contre, ce sont celles où les gains solaires sont les plus appréciés.

… à l’Est et à l’Ouest

Les pièces orientées à l’Est profitent du soleil le matin ce qui, en hiver, permet d’apporter des gains solaires bénéfiques au chauffage en matinée, dans le secteur « hébergement ».

Une orientation Ouest aura tendance à induire davantage des surchauffes. En effet, les vitrages tournés vers l’Ouest apportent des gains solaires l’après-midi, au moment où le bâtiment est depuis longtemps en régime.

Dans les 2 cas, le rayonnement solaire est difficile à maîtriser car les rayons sont bas sur l’horizon entraînant des risques d’éblouissement élevés.

Si on veut un contrôle variant en fonction des conditions climatiques, il faut idéalement :

Utiliser des protections solaires mobiles associées à un vitrage isolant (à basse émissivité),
À l’avenir, utiliser des vitrages à propriétés variables.

À défaut, un vitrage relativement réfléchissant sera nécessaire, d’autant plus réfléchissant que le pourcentage de surface vitrée est élevé.

Mais, un vitrage trop réfléchissant va augmenter les consommations en hiver, surtout si les gains internes sont faibles… De plus, il ne parviendra jamais à empêcher entièrement l’éblouissement.

… au Sud

Une orientation sud entraîne un éclairement important. Mais, les pièces orientées au sud bénéficient d’une lumière plus facile à contrôler. En effet, en hiver, le soleil bas pénètre profondément dans le bâtiment, tandis qu’en été, la hauteur solaire est plus élevée, de sorte qu’une protection extérieure (tel un auvent fixe.). simple permet de diminuer efficacement les gains solaires en été et empêche le rayonnement direct dans les yeux de l’utilisateur.
En été, les apports solaires sur une surface verticale sont également nettement inférieurs au Sud qu’à l’Est ou à l’Ouest car ils sont diminués par un facteur égal au cosinus de l’angle d’incidence.

L’implantation : présence de masque solaire

Les choix dépendront de la présence d’un masque solaire éventuellement créé par les bâtiments voisins ou des végétations.

Puisque ceux-ci assurent une protection contre l’ensoleillement direct, ainsi on choisira des vitrages possédant un FS et FL élevé, de façon à obtenir un maximum de gains lumineux et énergétiques de types indirects.

Les gains internes

Dans un bâtiment tertiaire conforme à la réglementation thermique en matière d’isolation et disposant d’apports internes normaux pour des bureaux (> 25 W/m²), il n’y a pas intérêt à capter l’énergie solaire pour diminuer les besoins de chauffage.
Cela signifie que, entre deux vitrages, on aura tendance à choisir celui avec le facteur solaire le plus bas.

Plus les gains internes seront élevés, plus on cherchera à limiter les apports externes pour éviter les surchauffes : par un vitrage performant ou par une protection solaire adéquate.

La climatisation éventuelle des locaux

La motivation peut différer si le local est équipé d’un système de refroidissement ou non.

Lorsqu’un local tertiaire n’est pas équipé de système de refroidissement ou de ventilation nocturne, et est soumis à une forte exposition solaire, la limitation du risque de surchauffe entraînera un choix de vitrage avec contrôle solaire efficace : choix d’un vitrage à faible FS, ou protection solaire interne ou externe. Cette nécessité sera d’autant plus importante que l’inertie du bâtiment est faible. Le critère qui consiste à ne pas dépasser un apport (interne + externe) de 50 à 60 W/m² au sol est parfois utilisé.

Par contre, lorsqu’un local est équipé d’un système de refroidissement mécanique, le risque de surchauffe n’existe plus. Le choix d’un faible facteur solaire est motivé par la limitation de la consommation de la climatisation. Or, si le bâtiment est équipé d’une gestion de l’éclairage artificiel en fonction de la lumière naturelle (dimming), le gain sur l’éclairage artificiel est double (gain sur la consommation des lampes et sur la consommation de la machine frigorifique qui ne doit plus évacuer la chaleur correspondante). Dès lors, on aura tendance, dans des limites raisonnables, à privilégier un vitrage favorisant l’apport de lumière et de ce fait … plus perméable à la chaleur. Le vitrage qui présente un FS de 40 % et un TL de 70%, est un excellent point de départ. C’est par simulation informatique que l’on peut alors optimiser le pourcentage de vitrage en façade.

Le pourcentage de surface vitrée dans le local

Le critère thermique impose une limitation des surfaces vitrées dans les façades d’un bâtiment tertiaire, quelle que soit leur orientation.

Le pourcentage de vitrage à choisir est essentiellement fonction des besoins d’éclairage naturel et de convivialité recherchée dans le bâtiment. C’est donc dès la conception du bâtiment qu’on traitera les fenêtres comme capteur de lumière et de chaleur en tenant compte de l’orientation, de l’occupation et des besoins lumineux et énergétiques propres au local

Une réglementation thermique française, prescrivait une règle concernant la valeur minimale de facteur solaire à atteindre en fonction du pourcentage de surface vitrée :

Le pourcentage de surface vitrée x le facteur solaire de la baie (vitrage + ombrage) < 0,35 (*)

(*) valeur d’application dans le Nord de la France.

Il s’agit de la performance minimale à atteindre pour respecter la Réglementation. Bien sûr, un facteur solaire inférieur est préférable.

Concrètement, cela signifie que :

Pour un local dont le vitrage va du sol au plafond (pourcentage de vitrage en façade est de 100 %), un facteur solaire minimal de 35 % est exigé.
Si aucune protection solaire de type stores, mobiles ou fixes n’est prévue, ceci correspond au minimum aux performances atteintes par un vitrage contre le rayonnement infrarouge absorbant (E) de basse émissivité (6/12argon/6) dont le facteur solaire vaut 36 %.

Pour un local dont le pourcentage de vitrage en façade est de 50 %, un facteur solaire minimal de 70 % est exigé.
Si aucune protection solaire n’est prévue, ceci correspond au minimum à la performance atteinte par un vitrage dont le facteur solaire vaut 70 %.
Il est à remarquer que ces conditions sont presque atteintes par un vitrage double ordinaire dont le facteur solaire est de 75 %.

La taille du local et la photométrie des parois

Il est évident qu’en cas de locaux profonds ou aux parois sombres, on donnera la priorité à un vitrage assurant une transmission lumineuse importante. Il en va de la qualité architecturale du projet.

Plus d’infos ?

Concevoir	Pour plus d’infos concernant le choix de la fenêtre comme capteur d’énergie, cliquez ici !
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Le niveau et le type de bruit dont on doit s’isoler

Le choix du vitrage devra s’effectuer en fonction du niveau sonore maximal intérieur acceptable selon l’occupation du local (en terme de confort acoustique), du type et du niveau de bruit extérieur dont on doit s’isoler.

La capacité d’un vitrage à empêcher la transmission des sons aériens provenant de l’extérieur est évaluée par son indice d’affaiblissement acoustique pondéré appelé Rw (dB)

Quel facteur d’affaiblissement acoustique choisir ?

Le type et le niveau de bruit sont fonction de l’environnement dans lequel se trouve implanté le bâtiment.

Selon le contexte urbanistique, on peut évaluer le niveau de l’ambiance sonore théoriquement rencontré.

Généralement ce sont les sites urbains et industriels qui posent le plus de problèmes pour le facteur acoustique.

Théories

Pour avoir une évaluation du niveau de l’ambiance sonore en fonction du contexte environnemental, cliquez ici !

Ensuite, suivant le type d’activité intérieure, on définit le niveau de bruit admissible afin de préserver le confort acoustique.

Théories

Pour connaître niveau de l’ambiance sonore admissible en fonction de l’activité intérieure, cliquez ici !

Lorsque l’on dispose de ces deux valeurs, en effectuant leur différence, on détermine le taux d’affaiblissement acoustique Rw que devra fournir le vitrage contre les bruits courants.

Quel type de source de bruit : basse ou haute fréquence ?

Pour choisir un vitrage ayant des performances adaptées à la situation, il faut connaître le type de source dont on désire s’isoler. C’est-à-dire si la source est de type basse ou haute fréquence. En effet, un vitrage pour un même niveau sonore, offre des performances acoustiques différentes selon la fréquence.

C’est pourquoi il est caractérisé par son indice d’affaiblissement Rw et ses deux indices de correction (C;Ctr), précisants ses performances vis-à-vis des basses et des hautes fréquences qui peuvent s’avérer fort variables.

Le tableau suivant donne des exemples de choix d’adaptation de l’indice d’affaiblissement Rw, pour déterminer l’indicateur à valeur unique à utiliser en fonction de l’origine du bruit.

Source de bruit	Type « trafic rapide » Rw + C	Type « trafic lent » Rw + Ctr
Jeux d’enfants.	XXX
Activités domestiques (conversations, musique, radio, télévision).	XXX
Musique de discothèque.		XXX
Trafic routier rapide (>80 km/h).	XXX
Trafic routier lent (p.ex. :trafic urbain).		XXX
Trafic ferroviaire de vitesse moyenne à rapide.	XXX
Trafic ferroviaire lent.
Trafic aérien (avion à réaction) de courte distance.	XXX
Trafic aérien (avion à réaction) de longue distance.		XXX
Avions à hélices.		XXX
Entreprises produisant un bruit de moyennes ou hautes fréquences.	XXX
Entreprises produisant un bruit de moyennes ou basses fréquences.		XXX

Tableau permettant le choix du type de bruit représenté par l’indicateur à valeur unique Rw + C ou Rw + Ctr selon la norme EN ISO 717-1).

Ainsi, si on est en présence de trafic lent, par exemple, on sait que le critère de choix du vitrage portera sur la valeur de son Rw + Ctr. Celui-ci devra atteindre la valeur d’isolation acoustique définie en fonction du niveau de bruit extérieur et du confort acoustique intérieur à atteindre.

Quel type de vitrage choisir ?

L’isolation acoustique que procure un double vitrage est relativement mauvaise. Ainsi, les doubles vitrages clairs ou à basse émissivité sans amélioration acoustique sont à déconseiller en site urbain bruyant.

Les vitrages réfléchissants et absorbants classiques permettent une faible réflexion du son mais cela reste souvent insuffisant.
Les vitrages isolants et absorbants avec de l’argon peuvent s’avérer assez efficaces en cas de trafic à moyenne densité. Ils sont à proscrire en site urbain, car si la présence du gaz permet d’améliorer les performances dans les hautes fréquences (bruits de trafic rapide), les performances s’avèrent moins bonnes, même défavorables, dans les basses fréquences (bruit de trafic urbain).

Pour pallier à ces limites, on utilise les doubles vitrages dissymétriques ou si nécessaire, les doubles vitrages avec verres feuilletés acoustiques.

Afin d’obtenir leurs valeurs exactes d’affaiblissement acoustique, cliquez ici !

Conclusion

Le choix du vitrage dépend du type et du niveau de bruit dont il faut se protéger, et du confort acoustique exigé. Chacune des options adoptées permet d’améliorer les performances acoustiques des vitrages dans les différentes fréquences. Cela permet de se protéger efficacement contre les bruits de toutes sortes que peut provoquer l’environnement du bâtiment.

Ces dispositions sont bien sûr additionnables à des dispositions lumineuses ou énergétiques. En effet un film basse émissivité ou réfléchissant peut être ajouté. Il est nécessaire, en effet, de ne pas privilégier un facteur au détriment d’un autre.

Cliquez ici pour accéder à une grille récapitulative des propriétés des vitrages.

> Attention, en matière d’isolation acoustique, la performance globale est déterminée par le maillon le plus faible ! L’inétanchéité à l’air peut détruire un projet…
La règle de base est donc avant tout d’assurer une résistance maximale au passage de l’air au niveau de l’enveloppe globale (c.-à-d. raccord chassis-vitrage, ouvrant-dormant et chassis-mur, … ) et d’assurer des raccords souples entre les éléments de façon à absorber au maximum les vibrations.

Sécurité

Le choix d’un vitrage de sécurité dépend du type de risque encouru. Et celui-ci dépend à son tour du niveau où on se trouve dans le bâtiment.

Au-rez-de chaussée, dans les bureaux et/ou les commerces, les risques seront :
- risque de bris par tout type de projectiles,
- risque de destruction par balle,
- risque de blessure en cas de chute contre la glace,
- risque d’effraction, que le verre devra retarder au maximum.
Aux autres niveaux, dans les bureaux, les risques seront :
- risque de blessure en cas de chute contre la glace,
- risque de chute de personne au cas de vitrage descendant sous le niveau normal d’un garde-corps.

Quel type de vitrage choisir en fonction de la protection désirée ?

Contre l’effraction

Les vitrages feuilletés constituent un bonne protection car ils résistent aux coups et lorsqu’ils se fissurent ils restent entiers sans sortir du châssis. Leur résistance est fonction du nombre de films et de l’épaisseur des verres.
Le tableau suivant reprend la valeur indicative du nombre de films en PVB à utiliser en fonction du niveau de protection souhaité.

Type de protection	Degré de protection	Nombre de films de PVB
Protection contre le vandalisme.	Protection contre le vandalisme non organisé.	3
Retardateur d’effraction.	Protection contre l’effraction organisée.	4
	Protection de haut niveau.	6
	Très haut niveau de protection contre toutes formes d’agressions à arme blanche.	Compositions multifeuilletées

Bien sûr, il faut que le degré de sécurité accordé aux vitrages soit compatible avec le degré de sécurité accordé aux châssis, aux systèmes de ventilation, aux raccords châssis-mur, …

Remarque : Les vitrages feuilletés à résine coulée ne se prêtent pas à la protection anti-effraction, mais ils peuvent être utilisés en toiture car, en cas de bris de vitre, l’adhérence verre-résine permet aux fragments du vitrage cassé de rester en place. Ils permettent de plus d’absorber les bruits dus aux impacts de pluie. Les vitrages en toiture devront offrir une résistance mécanique plus importante à cause du poids propre du vitrage et de la surcharge provoquée par la présence de neige éventuelle.

Contre les risques de blessure

On préconisera souvent un verre trempé car il se fragmente en petits morceaux non coupants. Par contre la vitre n’offre plus aucune protection contre les chutes une fois cassée …

Le verre trempé offre de plus, une très bonne résistance aux chocs thermiques : ils peuvent résister à un différentiel de température de 200°C. Mais il faut savoir que les verres trempés ne peuvent plus être coupés, sciés ou percés après l’opération de trempe.
Il faut proscrire le verre armé car sa fragmentation ne répond pas aux exigences en la matière.

Contre les risques de chute

On utilisera exclusivement le verre feuilleté. En effet même si le verre se fissure, le film intercalaire maintient les morceaux en place évitant les blessures et la chute des occupants.

Si le verre doit résister aux chocs thermiques, il peut être trempé avant d’être feuilleté.

Contre la destruction par balle

Il s’agit d’un domaine très spécialisé. Il est, dès lors, recommandé de consulter un spécialiste.

Contre le feu

La résistance au feu concerne surtout les vitrages intérieurs qui servent à empêcher la propagation du feu.

Les verres feuilletés classiques n’offrent aucune résistance au feu. Par contre, le verre armé et le verre trempé permettent de retarder un peu la rupture et l’effondrement du verre.
Il existe des vitrages spéciaux résistants au feu. Il s’agit de verres feuilletés avec intercalaire intumescent ou avec gel aqueux.

Quelles sont les combinaisons possibles entre la sécurité et les autres performances ?

Les dispositions relatives à la sécurité sont bien sûr superposables à des dispositions lumineuses, acoustiques ou énergétiques. En effet, un film basse émissivité et/ou réfléchissant peut être ajouté au sein du double vitrage. Les verres absorbants peuvent être trempés. Il est nécessaire de ne pas privilégier un facteur au détriment d’un autre.

La présence de verre trempé ou feuilleté ne modifie pas la valeur du coefficient de transmission thermique U. Par contre, le procédé de trempe modifie quelque peu l’aspect superficiel et les propriétés de réflexion du vitrage. Le feuilletage du verre le rend plus bleuté, mais ne modifie pas ses propriétés énergétiques et lumineuses (un verre feuilleté offre un coefficient U pratiquement égal à un verre monolithique de la même épaisseur).

On remarque que les verres feuilletés de sécurité sont en général très efficaces contre le bruit. On peut estimer qu’un bon vitrage thermique feuilleté pourra assurer, à la fois, les fonctions acoustique, sécurité et thermique dans un site urbain très bruyant.

L’effet esthétique produit / ou recherché

Ce sont les vitrages à contrôle solaire qui offrent les aspects les plus variés. En effet, ces vitrages peuvent être clairs ou teintés (bronze, gris, argenté, vert, bleu…). Ils confèrent aux vitrages des propriétés de réflexion ou d’absorption lumineuses très diverses.

Les vitrages basse émissivité ont un reflet qui diffère un peu d’un double vitrage classique mais dans des proportions moindres. Les caractéristiques de sécurité par contre modifient peu l’aspect du vitrage. Les vitrages feuilletés peuvent avoir un reflet plus bleuté. Les vitrages trempés ou durcis peuvent contenir de légers dessins colorés dus à des phénomènes d’interférence appelés »fleurs de trempe ». Ils proviennent du procédé de trempe qui modifie quelque peu l’aspect superficiel et les propriétés de réflexion du vitrage.

Quel effet esthétique recherché ?

Photo de bâtiment vitré.

Aujourd’hui le verre est fort utilisé en façade, même comme matériau d’allège. On crée ainsi une continuité et un lissage parfait de la façade.

Pour ces raisons, les vitrages réfléchissants ou absorbants sont fort utilisés. Ils assurent, en plus, une intimité totale intérieure et une protection contre le rayonnement solaire.

L’effet esthétique provoqué par des verres réfléchissants ou colorés sera parfois fortement influencés par l’environnement, l’état du ciel, l’orientation de la façade, la position de l’observateur, la présence de store, la couleur des menuiseries. Il est donc important de faire des études préalables, éventuellement même à l’aide de prototypes.

Précautions

Le vitrage réfléchissant, en plus de réfléchir le paysage, réfléchit le soleil. Cela peut créer des éblouissements indésirés pour les bâtiments voisins. De plus, il diminue définitivement les apports de lumière naturelle à l’intérieur du local quelle que soit son orientation.

Ces vitrages réfléchissent la lumière provenant du milieu le plus lumineux. Dès lors, le soir, c’est l’éclairage artificiel des locaux qui sera réfléchi vers l’intérieur, la vue vers l’extérieur ne sera alors plus possible.

Les vitrages absorbants et réfléchissants ont des couleurs très variables. Leur coloration a une répercussion directe conséquente sur la perception des couleurs.

L’uniformité

Si on souhaite une uniformité de la façade, il convient de placer côte à côte le même type de vitrage sans inverser les faces. Cela concerne tant la couleur et la réflexion que le pouvoir isolant et l’épaisseur. Des épaisseurs de vitrages différentes nécessitent souvent des cadres différents.

Le coût

Le choix adéquat d’un vitrage peut fort diminuer les consommations d’énergie. Il est nécessaire avant de rejeter un vitrage à cause de son prix, d’évaluer rapidement la rentabilité de ce vitrage par rapport au coût d’investissement.

Les facteurs intervenants dans le prix d’un vitrage sont :

Sa qualité : plus il est performant plus, il est cher.
Ses dimensions : plus il est grand ou épais, plus il est cher.
La quantité commandée : plus on en commande, moins il est cher.

Pour se faire une idée, voici une estimation de prix de vitrage au m², fourniture et mise en œuvre compris.
On consultera les fabricants pour avoir des informations plus précises.

Type de verre ou vitrage	Composition en mm	Estimation en €/m²
Vitre simple claire neutre	6 mm	45	50
Vitre simple claire neutre	12 mm	110	130
Vitre simple claire réfléchissante	6 mm	95	105
Verre armé*	6 mm	35	37
Verre feuilleté*	44.2	60	85
Vitrage Rf (résistant au feu)*	1/2 heure	310	400
Vitrage Rf (résistant au feu)*	1 heure	570	620
Double vitrage ordinaire (U=2.9 W/m²K)	4-12-4 mm	48	50
Double vitrage ordinaire (U=2.9 W/m²K)	6-12-6 mm	52	57
Double vitrage isolant à basse émissivité	6-12-6 mm	65	75
Double vitrage réfléchissant clair	6-12-6 mm	145	150
Double vitrage acoustique	8-12-4 mm (38 dB)	115	120
Double vitrage acoustique	10-20-4 mm (41 dB)	125	130
Vitrage chromogène	11 mm	2 480	2 975
Triple vitrage	28 mm	80	85

(*) S’ils sont montés en double vitrage, au prix des vitrages de sécurité, il sera nécessaire d’ajouter celui d’un vitrage simple supplémentaire.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Régulation du taux d’air neuf dans les installations « tout air »

Registre sur la prise d’air neuf et régulateur du débit de gaine.

Principe

Un taux d’air neuf minimum est requis pour assurer l’air hygiénique aux occupants.
Mais ce débit d’air est coûteux, tout d’abord en chauffage et en refroidissement de l’air extérieur !

Par exemple, voici un extrait de l’analyse du coût du traitement d’air qui compare deux situations :

Un bureau de 60 m³ est alimenté en « tout air neuf ».

Cette fois, un recyclage est organisé, avec un apport d’air neuf limité aux besoins hygiéniques.

Dans ce deuxième cas, la consommation est diminuée de 45 % !

REMARQUE : sur le graphe, dans un souci pédagogique, les débits ont été exprimés en m³/h en respectant la conservation de ces débits (210 + 60 = 270 m³/h). En réalité, seuls les débits massiques sont conservés.

Il importe donc d’adapter à tout moment le débit d’air neuf adéquat. On peut parler d’une véritable gestion de l’air neuf, puisque

Le débit d’air neuf sera minimal en plein hiver et en plein été.
Le débit sera maximal lorsqu’il est préférable d’utiliser de l’air extérieur « gratuit » que de traiter l’air intérieur.
Le débit sera nul en période de relance du bâtiment (pas d’occupants).
Le débit sera maximal si l’on souhaite refroidir le bâtiment durant la nuit par de l’air frais extérieur (free cooling)

De plus, si autrefois on ne pouvait faire que du « minimal-maximal », l’apparition sur le marché de nombreux « capteurs » (détecteurs de présence, sonde de qualité d’air,…) permet aujourd’hui de moduler les registres d’air neuf en fonction du nombre de personnes effectivement présentes dans le bâtiment.

L’exemple de la gestion du débit d’air neuf dans un auditoire (analysé par le COSTIC en France) est parlant à ce sujet.

Quand on sait qu’un bureau d’études dimensionne une installation sur plan, sur base d’un nombre présumé de personnes présentes, on comprend qu’un réajustement peut avoir lieu…

Mais le débit d’air est aussi coûteux en énergie électrique de ventilateurs. Le développement du variateur de vitesse ouvre maintenant de nouvelles perspectives pour adapter les régulations de manière à ce que la vitesse des ventilateurs et donc leur consommation soit toujours minimale en fonction des besoins d’air.

Cas 1 : régulation du débit d’air par action sur le recyclage

Un premier mode de régulation consiste à agir sur la quantité d’air recyclée de manière à ajuster le taux d’air neuf aux justes besoins hygiénique et thermique. Dans ce cas on optimalise la consommation de chaleur et de refroidissement, malheureusement, tout en gardant une consommation électrique de ventilateurs constante.

Généralement, la modulation du volet d’air neuf en fonction des besoins réels du local se fait via une sonde de qualité d’air placée dans le conduit d’air extrait. Le groupe d’extraction ne doit concerner qu’une seule salle ou qu’un ensemble de locaux homogènes dans leur utilisation.

Exemple.

Le taux d’air neuf de la salle du restaurant d’entreprise (occupation très variable) est modulé en fonction d’une sonde COV placée dans la gaine d’air extrait.

Mais parfois, il est plus judicieux de placer une sonde de qualité d’air dans le local même :

Exemples.

> Si la ventilation de salle du restaurant est assurée par une pulsion en salle et une extraction en cuisine, une sonde placée en salle sera plus significative des besoins hygiéniques de la salle.

> De même, la ventilation d’une salle de sports par extraction dans les vestiaires sera mieux régulée par une sonde COV dans la salle plutôt que par une sonde dans la gaine d’extraction (… sonde influencée par les odeurs de baskets !).

Quelle régulation ?

Le principe est simple : définir la loi de correspondance entre la mesure de la sonde et l’ouverture du volet d’air.

Par exemple, pour une sonde CO₂, le volet d’air neuf est fermé pour une teneur inférieure à 900 ppm de CO₂, et totalement ouvert au-delà de 1 400 ppm (soit une bande proportionnelle de 500 ppm).

Mais en pratique, d’autres critères peuvent apparaître

On peut vouloir réaliser du free cooling (rafraîchissement nocturne du bâtiment grâce à la température de l’air extérieur plus fraîche que celle de l’air intérieur).
Également, une valeur minimale du débit d’air neuf est souvent demandée.

Elaborons par étapes la régulation qui permet d’atteindre ces différents objectifs :

Étape 1

Le régulateur de température R₁ définit la demande thermique du local par comparaison entre température ambiante et consigne, et en tenant compte d’une température limite basse de soufflage en sortie de gaine. Suivant le cas, il actionne l’ouverture des voies trois voies de la batterie de chauffe et de la batterie froide. Une zone neutre est ménagée autour de la consigne (de 2 à 3°C). Pour la clarté du schéma, la régulation en fonction de l’humidité, la protection anti-gel,.. n’ont pas été indiquée ici.

Étape 2

Le régulateur de ventilation R₂ commande l’ouverture des volets d’air neuf, suite à l’évolution de la température dans le local. Le débit sera minimum en hiver. En mi-saison, après la demande de chauffage du matin, ce sont les apports gratuits qui font monter la température intérieure. Pour répondre à ces besoins c’est d’abord l’air neuf extérieur qui est pulsé. Puis, la charge devenant trop élevée, l’air neuf est ramené en valeur minimale et l’installation de froid prend le relais.

Étape 3

La fermeture des registres, lors de la montée en température dans le local, ne doit se faire que lorsque la température extérieure est supérieure à la température intérieure. C’est dans ce but qu’une comparaison est faite entre température d’air repris et température extérieure et que l’information est répercutée vers le régulateur de ventilation afin qu’il déplace le point de fermeture des registres vers le débit minimal. Mieux : ce sont les deux niveaux d’enthalpie qui seront comparés.

L’ouverture en tout air neuf la nuit (free cooling) est alors également possible via cette régulation. Attention, si l’installation est totalement arrêtée la nuit, la sonde de température extérieure doit être située à l’extérieur et non dans la gaine de prise d’air neuf (arrêt de la circulation d’air, donc sonde non fidèle de la température extérieure).

Étape 4

L’information de la sonde de qualité de l’air influence encore le servomoteur du clapet d’air neuf :

La position « minimale » est affinée en fonction du nombre de personnes effectivement présentes, ce qu’atteste la sonde de qualité d’air (CO₂, COV, humidité,…).
En zone neutre, on choisit la demande d’ouverture maximale entre celle provenant de la sonde de qualité d’air et celle du régulateur de température.

Particularité d’une installation à débit d’air variable

Dans une installation VAV, la position du volet d’air neuf se pose de façon particulière

Il est difficile de prévoir une sonde de qualité d’air dans chaque zone. Aussi, le débit d’air neuf minimal sera fixé pour tout le bâtiment. Éventuellement, si le bâtiment est d’utilisation homogène, une sonde de qualité de l’air peut être insérée dans la reprise d’air globale.
Le débit total pulsé est fonction de la charge : c’est le principe même du VAV.
Dès lors, le rapport débit d’air neuf/débit total fluctue en permanence !

Exemple.

Supposons un débit d’air neuf minimal de 2 000 m^³/h.
Supposons en plein été, un débit total pulsé de 10 000 m^³/h. On en déduit un besoin d’ouverture du clapet d’air neuf de 20 %.
Plaçons-nous maintenant en mi-saison, l’installation est en zone neutre, aucune charge ne doit être apportée pour refroidir les locaux : le débit total pulsé est de 2 000 m^³/h. Il faut à présent que le clapet d’air neuf soit ouvert à 100 % !

Le schéma de régulation doit donc adapter en permanence la position du servomoteur.

Une sonde de vitesse d’air est placée dans la prise d’air neuf. Elle informe le régulateur de ventilation qui intégrera cette donnée dans l’estimation de la position minimale du servomoteur. Mais la demande du régulateur de température peut être encore plus importante si on est en zone neutre. En pratique, il choisira donc la valeur maximale entre les demandes « hygiénique » et « thermique ».

Cas 2 : régulation du débit d’air par action combinée sur la vitesse du ventilateur et sur le recyclage

Transporter de l’énergie thermique via un réseau de ventilation coûte cher en consommation de ventilateurs. Dès lors, on peut se poser la question de la nécessité de maintenir en permanence le débit maximum quels que soient les besoins en air neuf, en chauffage ou en refroidissement. Le développement des variateurs de vitesse dans les groupes de traitement d’air permet d’envisager de nouveaux algorithmes de régulation encore plus économiseur d’énergie.

Un exemple est repris ici mis en œuvre dans un bâtiment existant (source : Bureau d’études MATRIciel sa, 2010). D’autres peuvent être envisagés, chacun guidé par la question « comment minimiser la vitesse des ventilateurs et ensuite le recours à la production de froid en fonction des besoins ? »

Descriptif de l’installation

L’installation assure le chauffage, le refroidissement et la ventilation de bureaux. Le chauffage principal est assuré par des convecteurs statiques, la ventilation et le refroidissement par un groupe de ventilation avec roue hygroscopique de récupération, boite de mélange, batteries chaude et froide, humidificateur vapeur et ventilateur à vitesse variable.

Principe de régulation

Objectif : minimiser d’abord la consommation électrique des ventilateurs en favorisant un fonctionnement à basse vitesse et ensuite le recours aux batteries chaudes et froides, tout en garantissant un débit d’air neuf hygiénique et une température de pulsion minimaux.

En hiver (Text < Tnon chauffage) :

En journée, le chauffage est assuré par les convecteurs avec une température d’eau réglée par courbe de chauffe au niveau des chaudières et une régulation locale par vannes thermostatiques.

Le groupe de ventilation travaille en tout air neuf. La vitesse du ventilateur est minimale et correspond au besoin hygiénique. L’air de pulsion est à température neutre, réglée au moyen de la batterie chaude. La récupération de chaleur sur l’air extrait est maximale.

L’humidification est commandée par une consigne d’humidité relative mesurée dans la reprise commune.

La nuit et le week-end, l’ensemble des installations est mis à l’arrêt avec contrôle d’une température ambiante minimale.

La relance matinale est optimisée et s’effectue obligatoirement sans air neuf.

En mi-saison (Text < Tnon chauffage et < Tintérieure) :

Les circuits convecteurs et batterie chaude sont mis à l’arrêt.

En journée, le refroidissement éventuel est assuré par le groupe de ventilation. La température de pulsion de l’air est régulée grâce à une cascade entre la modulation de la roue de récupération, la batterie froide et enfin la vitesse du ventilateur. Le taux d’air neuf du groupe reste maximal.

La nuit, les installations sont à l’arrêt.

En plein été (Textérieure > Tintérieure) :

Les circuits convecteurs et batteries chaudes sont mis à l’arrêt.

En journée, le refroidissement est assuré par le groupe de ventilation. La température de pulsion de l’air est régulée grâce à une cascade entre la batterie froide et ensuite la vitesse du ventilateur. La récupération de chaleur reste maximale et le taux d’air neuf du groupe est adapté en fonction de la vitesse du ventilateur pour que le débit global corresponde au besoin hygiénique.

La nuit, si les conditions extérieures le permettent, le groupe de ventilation est activé, à vitesse maximale, sans traitement d’air ni récupération de chaleur.

Algorithme de régulation associé

Légende :

Text = température extérieure
Text_cons_NC = température extérieure de non chauffage (arrêt du besoin de chauffage du bâtiment) – Paramétrable (par défaut : 15°C)
Text_cons_FC = température extérieure de libération de la ventilation intensive de free cooling – Paramétrable (par défaut : 16°C)
ONOFF_FC = libération manuelle de la ventilation intensive de free cooling – Paramétrable (par défaut : OFF)
%AN = taux d’air neuf de la boite de mélange (0% = sans air neuf, 100% = tout air neuf)
%ANmin = taux d’air neuf minimale de la boite de mélange permettant un débit hygiénique voulu lorsque Hzvent = 50 Hz – Paramétrable (par défaut : 30%)
Hzvent = fréquence d’alimentation des ventilateurs de pulsion et d’extraction (liés)
Hzvent_min = fréquence d’alimentation minimale des ventilateurs de pulsion et d’extraction (liés) correspondant au débit de ventilation hygiénique théorique – Paramétrable (par défaut : 15 Hz)
Tpuls_dalle = température de pulsion de l’air dans les bureaux et la cafétéria, mesurée à la sortie des dalles actives
Tpuls_dalle_min_hiver = consigne de température de pulsion minimale de l’air dans les bureaux et la cafétéria en hiver, à la sortie des dalles actives – Paramétrable (par défaut : 16°C)
Tpuls_dalle_min_été = consigne de température de pulsion minimale de l’air dans les bureaux et la cafétéria en été à la sortie des dalles actives – Paramétrable (par défaut : 16°C)
Tpuls_GP = température de pulsion mesurée à la sortie du GP
Treprise = température de l’air mesurée dans la reprise commune vers le GE
Treprise_cons_été = consigne de température de reprise en été – Paramétrable (par défaut : 25°C) (Toujours : Treprise_cons_été > Tamb_cons_jour + 2°C)
%HR reprise = humidité relative mesurée dans la reprise
%HR reprise_cons = consigne d’humidité relative mesurée dans la reprise – Paramétrable (par défaut : 40%)
Vroue = vitesse de la roue de récupération de chaleur sur l’air extrait (de 0% = sans récupération, 100% = récupération maximale)
Tamb_moy = température ambiante (moyenne des 4 sondes ambiantes)
Tamb_min = température ambiante minimale (minimum des 4 sondes ambiantes)
Tamb_max = température ambiante maximale (maximum des 4 sondes ambiantes)
Tamb_cons_jour = température de consigne ambiante de jour – Paramétrable
Tamb_cons_max_FC = température de consigne maximale de gestion de la ventilation intensive – Paramétrable (par défaut : 23°C)
Tamb_cons_min_FC = température de consigne minimale de gestion de la ventilation intensive – Paramétrable (par défaut : 20°C)
Tamb_cons_nuit = température de consigne ambiante de nuit et de week-end – Paramétrable (par défaut : 15°C)
DTamb_ext = écart de température entre intérieur et extérieur commandant l’enclenchement du free cooling – Paramétrable (par défaut : 6°C)
Teau_chaudière = température de départ des chaudières
Teau_chaudière_cons _max = consigne de température de départ des chaudières en phase de relance – Paramétrable (par défaut : 70°C)

En hiver

Condition générale : Text < Text_cons_NC

Permanent

Enclenchement chaudière
Modulation de la température d’eau de départ en fonction de la température extérieure (courbe de chauffe)
Arrêt groupe de froid
Arrêt circuit batterie froide

En horaire d’occupation

Enclenchement GP/GE
Libération circuits convecteurs et batterie chaude
Hzvent = Hzvent_min
%AN = 100%
Vroue = 100%

Si Tpuls_dalle < Tpuls_dalle_min_hiver : action sur la vanne 3 voies de la batterie chaude du GP
Si %HRreprise < %HR reprise_cons : action sur humidificateur vapeur

En horaire d’inoccupation (nuits et week-ends)

Arrêt GP/GE
Fermeture vanne batterie chaude, arrêt circulateur (avec protection hors gel)
Si Tamb_moy > Tamb_cons_nuit : fermeture vannes circuits convecteurs
Si Tamb_moy < Tamb_cons_nuit ou action sur bouton poussoir de dérogation (2h) : ouverture vannes circuits convecteurs

En période de relance (inoccupation)

Relance sur optimiseur :

Arrêt GP/GE
Fermeture vanne batterie chaude, arrêt circulateur (avec protection hors gel)
Ouverture vannes circuits convecteurs
Si Tamb_moy < Tamb_cons_jour : Teau_chaudière = Teau_chaudière_cons _max

En mi-saison

Condition générale : Text > Text_cons_NC et Text < Treprise + 1°C

Permanent

Libération groupe de froid
ONOFF_FC = ON
Arrêt chaudière
Arrêt circuit convecteurs
Arrêt circuit batterie chaude
Arrêt humidification

En horaire d’occupation

Enclenchement GP/GE
Hzvent = Hzvent_min
%AN = 100%
Vroue = 100%

Si Treprise > (Treprise_cons_été – 2°C) :
- 1. Modulation de la récupération de chaleur avec limite (Vroue = 0% et Tpuls_dalle = Tpuls_dalle_min_été)
Si Treprise > Treprise_cons_été : cascade avec (chronologiquement) :
- 2. Action sur la batterie froide du GP avec limite Tpuls_dalle = Tpuls_dalle_min_été ;
- 3. Modulation de la vitesse du ventilateur Hzvent combinée au maintien de %AN = 100%

En horaire d’inoccupation (nuits et week-ends)

Arrêt groupe de froid
Arrêt batterie froide
Arrêt GP/GE

Si Text > Text_cons_FC
et Tamb_max > Tamb_cons_max_FC
et Text < Tamb_max – DTamb_ext :
enclenchement du free cooling : enclenchement GP/GE à vitesse max (Hzvent = 50 Hz),
en tout air neuf (%AN = 100%) et sans récupération de chaleur (Vroue = 0%)
Si Tamb_moy < Tamb_cons_min_FC
ou Text > Tamb_max – DTamb_ext
ou Tpuls_dalle < Tpuls_GP (1) :
déclenchement GP/GE
Si le déclenchement est le résultat de la condition (1), une temporisation de 1h est appliquée avant un nouveau test des conditions d’enclenchement.

En période de relance (inoccupation)

Sans objet.

En été

Condition générale : Text > Text_cons_NC et Text > Treprise + 1°C

Permanent

Libération groupe de froid
ONOFF_FC = ON
Arrêt chaudière
Arrêt circuit convecteurs
Arrêt circuit batterie chaude
Arrêt humidification

En horaire d’occupation

- Enclenchement GP/GE
- Hzvent = Hzvent_min
- %AN = 100%
- Vroue = 100%

- Si Treprise > Treprise_cons_été : cascade avec (chronologiquement) :
- 1. action sur la batterie froide du GP avec limite Tpuls_dalle = Tpuls_dalle_min_été ;
- 2. modulation de la vitesse du ventilateur Hzvent combinée à une modulation du taux d’air neuf suivant une régression [(Hzvent = Hzvent_min,%AN = 100%) ; (Hzvent =50 Hz, %AN = %ANmin)]

En horaire d’inoccupation (nuits et week-ends)

Arrêt groupe de froid
Arrêt batterie froide
Arrêt GP/GE

Si Text > Text_cons_FC
et Tamb_max > Tamb_cons_max_FC
et Text < Tamb_max – DTamb_ext
enclenchement du free cooling : enclenchement GP/GE à vitesse max (Hzvent = 50 Hz), en tout air neuf (%AN = 100%) et sans récupération de chaleur (Vroue = 0%)
Si Tamb_moy < Tamb_cons_min_FC
ou Text > Tamb_max – DTamb_ext
ou Tpuls_dalle < Tpuls_GP (1) :
déclenchement GP/GE.
Si le déclenchement est le résultat de la condition (1), une temporisation de 1h est appliquée avant un nouveau test des conditions d’enclenchement.

En période de relance (inoccupation)

Sans objet

Impact énergétique

L’impact énergétique de cet algorithme de régulation par rapport à une régulation traditionnelle du recyclage a été évalué par simulation thermique dynamique au moyen du logiciel TRNsys 17 : la consommation électrique des ventilateurs est réduite de 70% et la consommation en énergie primaire de l’ensemble de l’installation est réduite de 50% par rapport à une régulation traditionnelle du taux d’air neuf par action sur les volets de mélange.

Avec régulation à vitesse variable des ventilateurs

Consommations annuelles				Consommations annuelles en énergie primaire
chaud	froid	humidification	ventilateur	chaud et humidification	froid	ventilateur	somme
kWhgaz/m²/an	kWhélectricité/m²/an			kWhprimaire/m²/an			kWhp/m²/an
22,5	0.5	1.0	8.0	25.0	1.1	20.0	46.1
22,5	9.5			25.0	1.1	20.0	46.1

Avec régulation simple des volets de mélange

Consommations annuelles				Consommations annuelles en énergie primaire
chaud	froid	humidification	ventilateur	chaud et humidification	froid	ventilateur	somme
kWhgaz/m²/an	kWhélectricité/m²/an			kWhprimaire/m²/an			kWhp/m²/an
22,5	0.5	1.0	26.6	25.0	1.1	66.5	92.6
22,5	28.1			25.0	1.1	66.5	92.6

Cas 3 : régulation du débit d’air neuf dans une installation « tout air neuf »

Certaines contraintes peuvent amener des auteurs de projet à mettre en place un free cooling mécanique pour rafraîchir le bâtiment en été.

Dans ce cas, le réseau de ventilation hygiénique est surdimensionné pour assurer un débit de refroidissement suffisant. Une gestion est donc nécessaire pour adapter le débit en fonction de la saison : un débit minimum hygiénique en hiver et un débit augmentant en été en fonction des températures intérieure et extérieure.

Comme dans une installation VAV traditionnelle, la gestion individuelle de l’ambiance peut se gérer par action sur des clapets modulants, le ventilateur modulant sa vitesse de manière à maintenir une pression constante dans le réseau. La consommation du groupe de ventilation est alors plus ou moins proportionnelle au débit pulsé.

L’étrangeté de ce mode de régulation apparaît par exemple en hiver. Dans ce cas il y a de fortes chances que l’ensemble des clapets de zone soit fermé en position minimale, générant une perte de charge que le ventilateur doit vaincre pour assurer le débit hygiénique. L’idéal énergétique voudrait plutôt que, pour le même débit pulsé, tous les clapets soient ouverts en grand et que le ventilateur réduise encore plus sa vitesse. Cela paraît simple lorsque toutes les zones du bâtiment demandent le débit minimal, mais cela se complique si, en été, les demandes de débit varient entre les zones. Dans ce cas, il convient de trouver un moyen de régulation qui permet au ventilateur de travailler toujours non seulement à son débit minimal, mais aussi à sa pression minimale. Ce sera le cas si la gestion de l’ensemble du système « clapets modulants – ventilateur » fait en sorte que quel que soit le besoin, au moins un clapet dans l’installation est en position totalement ouverte.

Un tel mode de régulation existe de façon intégrée chez certains fabricants de systèmes de ventilation. Il peut également être composé au départ de composants indépendants.

Descriptif de l’installation

L’installation est alors composée de :

Clapets modulants (ou boites VAV) sur la pulsion et l’extraction de chaque zone. Ces clapets ont la caractéristique de permettre une lecture digitale du débit et de la pression.
Groupe de ventilation à vitesse variable, avec batteries chaude et froide et roue de récupération
Régulateur digital

Principe de régulation

Régulation estivale

La température de consigne d’été sera contrôlée par action en cascade sur :

La température de pulsion : si la température de reprise du groupe dépasse la température de consigne d’été, une commande en cascade modulera la vitesse de la roue de récupération puis l’enclenchement de la batterie froide de manière à adapter la température de pulsion jusqu’à une température de pulsion minimale de confort. La température de pulsion est sera également limitée si la température d’une des zones descend en dessous d’une valeur minimale de confort paramétrable.
Puis l’ouverture des clapets de zone : si la température de pulsion minimale est atteinte, les clapets de zone s’ouvriront, entraînant l’augmentation de la vitesse des ventilateurs du groupe. Les clapets sont alors commandés par une mesure de température locale : la vitesse des ventilateurs et leur hauteur manométrique seront réglées en fonction de la position des clapets de zone. Le système de régulation connaît le débit de chaque registre et optimise la vitesse de la centrale de traitement d’air de manière à ce qu’au moins un registre soit totalement ouvert (les ventilateurs adaptent leur vitesse jusqu’à ce qu’un des débits locaux devienne inférieur à sa consigne).

Régulation hivernale

Durant la saison de chauffe, la centrale de traitement d’air est réglée à une valeur correspondant au débit d’air hygiénique minimal. Ici aussi, les clapets de zones sont automatiquement réglés afin qu’au moins un registre soit totalement ouvert de manière à optimaliser la pression du réseau.

La roue de récupération fonctionne à sa vitesse maximale et la température de pulsion est maintenue à une valeur de consigne.

Algorithme de régulation associé (extrait)

La température de consigne de pulsion de l’air dépend de la température extérieure. Par exemple : si Text < ou = 0°C, Tpuls = 19 °C ; si Text > 18 °C, Tpuls = 16 °C, modulation linéaire entre ces 2 points.

Pour chaque zone (chaque clapet modulant), une courbe définit un débit d’air de consigne en fonction de la T° ambiante, avec une plage morte entre le débit minimal en mode chauffage (T ambiante = 21 °C) et l’augmentation du débit en mode refroidissement naturel (Tambiante > 24 °C).

Les signaux 0-10 V d’entrée et sortie des boîtes VAV sont convertis en débit d’air (m³/h) en fonction du débit maximum voulu. Un signal de 30 % (3 V) correspond ainsi au débit de ventilation hygiénique, un signal de 100 % (10 V) au débit maximal de free cooling. Un signal de 0 % (0 V) correspond alors à la mise à l’arrêt du système (par exemple, fermeture complète des boîtes suivant un horaire programmé).

Le signal de sortie 0-10 V d’une boîte VAV est envoyé à la GTC. Il permet de lire le débit réel de la boîte.

L’écart entre la consigne de débit et le débit mesuré est calculé pour chaque boîte VAV (en pulsion et en extraction). La valeur minimale de cet écart pour les différentes boîtes est envoyée à un régulateur PID qui module la vitesse du groupe de pulsion pour la maintenir à une valeur de consigne (par exemple « -50 m³/h »). Cela signifie qu’au minimum une boîte est en demande permanente et donc se retrouve en position complètement ouverte et le ventilateur fonctionne toujours à sa vitesse minimale.

Composants associés

Les registres équipés de moto-réducteurs et les vannes modulantes sont reliés au régulateur. Actuellement, la plupart des projets incluent une communication électronique, voire informatique, via bus de communication au dépend des conceptions pneumatiques qui ont eu leurs heures de gloire, mais beaucoup trop coûteuses au niveau investissement et exploitation.

Le contrôle de la température pose moins de problèmes qu’auparavant. Les sondes de température sont devenues fiables et permettent, associées à des automates, de réguler de manière optimum la température de l’ambiance.

Enfin, les régulateurs sont des automates programmables reliés entre eux et, éventuellement, à un superviseur (GTC) par un bus de communication. À l’heure actuelle, il est rare de voir des conceptions où les sorties des régulateurs sont pneumatiques. En effet, les coûts d’investissement (centrale de production d’air comprimé), d’exploitation (système de régulation à fuite contrôlée) sont importants et la précision ne vaut pas celle d’une installation électronique.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Améliorer l’efficacité du trafic

Sensibilisation des utilisateurs

Dysfonctionnements

Indépendamment des problèmes de saturation du trafic, suite :

à un réglage déficient du temps d’ouverture et de fermeture des portes palières et d’ascenseur, de la vitesse de course de la cabine, du temps de freinage, ….
à un manque de capacité des cabines dû à l’augmentation de la fréquentation de l’immeuble,
…

les ascenseurs peuvent voir leur capacité utile se réduire de manière probante rien que par l’utilisation inadéquate des utilisateurs.
Il faut dire que les ascenseurs d’une institution sont régulièrement pris comme boucs émissaires, sur lesquels les utilisateurs font passer leur mauvaise humeur !
C’est aussi un des sujets préférés des occupants car :

Un ascenseur, par principe ça ne marche jamais !

En effet :

le temps d’attente est toujours trop long,
les ascenseurs sont des machins compliqués,
la cabine descend alors que je veux monter,
comment savoir à quel étage aller,
pourquoi l’ascenseur me passe-t-il sous le nez sans s’arrêter à mon étage,
etc …

D’autre part, certains utilisateurs appréhendent leur rencontre avec un ascenseur. Il y a l’angoisse :

de l’espace clos,
que l’ascenseur ne s’écrase,
de rester coincer tout un WE dans la cabine,
etc …

Bref, toutes sortes de bonnes ou de mauvaises raisons pour ne pas prendre la peine de comprendre le fonctionnement d’un ascenseur.
Les principaux dysfonctionnements qui perturbent la gestion du trafic des ascenseurs sont :

Au niveau des boîtes à bouton palières, la commande simultanée vers le haut et le bas pour monter par exemple. Cette réaction est souvent observée. A priori, les utilisateurs pensent que l’ascenseur va arriver plus rapidement. Dans le cas d’une batterie d’ascenseurs (duplex, triplette, …), au lieu de commander un seul ascenseur, deux réservations sont effectuées et conduisent, dans la plupart des cas, à l’arrivée de deux ascenseurs au même palier. L’utilisateur ayant poussé sur les deux boutons s’étonne de l’arrivée de deux ascenseurs et les occupants d’un des deux ascenseurs s’arrêtant pour rien sont mécontents…

Suite à la commande d’un trajet d’ascenseur pour monter d’un ou de deux niveaux par exemple, l’attente paraît toujours trop longue aux utilisateurs. Il en résulte, qu’après un certain temps, l’utilisateur dépité décide de prendre l’escalier. Quelques instants après, les portes de la cabine s’ouvrent, … vide dans la plupart des cas. Concrètement, cette course pour rien représente une consommation et un démarrage inutile.

Certains utilisateurs appréhendent de se trouver serrés dans une boîte à sardine. Il s’ensuit que le taux de remplissage de la cabine chute aux heures de pointe et, naturellement, le nombre de démarrages augmente.
…
La liste des « trucs » est longue pour arriver à gagner quelques malheureuses secondes. A vous d’identifier les dysfonctionnements qui perturbent le trafic des ascenseurs de votre établissement.

Sensibilisation

L’optimisation du trafic des ascenseurs passe nécessairement par une campagne récurrente de sensibilisation sous forme :

de mise au courant des utilisateurs « réguliers »,
d’affiches si possible humoristiques.

Par exemple, on pourrait simplement indiquer un petit écriteau indiquant :

pour monter à côté du bouton « flèche vers le haut »,
pour descendre à côté du bouton « flèche vers le bas ».

Moderniser la gestion de trafic

L’amélioration de la gestion du trafic réduit le nombre de démarrages; la consommation énergétique suit la même tendance et le profil de la pointe quart-horaire s’améliore.

Modernisation vers la manœuvre collective complète

La manœuvre à blocage et même la manœuvre collective de descente sont, à l’heure actuelle, complètement dépassées dans les installations où le trafic est important. Si l’installation d’ascenseur est dotée de telles gestions, son remplacement par, au minimum, une gestion à manœuvre collective complète est nécessaire.

Techniques

Pour en savoir plus sur les types de gestion du trafic.

Au niveau confort et énergie, on réduit de l’ordre de 50 % respectivement le temps d’une course complète (Round trip time) et l’énergie électrique consommée.
Les deux graphes suivants montrent l’amélioration en temps suite à l’amélioration de la gestion du trafic d’un ascenseur desservant 6 étages :

Amélioration de la manœuvre pour une prise en charge de deux groupes de personnes montant du RdC et du 4^ème vers le 6^ème et de deux autres groupes descendant du 6ème et du second vers le RdC.

Les deux graphes suivants montrent l’amélioration énergétique suite à l’amélioration de la gestion du trafic :

Amélioration de la consommation pour une prise en charge de deux groupes de personnes montant du RdC et du 4^ème vers le 6^ème et de deux autres groupes descendant du 6ème et du second vers le RdC.

Modernisation vers la manœuvre à destination

Schéma ascenseur gestion classique collective

Gestion classique collective.

Schéma ascenseur gestion a destination

Gestion à destination.

De nouveaux types de manœuvres révolutionnent la gestion du trafic dans le sens où le principe de commande et de gestion part d’une autre « philosophie ».
La manœuvre collective complète se base sur :

Une optimisation du trafic par rapport à une proximité d’appel et une direction donnée (montée ou descente).
Un appel à la montée ou à la descente à l’extérieur de la cabine d’ascenseur (commande palière). La gestion sélectionne l’ascenseur le plus proche ou celui ayant honoré toutes ses destinations (capacité de repartir dans une autre direction).
Une sélection de l’étage à l’intérieur de la cabine.

La manœuvre à destination se base, elle, sur :

Une optimisation du trafic par rapport au regroupement d’un maximum d’utilisateurs ayant la même destination dans le même ascenseur. En d’autres termes, la gestion trouve la meilleure adéquation pour amener un maximum d’utilisateurs à destination en un minimum de temps (le moins possible d’arrêts).
La commande palière à la montée ou à la descente est remplacée par une commande palière de l’étage de destination. Un clavier à minimum 10 touches est placé au niveau du palier ou au-delà.
Sur base de cet appel d’étage, la gestion sélectionne l’ascenseur dans le but de constituer un groupe le plus large possible.
La commande d’étage à l’intérieur de la cabine est remplacée par un afficheur de destination.

Techniques

Pour en savoir plus sur les types de gestion du trafic.

Le passage d’une gestion à manœuvre collective complète à une gestion à manœuvre de destination permet théoriquement d’optimiser le trafic. Néanmoins, là où « le bât blesse », c’est que ce type de gestion est très sensible à la motivation des utilisateurs; en effet, la gestion à manœuvre de destination nécessite de leur part une discipline qui ne fait pas en général partie de notre bonne mentalité belge.
Pourquoi ? Pour la simple raison qu’un utilisateur mal intentionné peut perturber le système :

En poussant, par exemple, 10 fois sur le même bouton d’étage, la gestion enregistre une commande pour grouper dix personnes se rendant au même étage; une fausse aubaine pour la gestion. Une fois le « truc » trouvé le système sature directement.
Un utilisateur opportuniste peut très bien, lorsqu’ une cabine se présente en même temps que lui à un étage, entrer dans la cabine sans pousser préalablement sur le clavier de commande de destination et « gonfler » artificiellement le groupe constitué dans la cabine. Il s’ensuit qu’une personne risque, si le groupe constitué est complet, de rester à son étage sans pouvoir rentrer dans la cabine.
…

Bref cette gestion est très prometteuse mais nécessite de trouver des parades à la malveillance.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir les lampes

Les lampes à rejeter !

Les lampes à incandescence et les lampes halogènes énergivores :

très mauvaise efficacité lumineuse ;
durée de vie faible.

Les lampes à vapeur de mercure haute pression

mauvaise efficacité lumineuse ;
mauvais rendu des couleurs ;
altération de la température de couleur en cours d’exploitation.

Les lampes fluorescentes de mauvaise qualité (IRC < 70). P.ex.la teinte 640, 630 …

Notons que l’Europe a pris les choses en main et par différentes directives impose le retrait progressif du marché des lampes les moins efficaces !

Critères de choix des lampes

Le confort lumineux impose un choix de lampe associée à son luminaire qui permet de maîtriser le niveau d’éclairement, l’éblouissement, l’uniformité, … et ce de manière à se conformer aux normes NBN EN 12464-1 et NBN EN 12193. Pour respecter le confort lumineux, quelle que soit la volumétrie du local, le concepteur devra trouver un savant compromis entre le nombre de luminaires, leur puissance, leur coût, leur efficacité énergétique, … Il devra aussi tenir compte d’un indice de rendu des couleurs (IRC) à assurer, de la stratégie de maintenance, de la durée de vie des lampes, leur capacité à dimmer leur flux en fonction de l’apport de lumière naturelle et à accepter un nombre d’allumages/extinctions adapté à l’usage, …

Techniques

pour connaitre les différents types de lampes : cliquez-ici !

Données

pour visualiser un récapitulatif des caractéristiques des différentes lampes, cliquez-ici !

Choix en fonction de la hauteur du local

La hauteur du local va influencer le choix de lampe, c’est une évidence ! Mais il ne faut pas perdre de vue que la lampe est toujours associée à un luminaire. Dissocier les deux n’est pas envisageable dans un projet de conception/ rénovation.

Cependant, un premier tri de lampe s’impose en fonction de la hauteur du local. En effet, toutes les lampes ne sont pas à même de donner un niveau de flux adéquat :

Les lampes à flux lumineux important (à puissance élevée) équiperont les luminaires des locaux de hauteur importante (de l’ordre de 6 à 12 m).
À l’inverse, les lampes à flux lumineux réduit ou basse puissance équiperont les luminaires des locaux de hauteur normale (de l’ordre de 1 à 6 m).

Pour les hauteurs inférieures à 7m

La plupart des lampes à flux lumineux modéré conviennent pour les locaux à hauteur classique.

Lampes fluorescentes

Pour rappel, les lampes fluorescentes sont le plus souvent recommandées, du fait :

Photo lampes fluorescentes.

de leur grande efficacité énergétique,
de leur très bon rendu des couleurs,
de leur durée de vie importante,
de leur faible coût d’investissement.

Les systèmes d’éclairage à LEDs

Les systèmes d’éclairage à LEDs envahissent de plus en plus le secteur tertiaire sachant que leur efficacité énergétique se rapproche de celle des lampes fluorescences. On les choisira principalement pour :

leur efficacité énergétique certaine ;
leur rendu de couleur acceptable ;
leur durée de vie très importante.

La technologie LED est en constante évolution et inonde le marché de l’éclairage. On estime que les lampes LED prendront de l’ordre de 80 % du marché à moyen terme. Les seuls freins actuels dans le choix de cette source lumineuse sont naturellement :

l’absence de normalisation qui empêche les comparaisons.
Une qualité très différentes d’une référence à l’autre.

Pour les hauteurs supérieures à 7 m

Dans les locaux de grande hauteur (à partir de 7 – 12 m), on utilise généralement des lampes à décharge sodium HP ou halogénure et iodure métallique. Ce type de lampes est mis en compétition avec, devinez… , les tubes fluorescents et les LEDs !

Lampes à vapeur de sodium ou halogénure métallique ?

Lampes à vapeur de sodium Lampes à halogénure métallique.

Les lampes à vapeur de sodium haute pression ou à vapeur d’halogénure métallique fournissent un flux lumineux par lampe important (jusqu’à 200 000 lm). Elles permettent ainsi d’obtenir un éclairement suffisant avec un nombre réduit de luminaires. Néanmoins, il faut être particulièrement attentif :

à leur emplacement vu les risques d’éblouissement que représentent ces lampes,
aux ombres portées,
à l’uniformité des niveaux d’éclairement (moins de lampes sur la surface à éclairer).

On retiendra encore que vu le faible nombre de points lumineux à installer, la maintenance des lampes à décharge sera plus rapide, ce qui peut représenter un facteur non négligeable dans un local où les plafonds sont hauts et donc peu accessibles.

Lampes fluorescentes

Les progrès réalisés par certains constructeurs sur des luminaires équipés de lampes fluorescentes (de 2 à 4 lampes) pour des hauteurs supérieures à 7 m sont assez spectaculaires.
Ces types de luminaires sont équipés, par exemple, de lampes fluorescentes 4 x 80 W en tube T5 pour des hauteurs d’atelier pouvant aller jusqu’à 12 m avec une efficacité énergétique de ≤2.5 W/m².

Exemple

Pour un atelier de l’ordre de 7 m de haut, vaut-il mieux prévoir de l’équiper de luminaire à lampe aux halogénures métalliques ou à tubes fluorescents ?

Luminaire à lampe aux halogénures métalliques.	Luminaire à tubes fluorescents.
Luminaire à lampe aux halogénures métalliques.	Luminaire à tubes fluorescents.

Pour en savoir plus sur l’étude de cas, cliquer ici !

On voit tout de suite que :

L’installation d’éclairage équipée de lampes aux halogénures métalliques nécessite moins de luminaires pour atteindre le niveau d’éclairement moyen requis. Par contre, l’uniformité sera moins bonne (les alternances taches claires et taches sombres sont plus visibles).

Mais les lampes à décharge haute pression ne sont pas dimmables (du moins sans problème) et donc dans le cas d’un apport important de lumière naturelle, il est recommandé d’utiliser des systèmes d’éclairage dimmables (fluorescentes ou LEDs).

Éclairage ponctuel proche du plan de travail

Étant donné ses nombreux avantages, le luminaire équipé d’une lampe fluorescente doit donc souvent être préféré.

Éclairage local de bureau

Photo lampe fluocompacte.

Lorsque l’on désire un éclairage ponctuel, la lampe fluocompacte (à ballast électronique séparé) est largement préférable à la lampe à incandescence traditionnelle ou halogène. Malgré son prix plus élevé, la lampe fluocompacte permet, sur une durée de fonctionnement de 10 000 heures, d’économiser de 20 à 125 € par lampe (selon la puissance installée) par rapport au placement d’une lampe à incandescence.

Éclairage de décoration et d’accentuation

lampe à vapeur d'halogénure métallique.

La lampe à vapeur d’halogénure métallique de faible puissance (20 à 150 W) est compacte et sa lumière se laisse facilement focaliser. Si un flux lumineux élevé par unité est requis, elle est une alternative efficace à la lampe à incandescence et à la lampe halogène pour l’éclairage de décoration, par exemple dans les halls d’accueil et les salles d’exposition. Des luminaires indirects équipés de lampes à vapeur d’halogénure métallique de puissance moyenne (150 W, 250 W) réalisent une économie d’énergie de 70 % par rapport aux lampes halogènes.

Éclairage d’un tableau ou de documents affichés sur les murs

Photo éclairage tableau.

Source : Etap.

Un éclairement suffisant sur le tableau ne pourra être obtenu que par un éclairage spécifique.
Pour obtenir un éclairage uniforme sur le tableau, le tube, de par sa forme allongée, est le plus adéquat. Les lampes fluocompactes peuvent aussi convenir, mais on obtiendra plus facilement des « ronds » de lumière et l’éclairage sera donc moins uniforme.

Exemple.

Une classe est éclairée par :

éclairage général : 9 luminaires basse luminance de 2 x 36 W chacun,
éclairage du tableau : 3 luminaires asymétriques de 50 W chacun.

L’éclairement moyen mesuré dans la classe est de 420 lux pour une puissance d’éclairage général de 9 W/m². Le niveau d’éclairement du tableau, lorsque son éclairage spécifique est allumé, est de 436 lux. Lorsque l’on se contente de l’éclairage général, le niveau d’éclairement moyen du tableau est de 99 lux, ce qui est nettement insuffisant.

Choix en fonction de l’éclairage naturel

Source : Philips.

Dans les locaux qui ont accès à la lumière naturelle (présence de baie vitrée), le choix de lampe tiendra compte de la compatibilité avec le « dimming » en vue d’adopter une gestion du flux lumineux en fonction de la lumière naturelle.

Les lampes facilement dimmables

Le choix des lampes fluorescentes (type tube fluo) et les LEDs sera intéressant pour réaliser un dimming efficace en fonction du niveau d’éclairage naturel dans le local concerné.

Les lampes fluocompactes

Mis à part les lampes fluocompactes à 4 pin avec ballast électronique, ce type de lampe à 2 pin et à visser ne peuvent pas être dimmée de manière efficace.

Les iodures et halogénures métalliques

Ce type de lampe ne peut être dimmé au maximum qu’à 50 % (et souvent il y des problèmes de changement de couleur (collor shift) dans le cas de dimming. Si les baies vitrées sont de grandes tailles, le choix des lampes à iodure ou halogénure métallique ne sera pas judicieux.

Choix en fonction du temps de fonctionnement et de la fréquence d’allumage/extinction

Locaux à temps d’occupation prolongé

Comme son nom l’indique, ce type de local accueille des occupants pendant un temps suffisamment long pour envisager un choix de lampes qui ne supportent pas trop les temps courts de fonctionnement et les fréquents cycles d’allumage/extinction. En effet, elles ont besoin d’un certain temps pour chauffer et stabiliser leur flux lumineux. Enfin, les cycles fréquents d’allumage/extinction réduisent leur durée de vie.

On pointera les locaux comme les bureaux, les classes de cours, les salles de réunion, les salles de sports, …

Pour un temps de fonctionnement prolongé avec un nombre restreint de cycle d’allumage extinction, les lampes suivantes conviennent bien :

les lampes fluorescentes ;
les lampes à iodure et halogénure métallique ;
les lampes à vapeur de sodium HP ;
les LEDs.

Locaux à temps d’occupation sporadique

On retrouve des locaux comme les archives, les espaces techniques, … Pour ce type de local, pratiquement toutes les sources lumineuses énergétiquement efficaces conviennent puisque le nombre d’allumage et d’extinction est faible au cours du temps. Ce constat s’appuie aussi sur le fait que ces locaux n’ont pas d’accès à la lumière naturelle et ne nécessitent pas de sources lumineuses « dimmables ». Dans ce cas bien précis, ce sera surtout l’aspect financier qui prévaudra.

Locaux où l’allumage et l’extinction de l’éclairage sont fréquents

On regroupe ici toutes les circulations et les locaux sanitaires. Pour un nombre d’allumage et d’extinction important, les lampes fluorescentes à ballast électroniques et les LEDs conviennent parfaitement.

Choix en fonction de l’IRC et de la température de couleur

Le rendu des couleurs

Pour certaines tâches où la reconnaissance des couleurs est importante, on prendra en compte le paramètre de rendu de couleur. Dans les commerces, cette caractéristique (qualité de la lumière produite) est primordiale et peut être satisfaite avec l’emploi de produits efficaces (autre qu’incandescente) ! Dans d’autres pièces, comme les circulations, cette donnée aura moins d’importance.

La norme EN 12464-1 définit, pour chaque tâche ou local, une valeur de l’indice de rendu de couleur (IRC ou Ra).

Le prix d’achat domine souvent lors du choix du tube fluorescent, choix qui se fait alors sans trop tenir compte du rendu des couleurs.

Les tubes dits « standards » (type 29, 33, 129, 133, 20 ou 30 = anciens codes – ou encore 640,630 …selon les marques) sont nettement moins chers à l’achat que les tubes « type » 830 ou 840. Ils présentent cependant deux inconvénients :

un indice IRC ou Ra réduit, souvent incompatible psychologiquement avec le travail de bureau, mais suffisant pour des circulations (IRC de classe 3 (IRC entre 40 et 60)) ;
une efficacité lumineuse inférieure.

Les tubes standards seront donc à éviter. Dans la pratique, on peut choisir des lampes 830 – 840 dans toutes les situations standards. Cela uniformise les ambiances et facilite la maintenance.

À l’opposé, des lampes à rendu de couleur supérieur (IRC > 90) sont réservées aux magasins de mode, musées, laboratoires ou industries où la fidélité des couleurs est primordiale. Ces lampes sont nettement plus chères et ont généralement une mauvaise efficacité lumineuse.

La température de couleur

La température de couleur de la lampe influence l’impression de confort visuel de l’œil.
La norme EN 12464-1 laisse une certaine latitude quant au choix de la température de couleur des lampes.

La température de couleur d’une lampe fluorescente est indiquée sur la lampe ou dans le catalogue des fabricants.
En pratique, on choisira :

Des teintes froides (Tc = 4 000 K) dans les locaux de travail où les lampes sont utilisées en journée, en complément à la lumière naturelle.
Des teintes chaudes pour l’éclairage des habitations ou assimilées.
Des teintes froides pour des éclairements élevés ou dans des climats chauds.
Des teintes de couleur très froides (température de couleur > 5 000 K), appelées également « lumière du jour » dans les locaux aveugles. En effet, proches de la lumière naturelle, elles ont un effet favorable sur le bien-être des occupants.

Il faut éviter l’utilisation simultanée des teintes froides et des teintes chaudes, ce qui gêne l’adaptation chromatique de l’œil et crée des perturbations visuelles. Ainsi, lorsque les locaux ont un apport important de lumière naturelle, la tendance sera de choisir une température de couleur plus élevée pour éviter de trop grandes différences entre l’éclairage artificiel et naturel.

Dans les locaux où il n’y a pas d’apport de lumière naturelle, la lumière dynamique peut simuler la teinte de la lumière du jour (évolue dans le courant de la journée).

Le spectre lumineux

Les tubes fluorescents présentent une gamme très étendue en termes de température et de rendu des couleurs, ainsi qu’en termes de spectre lumineux. Les fabricants reprennent dans leur catalogue le type d’application de leurs lampes. Cela permet de vérifier si le choix réalisé correspond bien à sa situation propre. Il existe par exemple des lampes pour boucherie qui ont pour but d’accentuer la couleur rouge de la viande.

Données

pour connaitre les caractéristiques générales des différents types de lampe : cliquez ici !

Choix en fonction de l’efficacité énergétique et du prix de revient

Toutes les lampes ne sont pas égales du point de vue de l‘efficacité énergétique et « fonctionnelle » (durée de vie moyenne, utile, …). Le choix entre les différents types dépendra aussi du prix de revient de l’installation, c’est-à-dire de l’investissement (lampes et luminaires), de la consommation des frais de maintenance, de la durée de vie et du nombre d’allumages/extinctions autorisés. En effet, il ne suffit pas de choisir une lampe efficace, mais impayable.

Données

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Remarque : l’Europe, via ses directives, a entrepris la labellisation des différentes lampes, ce qui permet de comparer plus aisément l’efficacité de différentes lampes. Pour en savoir plus, cliquez ici.

Exemple de calcul par rapport à l’exploitation.

Voici le coût des différentes lampes envisageables dans des ateliers de grande hauteur. Ces coûts sont établis au départ d’une liste de prix d’un fabricant. Ils regroupent le coût d’achat des lampes et le coût de la consommation (ici pris égal à 11 c€/kWh), pour la fourniture d’environ 200 000 lm, pendant 30 000 heures.

On ne tient pas compte ici,

du coût des luminaires,
du rendement du luminaire,
ni de la perte supplémentaire d’efficacité lumineuse due au ballast.

Remarque.

On se doute que les valeurs reprises dans le tableau sont purement théoriques. En effet, on se rend bien compte, qu’à dimensions de local égales, l’uniformité obtenue avec 4 lampes sodium HP de 400 W, par rapport à 38 lampes fluorescentes de 58 W, est nettement inférieure.

Type de lampe	Tube fluorescent 58 W	Sodium haute pression 250 W	Sodium haute pression 400 W	Sodium haute pression confort 250 W	Sodium haute pression confort 400 W	Halogénure métallique 250 W	Halogénure métallique 400 W
Efficacité énergétique (lm/W), auxiliaires compris	90	108	120	88	93	76	88
Puissance installée (W)	38 x 58	7 x 250	4 x 400	10 x 250	6 x 400	12 x 250	6 x 400
Durée de vie utile (h)	16 000	16 000	16 000	12 000	12 000	6 000	6 000
Coût d’achat unitaire (€)	6.6	53	56	55	60	57	57
Coût d’achat (€)	474 (71 lampes)	689 (13 lampes)	448 (8 lampes)	1 350 (25 lampes)	900 (15 lampes)	3 420 (60 lampes)	1 710 (30 lampes)
Coût de consommation (€)	7 273	5 775	5 280	8 250	7 920	9 900	7 920
Coût total (€)	7 747	6 464	5 728	9 600	8 880	13 320	9 630

Conclusion

On se rend compte que les lampes à vapeur de sodium HP offre des avantages pour autant qu’il ne soit pas nécessaire d’obtenir un rendu de couleur élevé; ce qui est rarement le cas en éclairage intérieur (Ra de l’ordre de 80 dans la plupart des types de tâches). Pour rester dans des prix abordables en exploitation, la solution des luminaires équipés de lampes fluorescentes est intéressante.

Calculs	Pour comparer plus précisément le prix de revient de plusieurs installations, en connaissant, le prix d’un luminaire (placement compris), le prix des lampes, le rendement du luminaire. cliquez ici !
Données	Pour connaître et comparer les caractéristiques et les performances des différentes lampes, cliquez ici !

Choix en fonction de la température ambiante du local

Le calcul du rendement d’une lampe s’effectue à température optimale. Ceci est particulièrement important dans le choix entre les lampes T8 et T5, par exemple. Sachant que les T5 atteignent leur flux lumineux maximum à 35 °C de température ambiante et les T8 à 25 °C, il est difficile, de déterminer quel type de lampe est à privilégier. En effet, selon que la valeur réelle de la température ambiante se situe plus vers 25 °C ou 35 °C le rendement lumineux chute de 10 % pour l’un ou pour l’autre des types de lampe.

En ce qui concerne les LEDs, celles-ci sont très sensibles à la température. C’est la température de jonction qui prévaut. Plus la température de la jonction est basse, meilleure est son efficacité lumineuse. Autrement dit, dans les ambiances froides comme les applications en froid alimentaire ou dans les locaux non chauffés, un système d’éclairage à LED convient bien.

Tableau récapitulatif des choix

Type de lampe	Efficacité lumineuse	IRC	Durée de vie	Dimmable	Insensibilité allumage/exctinction	Prix	Domaine d’application
Tube fluorescent	+++/–*	Bon à élevé	+++/–	Oui	++/–	+	Éclairage général des commerces et bureaux, éclairage industriel, sportif.
Fluo- compacte culot à visser	+/–	Bon	–	Oui certains produits spéciaux	+/–	++	En substitution aux incandescentes.
Fluo- compacte +culot à broche	++/-	Bon à élevé	–	Oui	++/–	++	Éclairage domestique et tertiaire.
Halogénures métalliques	+++/–	Bon à élevé	+	Non	–	+/—	Éclairage tertiaire, accentuation dans les commerces, éclairage public, sportif et industriel.
Sodium haute pression	+++/–	Moyen à bon	++/–	Oui	—	+/–	Éclairage routier, industriel, horticole, des salles et terrains de sport.
Sodium basse pression	++++	N. C.	++	Non	—	+/-	Éclairage autoroute.
LED	+/—	Bon	+++	Oui	++	–	Éclairage domestique et tertiaire (couloir et sanitaire).

* L’étendue des indicateurs illustre l’étendue des produits disponibles.

Données

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Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir un fluide frigorigène [Concevoir – Climatisation]

Il existe différents types de fluides frigorigènes sur le marché. En voici les critères de choix :

L’impact environnemental

Reprenons différents fluides en fonction de leur impact environnemental dans le tableau ci-dessous. Ce tableau met bien en évidence le fait que les HFC sont en sursis comme le prévoit la réglementation européenne (règlementation dite F-gaz). Celle-ci prévoit en effet une réduction d’utilisation de 79% de l’utilisation des gaz fluorés d’ici 2030 par rapport à l’utilisation faite en 2015.

Aujourd’hui les solutions de remplacement ne sont pourtant si pas évidentes. Il faudra s’orienter vers des (nouveaux ?) fluides à faible Potentiel de Réchauffement Global (PRG) ou des fluides naturels.

Cependant, pour ces derniers, il faudra faire face aux contraintes de sécurité associées au CO₂ (haute pression) au propane et au butane (inflammabilité) et à l’ammoniac (toxicité).

	ODP (/R-11)	GWP (kg éq. de CO2)		ODP (/R-11)	GWP (kg éq. de CO2)
CFC (interdits)			Mélanges de HCFC
R-11	1	4 000	R-404A	0	3 260
R-12	0,8	8 500	R-407C	0	1 530
R-502	0,2	5 490	R-410A	0	1 730

HCFC			Mélanges à base R-22
R-22	0,04	1 700	R-408A	0,7	2 650

HFC (corps purs)			Autres
R-134a	0	1 300	Propane / Butane	0	20
R-125	0	2 800	Ammoniac	0	<1
R-143a	0	3 800	CO2	0	1

Remarque : certains imaginent qu’à défaut de trouver le gaz parfait, on pourrait produire le froid dans des machines frigorifiques très compactes (donc contenant peu de fluide), puis transférer le froid par des caloporteurs (eau glycolée, CO₂,.). Dans ce cas, le problème du fluide ou de sa sécurité est moins crucial.

L’impact énergétique (ou qualité thermodynamique)

Par ses propriétés thermodynamiques, le fluide frigorigène influence la consommation énergétique de la machine frigorifique. Pour illustrer ce point, nous reprenons ci-dessous les résultats d’une étude comparative entre 5 fluides différents, utilisés dans une même machine, avec les mêmes conditions de fonctionnement.

Source : ADEME, « le froid efficace dans l’industrie ».

Dans chaque cas, l’objectif est de produire une puissance frigorifique de 100 kW.

	NH3	R-134a	R22	propane	R-404A
Puissance effective sur l’arbre [kW]	30,7	30,9	32,1	33,1	35,1
Coefficient de performance frigorifique	3,26	3,24	3,12	3,03	2,85
Débit volumique balayé dans le compresseur [m³/h]	239	392	224	250	217
Débit volumique de liquide frigorigène [m³/h]	0,53	1,91	1,75	2,42	2,70
Température de refoulement de la compression réelle adiabatique [°C]	156	60	87	63	59

Hypothèses de l’étude

Cycle à compression monoétagée;
Température d’évaporation : – 15°C;
Surchauffe à la sortie de l’évaporateur : 5 K;
Surchauffe à l’entrée du compresseur : 10 K;
Température de condensation : 30 °C;
Sous-refroidissement en sortie de condenseur : 5 K
Taux d’espace mort du compresseur : 3 %.

Analyse

Les températures de refoulement de la compression indiquée sont légèrement plus élevées qu’en réalité parce que le compresseur est placé dans une situation de non-échange avec l’extérieur (adiabatique). Par exemple, le compresseur réel à l’ammoniac qui échangerait 1/10 de sa puissance sur l’arbre aurait une température au refoulement d’environ 142°C.

On constate que le groupe au R-404A consomme 14 % de plus que le groupe à l’ammoniac. La machine équipée de propane n’est pas très performante non plus.

Le R-134a est très performant sur le plan énergétique. Par contre, le débit volumique balayé par le compresseur est nettement plus élevé, ce qui va augmenter la taille du compresseur et des conduites d’aspiration (coût d’investissement plus élevé).

L’ammoniac présente un très faible débit volumique de liquide frigorigène et donc un faible diamètre de la conduite de liquide.

Reprenons les chiffres du COP frigorifique en partant d’une référence 100 pour le R-22 :

	NH3	R-134a	R22	propane	R-404A
Coefficient de performance frigorifique	3,26	3,24	3,12	3,03	2,85
Si le R-22 est pris en référence 100 :	105	104	100	97	91

Des résultats similaires ressortent d’une autre étude relatée par l’ASHRAE, avec comme différence notable un coefficient 99 pour le R-404A. Il faut dire que ce genre d’étude est fonction des options choisies : prendre la même machine frigorifique et changer juste le fluide, ou optimiser tous les composants en fonction des caractéristiques de chaque fluide pour produire la même puissance ?

Cette deuxième étude fournit les coefficients pour d’autres fluides :
R-410A : 99
R-407C : 95

À noter que les débits demandés par le R-407C sont, à 1 % près, identiques à celui du R-22 : il a justement été conçu comme fluide de remplacement. Il est malheureusement zéotrope et présente donc un glissement de température lors du changement d’état (un « glide ») de 7,2 °C, ce qui lui fait perdre 5 % de rendement énergétique.

Conclusion

L’ammoniac et le R-134a présentent une performance énergétique meilleure, mais cet avantage n’est pas suffisant que pour conclure sur ce seul critère.

La sécurité d’usage

De nombreuses études poussées sont menées sur les aspects :

toxicité (par inhalation);
action biologique (cancers, malformations des nouveaux-nés);
action sur les denrées entreposées en chambre froide;
inflammabilité.

Certains critères sont facilement quantifiables

par la concentration limite d’exposition (exprimée en ppm);
par la limite inférieure d’inflammabilité (concentration, en volume, dans l’air sous la pression atmosphérique).

Ce qui a permis de définir un code sécurité (Standard 34 Safety Group) :

	NH3	R-134a	R22	propane	butane	R-407C	R-404A	R-410A
Conc. limite d’exposition (ppm)	25	1 000	1 000	2 500	800	1 000	1 000	1 000
limite inf. d’inflammabilité (%)	14,8	–	–	2,3	1,9	–	–	–
Code sécurité	B2	A1	A1	A3	A3	A1	A1	A1

La toxicité de l’ammoniac et l’inflammabilité des hydrocarbures entraînent des mesures de sécurité toutes particulières pour leur usage.

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

Les contraintes techniques

Elles sont nombreuses (niveaux de pression requis, comportement du fluide en présence d’eau, viscosité et donc tendance à fuir de l’enceinte, commodité de détection d’une fuite) et vont influencer l’efficacité et la fiabilité de l’installation.

Une des contraintes fort importantes est le couple formé par le fluide frigorigène et l’huile de lubrification.

De l’huile est nécessaire au bon fonctionnement du compresseur. Un séparateur d’huile est prévu à la sortie du compresseur, mais son efficacité n’est jamais totale. Et la petite quantité d’huile entraînée par le fluide risque de se déposer au fond de l’évaporateur (basse température et faible vitesse). L’échange thermique est diminué et, à terme, l’huile risque de manquer au compresseur. Si autrefois la miscibilité entre le fluide CFC et les huiles minérales était très bonne (le fluide « entraînait » avec lui une certaine dose d’huile assurant une lubrification permanente), il faut aujourd’hui adopter des huiles polyolesters, plus coûteuses, très sensibles à la présence d’eau, et dont on doit vérifier la compatibilité avec les différents matériaux en contact (métaux, joints élastomères, vernis moteur,.).

L’élimination des fluides frigorigènes chlorés, bonne chose pour l’ozone stratosphérique, en est une mauvaise pour la lubrification, le chlore étant bénéfique à la présence du film d’huile. L’emploi d’additifs divers dans les huiles a dû y suppléer.

Le coût

Le prix au Kg du frigorigène est très différent selon qu’il s’agisse d’un fluide simple, comme l’ammoniac, ou d’un fluide plus complexe comme un mélange de HFC.

Mais le coût du fluide frigorigène rapporté à celui de l’installation se situe entre 1 et 3 %, ce qui reste faible. Et les coûts indirects liés au choix du fluide (dispositifs de sécurité, équipements électriques anti-déflagrant, conception étanche du local technique,…) sont sans doute plus déterminants.

Les tendances futures

En HVAC, l’utilisation courante des fluides frigorigènes CFC (R11, R12 et R502) et HCFC (R22) a été proscrite, car ils avaient le pouvoir de détruire la couche d’ozone et de renforcer l’effet de serre.

Depuis 1990 est apparue une nouvelle famille : les HFC, fluides purement fluorés, dont le R-134a est le plus connu. Malgré tout, ce genre de fluide frigorigène n’est pas idéal sur le plan de l’environnement. Dès lors, l’utilisation dégressive de ces gaz fluorés est imposée par la réglementation. On devra alors s’orienter vers des fluides à potentiel de réchauffement global faible. Cela passera très certainement par :

L’élargissement de l’utilisation des fluides toxiques (amoniac) et inflammables (propane, butane)
Le développement de nouvelles molécules et de nouveaux mélanges
La réduction drastique de la charge et confinement du fluide frigorigène
Le retour du CO₂

À ce sujet, une étude a été menée en France par Armines CES, le Cemafroid et ERéIE pour l’AFCE avec le soutien de l’ADEME et d’UNICLIMA. Ce rapport présente notamment un série d’alternatives par secteur. Vous pouvez le télécharger en cliquant ici.

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Comparer deux régimes de température d’eau glacée pour un ventilo-convecteur

Comparer deux régimes de température d'eau glacée pour un ventilo-convecteur

Principe du bilan

Comparons deux installations de climatisation équipées de ventilos-convecteurs.

La différence principale réside dans le choix des températures du régime d’eau glacée : si la boucle d’eau fonctionne sous plus haute température, le COP de la machine frigorifique s’en trouvera amélioré et la condensation de l’humidité de l’air sera diminuée.

Le coût d’exploitation en sera plus faible.

Bien sûr, un surdimensionnement des appareils sera nécessaire au départ, et donc un surcoût d’investissement…

Sélection des équipements

Supposons un bâtiment de 120 bureaux de 12 m² dont les exigences sont :

Puissance en froid nécessaire par bureau (puissance sensible : 1200 W)
Taux de ventilation : 30 m³/h/bureau
Niveau sonore < NR 35
Consigne ambiante : 25°C

Sélection n°1 : appareil X, taille 2 – régime 6/12°C

Investissement : 320 € pour le ventilo et 195 € pour l’habillage.

Caractéristiques de fonctionnement en vitesse moyenne :

Puissance sensible : 1,23 kW
Puissance totale : 1,63 kW

Autrement dit, suite à sa température en dessous du point de rosée de l’ambiance, l’appareil va déshumidifier l’ambiance et consommer 1,63 kW, alors que 1,23 sont utiles en sensible. Soit 32 % supplémentaires…

En tablant sur un taux d’utilisation simultanée des équipements de 80 %, on déduit une puissance totale appelée au groupe frigorifique de :

Q_frigo = 120 X 1,63 kW x 0,8 = 156 kW

Sélection n°2 : appareil X, taille 4 – régime 12/16°C

Investissement : 440 € pour le ventilo et 220 € pour l’habillage.

Caractéristiques de fonctionnement en vitesse moyenne :

Puissance sensible : 1,23 kW
Puissance totale : 1,41 kW

Autrement dit, suite à sa température en dessus du point de rosée de l’ambiance, l’appareil ne va pratiquement pas déshumidifier l’ambiance et ne consommera que 15 % supplémentaires…

En tablant sur un taux d’utilisation simultanée des équipements de 80 %, on déduit une puissance totale appelée au groupe frigorifique de :

Q_frigo = 120 X 1,41 kW x 0,8 = 135 kW

Sélection du groupe frigorifique

Dans le premier cas, on sélectionne un groupe frigo dans le catalogue d’un fournisseur :

Puissance froid : 156 kW
Puissance électrique : 52 kW
Efficacité frigorifique en régime 6°C/12°C: 156/52 = 3
Prix d’achat : 16 500 €

Dans le deuxième cas, on sélectionne une machine moins puissante :

Puissance froid : 135 kW
Puissance électrique : 45 kW
Efficacité frigorifique en régime 6°C/12°C : 135/45 = 3
Prix d’achat : 15 500 €

Comparaison des coûts d’exploitation

Gain sur la déshumidification de l’air ambiant

Hypothèse de départ : le taux de brassage de l’air dans le ventilo-convecteur est de l’ordre de 8 vol/h. Autrement dit, on estime en première approximation que la teneur en eau de l’air ambiant se stabilise à la teneur en eau de l’air saturé à la température moyenne de la batterie froide (l’entièreté de l’air du local passe tellement de fois dans le ventilo-convecteur que toute l’eau condensable contenue dans l’air sera évacuée).

Passage de l’air sur la batterie froide du ventilo-convecteur.

cas du ventilo travaillant en régime 6°C/12°C (température moyenne de batterie de 9°C (point B1)). Ambiance du local (point A1) : température ambiante de 25°C, teneur en eau de l’air : 7,1 g/kg.

cas du ventilo travaillant en régime 12°C/16°C (température moyenne de batterie de 14°C (point B2)). Ambiance du local (point A2) : température ambiante de 25°C, teneur en eau de l’air : 10 g/kg

Pour une température ambiante de 25°C, la différence d’enthalpie DH entre les points d’ambiance est de :

50,5 kJ/kg – 43,3 kJ/kg = 7,2 kJ/kg.

On estime que ce gain d’énergie de 7,2 kJ/kg est effectif durant 875 h/an (nombre d’heures en semaine de 8 à 18h, pendant lesquelles la température extérieure est supérieure à 14°C, selon le fichier météo moyen de Uccle).

Le gain énergétique par ventilo s’élève donc à :

7,2 kJ/kg x 30 m³/h x 1,2 kg/m³ = 259 kJ/h ou 72 W

72 W x 875 h/an = 63 kWh_thermiques/an

63 kWh_thermiques/an / 3 = 21 kWh_électriques/an ou 3,6 €/an (à 0,16 €/kWh)

(avec un COP de machine frigorifique de 3).

Ou pour 120 ventilo-convecteurs avec un facteur de simultanéité de 0,8 :

3,6 €/an x 120 x 0,8 = 346 €/an

Gain sur l’augmentation des performances de la production de froid

On considère que, dans des conditions standards, une machine frigorifique fonctionne à sa pleine puissance environ 1000 h/an.

En fonction de la solution choisie, la production de froid consommera donc :

	Production thermique	Consommation électrique (COP de 3)
Régime 6/12°C (156 kW)	156 kW x 1000 h/an = 156 000 kWh_th	156 000 kWh_th/an / 3 = 52 000 kWh_élec/an
Régime 11/16°C (135 kW)	135 kW x 1000 h/an = 135 000 kWh_th	135 000 kWh_th/an / 3 = 45 000 kWh_élec/an

Cependant, on estime qu’augmenter la température d’évaporation de la machine frigo de 1°C diminue sa consommation de 3%.

Ainsi, si la température moyenne de l’eau dans l’évaporateur augmente de 5°C en changeant de régime de dimensionnement des ventilateurs (on fait l’hypothèse favorable que la production de froid n’alimente que les ventilos-convecteurs), c’est-à-dire qu’elle passe de 9° à 14°C, on gagne 15% sur la consommation électrique de la machine frigo de 135 kW. Sa consommation devient donc :

85% x 45 000 kWh_élec/an = 38 250 kWh_élec/an

Si la machine frigorifique n’alimente que des ventilos-convecteurs, le gain réalisable grâce aux performances de la machine frigorifique s’estime donc à :

52 000 kWh_élec/an – 38 250 kWh_élec/an = 13 750 kWh_élec/an

ou 2200 €/an à 0,16 €/kWh.

Si la machine frigorifique alimente également des batteries de traitement d’air à un régime 6°/12°, la température moyenne de l’évaporateur diminuera (en fonction du type de raccordement hydraulique). Le gain sur le rendement de la machine frigo peut devenir quasi nul. Le gain total sera alors réduit à :

52 000 kWh_élec/an – 45 000 kWh_élec/an = 7000 kWh_élec/an

ou 1120 €/an à 0,16 €/kWh.

Remarque : ce calcul reste théorique car le COP des machines frigorifiques d’une même gamme varie et cette variation n’est pas fonction de la puissance.

Comparaison des coûts d’investissement

Pour 120 ventilo-convecteurs :

	Ventilos	Habillage	Machine frigo	Total
Régime 6/12°C	38 400 €	23 400 €	16 500 €	78 300 €
Régime 12/16°C	52 800 €	26 400 €	15 500 €	94 700 €

Différence				16 400 €

Bilan global

	Différence (- = perte, + = gain)
Coût ventilos (1)	de -14 400 à -17 400 €
Coût machine frigo	+1 000 €
Coût total	de -13 400 à -16 400 €
Gain sur la déshumidification	+346 €/an
Gain sur la production de froid (2)	de +1 120 €/an à 2 200 €/an
Gain total	de 1 466 €/an à 2 546 €/an
Temps de retour	de 5,3 ans à 11,2 ans

(1) avec ou sans habillage.
(2) si on peut ou pas faire fonctionner la machine frigo à haute température.

Le bilan final dépend fortement du surcoût des ventilo-convecteurs (achat de l’habillage ou non) et de la possibilité d’exploiter l’augmentation du régime de fonctionnement également au niveau de la production de froid. Tout dépend des autres types d’équipement également alimentés en eau glacée.

Cet exemple montre également que chaque cas est particulier et mérite une analyse approfondie.

Par ailleurs, n’oublions pas dans le bilan, l’amélioration du confort (augmentation de la température de pulsion) et la réduction des risques liés à la condensation sur les tuyauteries de la boucle d’eau glacée …

Publié par : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Choisir l’isolant pour une toiture existante [Améliorer]

Lattes
Contre-lattes
Sous-toiture
Isolant
Charpente
Pare-vapeur
Finition du plafond

Performances thermiques à atteindre : la réglementation

Outre un niveau de performance global à atteindre (Kglobal ou Be 450), la réglementation wallonne en matière d’isolation exige des valeurs maximales pour le coefficient de transmission thermique (Umax) des parois faisant partie de la surface de déperdition.

En rénovation, ces valeurs doivent être respectées pour toute paroi qui fait l’objet d’une reconstruction ou qui est ajoutée.

Il se peut également que ces valeurs (ou même des valeurs plus sévères) doivent être atteintes, et ce même si un mur n’est pas directement touché par la rénovation, lorsqu’il y a changement d’affectation du bâtiment, de manière à atteindre le niveau global d’isolation (K_global ou Be 450).

Élément de la surface de déperdition	U_max(W/m²K) (Annexe C1 de la PEB)
Toiture entre le volume protégé et l’ambiance extérieure ou ensemble de plafond + grenier + toiture.	0,3

Performances thermiques à atteindre : les recommandations

Si l’on s’en tient à la réglementation, un coefficient de transmission thermique U (anciennement k) de 0,3 [W/m²K] est requis pour les toitures. Mais il faut comprendre cette valeur comme l’exigence de qualité minimale à respecter, sorte de « garde fou » que la Région a voulu imposer aux constructeurs.
En pratique, l’épaisseur est le résultat d’un compromis :

plus on isole, plus la consommation diminue (chauffage et climatisation), et avec lui le coût d’exploitation du bâtiment.

plus on isole, plus le coût d’investissement augmente.

Aujourd’hui, l’optimum se situe à :

U = 0,3 [W/m²K], pour les toitures

Cette valeur permet de satisfaire de manière plus aisée l’exigence de niveau d’isolation globale (K).
Quelques considérations complémentaires :

Ci-dessus, nous avons suivi une logique de rentabilité financière. Si une logique de rentabilité écologique était prise, la lutte contre 2>le CO₂ nous pousserait vers une isolation plus forte !

Maintenir 20°C dans un bâtiment, c’est un peu comme maintenir un niveau de 20 cm d’eau dans un seau troué. Aux déperditions du bâtiment correspondent des fuites dans la paroi du seau . En permanence nous injectons de la chaleur dans le bâtiment. Or, si en permanence on nous demandait d’apporter de l’eau dans le seau pour garder les 20 cm, . notre premier réflexe ne serait-il pas de boucher les trous du seau ?

Expliquez aux Scandinaves, aux Suisses,. que nous hésitons entre 6 et 8 cm d’isolant, vous les verrez sourire, eux qui placent couramment 20 cm de laine minérale, sans état d’âme !

Épaisseur de l’isolant pour atteindre les performances recommandées :

Pour une toiture inclinée, l’épaisseur d’isolant à poser en fonction du coefficient de conductivité thermique est donnée sur le graphique ci-dessous. Pour chaque isolant, il existe un intervalle de valeurs possibles pour la conductivité thermique. Le diagramme ci-dessous permet de déterminer dans quel intervalle d’épaisseur il faudra se situer en fonction du type d’isolant choisi. Les valeurs présentées font références à une toiture standard dont le détail technique est donné ci-dessous.

À droite : Épaisseur d’isolant nécessaire pour atteindre U = 0.3 W/m²K dans le cas d’une toiture inclinée de référence en fonction de la conductivité thermique (λ) ou du type d’isolant choisi (les intervalles de valeurs pour chaque isolant correspondent aux valeurs certifiées).

À gauche : Détail technique de la toiture inclinée prise comme référence.

Les isolants considérés ici sont ceux qui sont habituellement retenus lors de la réalisation d’une toiture inclinée.

Pourquoi une isolation plus poussée en toiture que dans les murs ?
Si la température extérieure est cette fois identique dans les 2 cas, le placement de l’isolant en toiture est plus facile à mettre en œuvre en forte épaisseur. Le coût est proportionnellement moindre. La rentabilité de la surépaisseur est meilleure.

Pourquoi une isolation moins poussée sur le sol ?
En hiver la température du sol est plus élevée que la température extérieure. La « couverture » peut donc être moins épaisse.

Type d’isolant

L’isolant doit bénéficier d’un agrément technique certifiant ses qualités et sa compatibilité avec l’usage qui en est fait. La valeur de calcul de la conductivité thermique (λ_U) d’un isolant possédant ce type d’agrément est connu avec précision. Il est certifié par le fabricant. Il est régulièrement vérifié par des essais. Il peut être utilisé pour calculer les performances de la paroi à la place des coefficients moins favorables tabulées dans les normes (Annexe VII de la PEB).

Cas d’une isolation par l’extérieur ou d’une isolation par l’intérieur avec sous-toiture

concevoir

Dans les cas d’une Toiture « Sarking »ou d’une isolation par éléments autoportants ou d’une isolation entre chevrons avec sous-toiture, le type d’isolant se choisit comme pour une nouvelle toiture.

Cas d’une isolation par l’intérieur sans sous-toiture

L’isolant doit être hydrophobe et non capillaire de sorte qu’en cas d’infiltration d’eau, l’eau ne stagne pas et ne pénètre pas dans l’isolant. On évite ainsi qu’il perde sa capacité isolante et qu’il se détériore.

L’isolation entre les chevrons peut se faire avec de la laine minérale, du polystyrène expansé, du polystyrène extrudé ou un isolant biosourcé.

Le polyuréthanne est à éviter en raison de sa sensibilité à l’eau.

l’efficacité isolante,
la compatibilité avec le support,
le comportement au feu,
le prix.

C’est au concepteur de choisir ceux qui sont prioritaires.

L’efficacité isolante

La valeur isolante du matériau dépend de son coefficient de conductivité thermique λ . Plus sa conductivité est faible, plus l’isolation sera efficace et donc plus l’épaisseur nécessaire à mettre en œuvre sera réduite. Le matériau doit également conserver une efficacité suffisante dans le temps.

Les isolants minces réfléchissants ont fait l’objet d’une polémique importante ces dernières années.

Qu’en penser ? Nous reproduisons en annexe le compte-rendu détaillé de l’étude du CSTC à ce sujet, étude confirmée par plusieurs études scientifiques dans divers pays européens. L’affirmation des fabricants d’un équivalent de 20 cm de laine minérale est fantaisiste. Dans le meilleur des cas un équivalent de 4 à 6 cm peut être obtenu, ce qui est insuffisant.

Si ce produit connaît malgré tout un certain succès commercial, c’est parce que sa pose est très rapide (agrafage sous pression), donc intérêt de l’entrepreneur qui en fait la publicité, et que le produit se présente en grandes bandes continues, assurant une très grande étanchéité au passage de l’air, donc impression d’une certaine qualité pour l’occupant.

Si on souhaite les associer à un isolant traditionnel, leur faible perméabilité intrinsèque à la vapeur d’eau les prédispose naturellement à être utilisés comme pare-vapeur (pose du côté chaud) et non comme sous-toiture (risque de condensation en sous-face).

La compatibilité avec les autres éléments

Certains isolants sont incompatibles avec d’autres éléments de la toiture en contact avec l’isolant.

Par exemple, les mousses de polystyrène sont attaquées par les agents d’imprégnation du bois à base huileuse et par certains bitumes, par les solvants et les huiles de goudron.

Le comportement au feu

Suivant le degré de sécurité que l’on souhaite atteindre, en fonction de la valeur du bâtiment et de son contenu, de son usage, de sa fréquentation, etc., on déterminera le degré d’inflammabilité acceptable pour l’isolant.

Le verre cellulaire et la laine de roche sont ininflammables. Les panneaux à base de mousse résolique ou de polyisocyanurate ont un bon comportement au feu.
Les mousses de polystyrène et de polyuréthane sont inflammables et résistent mal à la chaleur.
La chaleur produite par les spots peut dégrader ces mousses et provoquer des incendies. Si des spots doivent être placés à proximité du panneau isolant, les mousses doivent être protégées en interposant des boucliers thermiques efficaces.

Le prix

« Le nerf de la guerre…! »

A performance égale on choisira le matériau le moins cher. Il faut cependant raisonner en coût global, et tenir compte, non seulement du coût de l’isolant mais aussi de sa mise en œuvre.

En toiture inclinée, l’isolant de bonne qualité, correctement posé et protégé des agressions extérieures, ne nécessite aucun entretien et sa durée de vie ne pose pas de problème particulier.

Mais toute vie a une fin. Il faut donc être attentif au coût de son remplacement en fin de vie, dont le coût de mise en décharge. Dans le futur, celui-ci risque de croître, notamment pour les mousses synthétiques.

Épaisseur calculée de l’isolant

Remarque : les calculs ci-dessous sont faits avec l’hypothèse que la toiture est étanche à l’air. Dans le cas contraire, les mêmes épaisseurs d’isolant peuvent mener à une valeur U (anciennement « k ») 2,5 fois plus élevée que celle prévue.

Pour assurer l’étanchéité à l’air, il est préférable que la toiture soit équipée d’une sous-toiture. Si elle est rigide, la sous-toiture permet de garantir le contact entre elle et l’isolant et ainsi assurer une meilleure étanchéité à l’air.
Enfin, toujours pour éviter les infiltrations d’air, il est préférable de choisir une finition de type :

un plafonnage,
par des plaques de carton-plâtre correctement rejointoyées,
ou par des panneaux de fibres de bois liées au ciment, avec enduit.

Calcul précis

L’épaisseur « d_i » de l’isolant se calcule par la formule suivante :

La résistance thermique totale d’une paroi (Rt)
1/U

= [1/h_i + d₁/λ₁+ d₂/λ₂+ … + di/λi + R_u+ 1/h_e]

<=>

d_i

= λ_i [(1/U) – (1/h_i + d₁/λ₁+ d₂/λ₂+ … + Ra + 1/h_e)]

où

λ_i est le coefficient de conductivité thermique de l’isolant,
U est le coefficient de transmission thermique de la toiture à atteindre (exemple : 0,3 W/m²K),
h_eet h_iles coefficients d’échange thermique entre le toit et les ambiances extérieures et intérieures valant respectivement 23 W/m²K et 8 W/m²K,
d_x/λ_xla résistance thermique des autres couches de matériaux,
R_aest la résistance thermique des couches d’air

Exemple.

Le tableau ci-dessous donne les résultats des calculs pour une configuration de toiture sans sous-toiture.

Dans les calculs, l’espace entre les éléments de couverture et la sous-toiture est considérée comme une couche d’air très ventilée.

Données concernant les différentes couches : de l’intérieur vers l’extérieur :

plaques de plâtre, 9 mm, λ = 0,35 W/(mxK);
gaine technique : vide non ventilé de 2 cm –> Ra = 0,17 m²K/W
isolant : MW : λ = 0,041 W/(mxK); EPS : λ = 0,04 W/(mxK); XPS : λ = 0,034 W/(mxK) ;

(Valeurs extraites de la NBN B 62-002/A1)

On a donc pour U = 0,3 et : λi = 0,04

d_i= λ_i [(1/U) – (1/h_i + d₁/λ₁+ Ra + 1/h_i)]

d_i= 0,04[(1/0,4) – (1/8 + 0,009/0,35 + 0,17 ₊ 1/8)]

d_i= 0,082 m

Valeur U sans isolation [W/(m²xK)]

Épaisseur (en mm) d’isolant nécessaire pour obtenir :

U < 0,4 W/(m²xK)

Épaisseur (en mm) d’isolant nécessaire pour obtenir :

U < 0,3 W/(m² x K)

MW, EPS

PUR

XPS

MW, EPS

PUR

XPS

2,1

> 90

déconseillé sans sous-toiture

> 70

> 120

déconseillé sans sous-toiture

> 100

calculs

Pour estimer le coefficient de transmission thermique d’une toiture à partir des différentes épaisseurs de matériaux

Calcul simplifié

La valeur k d’une toiture est presque uniquement déterminée par la couche isolante. Pour simplifier le calcul, on peut négliger la résistance thermique des autres matériaux.
La formule devient alors :

d_i= λ_i ((1/ U) – (1/h_e+ 1/h_i) [m]

Pour U = 0,3 W/m²K,

d_i= λ_i ((1/ 0,3) – (1/23 + 1/8 )) m

= λ_ix 3,16 [m]

L’épaisseur ne dépend plus que du choix de l’isolant et de son λ _i.

L’épaisseur ainsi calculée doit être adaptée aux épaisseurs commerciales existantes.

Exemple.

Si l’isolant choisi est la mousse de polyuréthane (PUR)

Son λ_i vaut 0.028 W/mK (PUR suivant NBN B 62-002/A1)

d_i = 0.028 x 3.16 = 0.088 m

L’épaisseur commerciale : 90 mm ou 40 mm + 50 mm.

calculs

Pour estimer vous-même, de manière simplifiée, l’épaisseur suffisante d’un isolant

Conseils généraux de mise en œuvre de la couche isolante

Pour éviter les ponts thermiques, l’isolant doit être placé sur toute la surface de la toiture sans oublier les éventuelles parties verticales ossature-bois, les joues des lucarnes, etc.

> Les joints entre les éléments suivants doivent être bien fermés :

entre les différents panneaux isolants,
entre les panneaux isolants et la charpente.

Pourquoi ?

> Pour la même raison que ci-dessus et pour éviter les ponts thermiques, l’isolation de l’enveloppe doit être continue. La couche isolante de la toiture doit être raccordée avec les couches isolantes des autres parois du volume protégé. Par exemple :

L’isolant de la toiture doit être en contact avec l’isolant des murs extérieurs; dans le cas d’une échelle de corniche, les espaces libres doivent être remplis d’isolant.
Il doit être dans le prolongement et en contact avec le dormant du châssis muni d’un vitrage isolant.
Il doit être en contact avec l’isolant autour du conduit de cheminée.

concevoir	Pour réaliser correctement le raccordement avec une fenêtre de toiture
concevoir	Pour réaliser correctement le raccordement avec une cheminée

> Les panneaux isolants ne peuvent être perforés pour la pose de conduite, etc.

> Il faut protéger et manipuler les panneaux isolants avec précautions pour éviter les écrasements, les déchirures, l’eau, la boue.

Archives pour la catégorie Techniques

Considérations générales

La gestion par segment

Mesure de fonctionnement par sondes infrarouge

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La gestion du groupe de ventilation

Le ventilateur à 2 vitesses

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Régulation

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Prédimensionnement

Préalable

Apports internes

1. Chaleur sensible

Les apports internes

Les apports externes

Les déperditions

Bilan

2. Chaleur latente

Influence du contrôle de l’humidité

Préchauffage et humidification de l’air : influence de la consigne d’humidité

1. Introduction

2. Cas où la consigne d’humidité est fixée à 7.3 geau / kgair

Chauffage de l’air

Humidification de l’air

3. Cas où la consigne d’humidité est « flottante » entre 6.6 et 9.5 geau / kgair

Chauffage de l’air

Humidification de l’air

4. Comparaison

Refroidissement et déshumidification de l’air : influence de la consigne d’humidité

1. Introduction

2. Cas où la consigne d’humidité est fixée à 7.3 geau / kgair

Refroidissement et déshumidification de l’air

Post-chauffe de l’air

Refroidissement et humidification

3. Cas où la consigne d’humidité est « flottante » entre 6.6 et 9.5 geau / kgair

Refroidissement et déshumidification de l’air

Post-chauffe de l’air

4. Cas où la consigne d’humidité « flotte » entre 5.8 et 10.3 geau / kgair

4. Comparaison

Bilan du traitement en « tout air neuf » : influence de la consigne d’humidité

1. Bilan énergétique

1. Bilan économique

Batterie froide

Batterie chaude

Humidificateur

3. Conclusions

Pertes du transformateur

Facteur de puissance

Dimensionnement

Pour les bâtiments existants

Puissance du nouveau transformateur = (Pointe 1/4 horaire max / cos φ) + 20 .. 30 % de réserve

Pour les bâtiments neufs

25 W/m² de surface totale utilisée

Principe

Les interrupteurs

Les boutons poussoirs

Où peuvent se trouver les filtres

Les objectifs de la filtration

2. Cas où la consigne d’humidité est fixée à 7.3 g_eau / kg_air

3. Cas où la consigne d’humidité est « flottante » entre 6.6 et 9.5 g_eau / kg_air

2. Cas où la consigne d’humidité est fixée à 7.3 g_eau / kg_air

3. Cas où la consigne d’humidité est « flottante » entre 6.6 et 9.5 g_eau / kg_air

4. Cas où la consigne d’humidité « flotte » entre 5.8 et 10.3 g_eau / kg_air