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Débit d’air variable

Débit d'air variable

Principe de fonctionnement

Pourquoi une variation du débit ?

Situons-nous en été. Comment répondre aux variations de charge d’un local ? Que se passe-t-il lorsque le soleil perce enfin l’épaisse couche nuageuse et fait monter la température ?

Un système de conditionnement d’air « classique » délivre un air plus froid (de 20°, l’air passe à 16°C, par exemple). Le débit d’air pulsé reste le même, mais la température diminue. On parle alors de « système à débit d’air constant ».

Une alternative consiste à garder la température constante tout l’été (16°C par exemple) mais à augmenter le débit d’air pulsé. On parle de « système à Débit d’Air Variable ». DAV disent les Français, VAV disent les anglophones (que l’on traduit en Volume d’Air Variable).

Dans un système « tout air-VAV », le débit d’air varie donc entre le minimum hygiénique pour les occupants et le maximum nécessaire pour reprendre toutes les charges du local (soleil, bureautique, personnes,…).

En pratique, le débit varie entre 30 et 100 % du débit nominal. La variation de débit est faite en agissant :

soit sur un volet motorisé,
soit directement sur les bouches de soufflage (conçues pour le débit variable).

Qui dit variation de débit, dit perturbation de la pression du réseau…

Si les bouches se ferment, la pression de gaine va augmenter. Toute la distribution de l’air en sera perturbée. Dès lors, on modulera la vitesse des ventilateurs pour maintenir une pression de gaine constante. Et par la même occasion, la consommation des ventilateurs en sera diminuée (voir aussi « la gestion de la ventilation à la demande« ).

Si la température est constante (16° par exemple), comment chauffer en hiver ?

Si l’installation doit aussi chauffer les locaux en hiver, le problème se complique !

On rencontre alors les variantes :

– monogaine
- – avec chauffage par radiateurs indépendants
- – avec chauffage par batterie terminale
– double gaine (une d’air froid et une d’air chaud)

Quel intérêt majeur par rapport aux systèmes à débit constant ?

Lorsque l’on sait que le coût du transport de l’air représente de 20 à 40 % du coût d’exploitation, le débit d’air variable se justifie certainement.

Encore faut-il que la réduction du débit d’air dans les locaux entraîne effectivement la réduction de la consommation du(es) ventilateur(s) ! Ainsi, certains systèmes créent un by-pass dans le faux plafond : lorsque le débit pulsé diminue, l’air non utilisé est renvoyé en centrale…

Une installation VAV est particulièrement bien placée pour une utilisation optimale des énergies gratuites :

En hiver, de l’air frais extérieur peut alimenter 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.

Remarque : pour diminuer les sections de gaine, il est possible de distribuer l’air sous haute pression, à des vitesses variant entre 5 et 15 m/s.

Domaine d’application

Dans sa version simple (modulation du débit sans visée thermique si ce n’est pas le free cooling), une installation VAV peut s’appliquer à un grand nombre de situation : il s’agit ni plus ni moins d’un réseau de ventilation mécanique avec une capacité de moduler les débits local (ou groupe de local) par local. L’encombrement est limité puisque basé sur le débit hygiénique éventuellement légèrement majoré (+50 à +100%). Seul l’investissement dans les clapets de réglage et le système de gestion et d’optimisation est un frein.

Si par contre le VAV est la base d’un système de climatisation tout air, on rencontre les limites propre à cette approche du refroidissement : les gaines sont dimensionnées pour pouvoir refroidir tout le bâtiment avec de l’air. Un tel système de climatisation par l’air est encombrant et coûteux. Il ne justifie que lorsqu’une alimentation en air hygiénique importante est nécessaire, donc une présence nombreuse d’occupants. Si de plus cette présence est variable dans le temps, si les charges thermiques sont variables, il sera opportun de pouvoir moduler le débit : c’est l’objet du VAV.

On rencontre tout particulièrement cette application thermique du VAV dans les grands bureaux paysagers, ou dans les larges plateformes avec locaux de réunion, salles de conférences au centre du bâtiment : un apport d’air neuf est nécessaire en permanence. De plus, le refroidissement du centre du bâtiment est nécessaire toute l’année. Du free cooling est alors possible et permet d’éviter d’enclencher les groupes frigorifiques en hiver, voire en mi-saison. Les coûts d’exploitation en seront fortement réduits.

A la limite, c’est le concepteur qui devra organiser la fonction des locaux pour créer des zones thermiquement homogènes.

Les installations VAV « à bypass » (l’air non utilisé est renvoyé en centrale) sont à rejeter puisque le traitement de l’air reste total. On peut juste l’admettre dans le cas d’une grande zone à débit d’air constant (une grande usine) à côté de laquelle sont situés quelques locaux (les bureaux à coté de l’usine). Dans ce cas, un VAV à bypass sur l’alimentation des bureaux est compréhensible.

Différentes variantes technologiques

On distingue différentes variantes technologiques :

Les systèmes VAV mono gaine sans réchauffage terminal

On ne pulse que de l’air froid en été (entre 12 et 18°C) et de l’air chaud en hiver (entre 25 et 40°C). L’air est préparé en centrale et chaque local régule le débit d’air juste nécessaire en fonction de la température souhaitée, avec un débit minimum ajusté au débit d’air hygiénique.

Le plus simple est d’avoir une consigne fixe pour chaque saison et le passage d’une consigne à l’autre est réalisé par un thermostat extérieur : il y a basculement pour une température extérieure de +15°C, par exemple.

Les systèmes VAV mono gaine avec réchauffage terminal

L’idée est de prévoir un circuit d’air froid pour tous les locaux, à débit variable, complété par des batteries de chauffe pour les locaux périphériques.

Trois principes sont possibles :

> 1° soit l’apport de chaleur est réalisé par des corps de chauffe traditionnels (radiateurs, convecteurs).

Généralement, ces corps de chauffe sont placés en périphérie du bâtiment, le long des façades, pour vaincre les déperditions par les parois. Le système VAV assure la ventilation hygiénique toute l’année, refroidit le cœur du bâtiment en hiver et refroidit tout le bâtiment en été.

> 2° soit les batteries de chauffe sont placées en série sur la gaine d’air.

Une régulation spécifique est nécessaire :

Par exemple, si la sonde d’ambiance détecte une température inférieure à 21°C, la vanne de chaud est ouverte à 100 % et le débit d’air est réduit au seuil minimal hygiénique. Lorsque la température intérieure approche de 23°, la vanne chaud se ferme progressivement. Lorsque la température dépasse 23°, la vanne chaud est fermée et le débit d’air frais augmente progressivement jusqu’à atteindre le débit maximal à 24°C. Ici encore, l’insertion d’une zone neutre entre chaud et froid sera énergétiquement préférable.

En pratique, la batterie de chauffe est souvent intégrée dans la boîte de détente. Elle est alimentée en eau chaude, ou remplacée par une résistance électrique.

> 3° soit les batteries sont placées en parallèle par rapport au local :

La régulation est complétée par l’enclenchement du ventilateur d’air recyclé lorsque le chauffage est enclenché :

Chaque batterie chaude voit son débit modulé en fonction du thermostat d’ambiance de la zone qu’elle alimente.

Avantages

Lors de la conception, un grand avantage du système à débit d’air variable est de pouvoir diminuer les dimensions de la centrale de traitement.Comparons les systèmes :
- Avec un système à débit d’air constant, chaque zone sera dimensionnée avec un débit d’air permettant de répondre à la charge frigorifique extrême; dans le caisson de traitement d’air central, on devra traiter (en permanence !) le total des débits maximaux de toutes les zones !
- Par contre, avec le système VAV, on va tenir compte du fait que le soleil tourne autour du bâtiment et que la charge maximale de la zone Ouest survient lorsque la zone Est est à faible demande; la centrale de préparation sera dimensionnée sur base du cumul instantané possible entre toutes les zones,… ce qui est déjà nettement plus raisonnable !
Il en résulte une économie du coût d’investissement (par rapport à un système à débit constant de même puissance).
L’avantage énergétique suit directement : pourquoi pulser en permanence le débit maximal dans chaque zone ? Tout particulièrement en mi-saison, pourquoi pulser un maximum d’air à une température « neutre » (20°C) alors les besoins sont nuls (la température ambiante est dans la zone neutre) ? La force du VAV est de réduire la vitesse du ventilateur à ce moment et de ne pulser que le débit d’air hygiénique. La consommation du ventilateur (proportionnelle au cube du débit d’air pulsé) est fortement réduite.Il en résulte une économie du coût d’exploitation (par rapport à un système à débit constant de même puissance). Le chiffre de 20 % d’économie thermique et électrique (ventilateur) est couramment cité, entre un VAV simple (sans réchauffage terminal) et un système unizone à débit constant.

L’avantage acoustique lui est lié encore : la grande vitesse (et donc les niveaux sonores les plus élevés) est réservée aux charges extrêmes. Ce qui est particulièrement apprécié par les occupants.

Par rapport aux installations de type « air-eau » (ventilo-convecteurs,…), le VAV permet également de réaliser du free cooling des bâtiments en hiver et en mi-saison : l’air extérieur vient directement refroidir le bâtiment, sans participation du groupe frigorifique.

Inconvénients

Le réglage d’un débit d’air est moins aisé que le réglage d’une température. Il semble que sur le terrain la mise au point d’une installation VAV donne parfois quelques cheveux blancs ! Tout particulièrement, le réglage des registres d’air neuf paraît délicat.

Le coût d’installation reste élevé, au moins par rapport à une installation de ventilos-convecteurs.

L’encombrement n’est pas négligeable, comme pour toutes les installations « tout air ». Les gaines dans chaque zone sont dimensionnées pour transporter le débit maximum, correspondant à la charge extrême de l’été…

L’air extérieur gratuit de l’hiver doit être préchauffé dès que sa température devient inférieure à la température de pulsion. Et ce chauffage finit par coûter fort cher. Un recyclage de l’air extrait permet de supprimer ce budget mais n’est pas toujours souhaité pour des raisons hygiéniques. Un récupérateur de chaleur lui est préféré, mais il suppose d’en faire l’investissement.

Posted By : 25 Sep, 2007

Système tout air, à débit constant, double gaine

Dans les années 70, pour gérer les particularités locales on a développé un réseau « tout air » double conduit (un d’air chaud et un d’air froid), avec boîte de mélange à l’entrée des locaux : quel coût d’investissement et quel gaspillage énergétique (on « détruit » l’énergie produite lors du mélange) !

Il s’agit donc là d’une technique qui n’est plus guère rencontrée aujourd’hui.

Ce système était utilisé lorsqu’un débit d’air élevé et constant est souhaité, que les besoins des locaux sont extrêmement variables d’une zone à l’autre (on ne souhaite pas la même température par exemple), et que le système doit répondre avec une très grande rapidité aux variations de charges (on n’est pas soumis au même ensoleillement par exemple).

En pratique, il a été peu utilisé dans les bureaux (l’inertie des bureaux ne demande généralement pas une grande souplesse), parfois en secteur hospitalier, plus souvent dans le secteur industriel avec exigences élevées de régulation. On a aussi pu le trouver dans des bâtiments spécifiques tels que des complexes de cinéma.

Principe de fonctionnement

Le système de conditionnement d’air « tout air, à débit constant, double gaine » est un système où deux niveaux de température d’air sont préparés en centrale, puis distribués par deux gaines distinctes vers le/les locaux. On l’appelle également « dual duct ».

En pratique, un caisson central assure un premier niveau de préparation de l’air (par exemple jusque 16°), puis une batterie de post-chauffe et une de refroidissement préparent de l’air chaud et de l’air froid, distribués dans deux gaines différentes. Des boîtes de mélange sont prévues à l’entrée de chaque local, ou zone de locaux ayant des besoins similaires. Chaque registre de mélange est piloté par un thermostat d’ambiance. Ce mélange est destructeur d’énergie. Les réseaux double gaine doivent donc être évités dans une approche URE.
En voici un exemple :

Ce système constitue une branche de la grande famille du conditionnement d’air « tout air » :

– débit constant

monogaine
- unizone
  - basse pression
  - haute pression (avec boîte de détente)
- multizone
  - basse pression
  - haute pression (avec boîte de détente)
double gaine multizone (avec boîte de mélange)
- basse pression
- haute pression (avec boîte de détente)

– débit variable

avec chauffage par radiateurs indépendants
avec chauffage par batterie à eau chaude

Comme on le voit, il existe de nombreuses variantes !

Expliquons chacun des termes :

> « tout air »

L’air est le fluide caloporteur de chaleur, de froid, ou d’humidité. Ainsi :

si en hiver le local présente des déperditions, l’air sera pulsé à 28°C, par exemple,
si en été, le local subit des apports solaires, l’air sera pulsé à 16°C,
si, dans la salle de cinéma, le film très suggestif provoque beaucoup de dégagement de vapeur de la part des spectateurs, l’air sera pulsé très sec !

> « débit constant »

Le débit est fixé par le ventilateur (qui ne dispose que d’une seule vitesse de rotation).

La régulation est réalisée par action sur la température et le taux d’humidité de l’air pulsé.

> « double gaine »

Les pièces climatisées sont alimentées par deux gaines, par exemple une gaine d’air chaud à 35°C, et une gaine d’air froid à 16°C.

> « multi-zones »

Le système « double gaine » est forcément multi-zones : on crée plusieurs zones dans le bâtiment, chaque zone pouvant recevoir un air traité spécifiquement en fonction de ses besoins.

Remarque : une zone peut comprendre plusieurs locaux.

> « basse ou haute pression »

On parle de basse pression du ventilateur :

si pression < 800 Pa, ou 80 mmCE
si vitesse dans les gaines < 7 m/s

On parle de réseau haute pression si la vitesse dans les conduits atteint de 12 à 16 m/s

Détails technologiques du traitement de l’air

L’air est d’abord pré-traité en centrale : mélange éventuel de l’air neuf et de l’air repris, filtration, préchauffage éventuel de l’air (notamment pour éviter tout risque de gel de la batterie froide) et pulsion dans deux caissons.

Un caisson est équipé d’un échangeur de postchauffe et si nécessaire d’un système d’humidification (généralement un humidificateur à vapeur) : c’est le préparateur du réseau chaud.

Un deuxième caisson est équipé d’une batterie froide, assurant éventuellement la déshumidification : c’est le préparateur du réseau froid.

Le chauffage de l’air est assuré

soit par batterie électrique,
soit par batterie d’eau chaude préparée en chaufferie.

Le refroidissement de l’air est assuré

soit par l’évaporateur d’un groupe frigorifique (système à détente directe),
soit par de l’eau glacée préparée par un groupe de production frigorifique.

Les parois des caissons sont à double enveloppe en tôle d’acier galvanisé ou peint. Un isolant acoustique et thermique de 25 mm d’épaisseur minimale est fixé entre les deux tôles.

À l’entrée de chaque local, ou de chaque zone de locaux, les deux flux d’air sont mélangés dans une « boîte de mélange » terminale. Le débit total est donc constant, c’est la proportion d’air chaud et d’air froid qui varie.

Variantes technologiques

Réseau sous haute pression

Pour réduire les sections, on augmente la vitesse de l’air dans les gaines. Les pertes de charge augmentent et obligent à travailler à haute pression au ventilateur. Des dispositifs de détente sont alors associées aux boîtes de mélange.

La pression du ventilateur est généralement > 1 000 PA, ou 100 mmCE et la vitesse dans les gaines > 10 m/s.

A débit égal, doubler la vitesse de l’air dans les gaines (par rapport au système basse pression) permet de diminuer par deux la section nécessaire. Mais les frottements de l’air sur les parois des gainages sont proportionnels au carré de la vitesse. Et donc le ventilateur doit vaincre des pertes de charges beaucoup plus élevées, pouvant à la limite atteindre 2 000 PA Aussi, actuellement, pour des raisons d’économie d’énergie (et de bruit), on ne dépasse plus 15 m/s, ce qui génère des pressions de ventilateur de 500 à 1 500 PA.

Après passage dans une boîte de détente, l’air est diffusé par les bouches de soufflage.

Les boîtes de détente sont généralement des boîtes insonorisées, comportant un organe déprimogène (tôle perforée par exemple). Un régulateur maintient le débit à valeur constante.

À ces pressions, des précautions sérieuses sont à prendre en matière acoustique, notamment au niveau des appareils terminaux (amortisseur de bruit).

Recyclage partiel

En vue de diminuer les coûts d’exploitation, l’air extrait peut être recyclé partiellement. On part de l’idée que l’on ne peut faire du froid et du chaud en même temps et que donc un des 2 échangeurs est à l’arrêt.

Dès lors, en été la batterie froide refroidit et la batterie chaude est à l’arrêt. Dans le réseau chaud circule de l’air mélangé entre l’air recyclé et l’air extérieur (chaud).

En hiver, seule la batterie chaude fonctionne. Et dans le réseau froid circule de l’air mélangé entre l’air recyclé et l’air extérieur (froid).

Et en mi-saison ? Que faire lorsque des locaux ont des demandes différentes ? Astuce : les deux batteries fonctionnent mais la batterie de chaud est alimentée par l’eau de condensation du groupe frigorifique qui produit l’eau glacée !

Récupération de la chaleur sur l’air extrait

Pour récupérer l’énergie contenue dans l’air extrait tout en évitant généralement tout risque de contamination, l’air sortant croise l’air neuf entrant dans un échangeur de chaleur.

Et toute combinaison des variantes précédentes …

Il est bien entendu possible de combiner les différentes variantes reprises ci-dessus.

Avantages

Possibilité d’adapter individuellement les ambiances suivant les locaux,
rapidité de la réponse du système à la demande des locaux,
possibilité d’utilisation d’air extérieur pour le refroidissement gratuit (free cooling),
contrôle de l’humidité relative en centrale et de l’empoussièrement.

Inconvénients

Le débit d’air est constant. Or il est dimensionné pour la situation extrême, généralement celle de l’été, en période de canicule avec un soleil de plomb ! Conclusions : de tels débits entraînent une consommation élevée des ventilateurs et, dans certains cas, de l’inconfort … toute l’année !

La consommation élevée du ventilateur devient très élevée dans le cas des installations haute pression.

L’encombrement de la centrale, des caissons de préparation terminaux et du double réseau de gaines (gros débits, section importante des conduites d’air neuf, d’air pulsé et d’air extrait).

Exemple.

Une salle de spectacles est maintenue à 20°C. De l’air chaud est pulsé à 30°C. Les déperditions du local sont de 20 kWatts. Quelle sera la section de la conduite nécessaire ?

La capacité calorifique de l’air étant de 0,34 Wh/m³.K, le débit est donné par :

débit = puissance / 0,34 x DT° (en m³/h).

Ici, débit = 20 000 / 0,34 x 10 = 5 882 m³/h = 1,63 m³/s

Sur base d’une vitesse de 8 m/s, la section devient 1,63 / 8 = 0,2 m², soit une section de 40 cm x 50 cm, ou une conduite circulaire de 0,5 m de diamètre !

La même puissance est transportée par de l’eau dans une tuyauterie de 1,75 cm de diamètre ! (vitesse : 1 m/s)

C’est pour limiter cet encombrement que l’on a recours à une conception de réseau de gaines sous haute pression. L’encombrement est plus limité mais reste toujours plus élevé que pour le système mixte eau + air, par exemple.

Intégration obligatoire dès la conception du bâtiment.

Coût d’exploitation très important :
- Risque de « casser » de l’énergie : le réseau de froid prépare l’air à une température correspondant aux besoins du local le plus demandeur (le local informatique, exposé au Sud, par exemple !). Dès lors, tous les autres locaux devront mélanger cet air froid avec de l’air du réseau chaud…! Une régulation centrale doit piloter le tout « intelligemment », et profiter de l’air extérieur lorsque sa température peut être valorisée, sans quoi les coûts d’exploitation sont catastrophiques ! (à noter qu’un tel système qui ferait du chaud et du froid simultanément est interdit en France, sauf si le fluide chauffant est de récupération, par exemple sur le condenseur de la machine frigorifique).
- Il n’est pas possible de moduler le débit d’air neuf en fonction de la présence ou non d’occupants dans chacune des zones.
- Des fuites d’un réseau vers l’autre apparaissent toujours dans la boîte de mélange où de 3 à 10 % du débit total est perdu malgré la fermeture du clapet.
- Les batteries électriques sont peu coûteuses à l’investissement mais très onéreuses à l’usage, à l’opposé des batteries d’eau chaude qui sont coûteuses à l’investissement (deux tubes).
- Le recyclage de l’air paraît aléatoire, puisque l’air extrait sera issu d’un mélange, sauf en plein hiver et en plein été… Une étude de rentabilité s’impose !

Si la vitesse de déplacement de l’air est augmentée pour diminuer les sections, le niveau de bruit sera nettement plus élevé et demandera un traitement acoustique sérieux.

Nécessité d’équipements de plus grande solidité pour résister aux pressions, si variante en haute pression.

Enfin, et ce n’est pas négligeable, le coût d’investissement de départ est très élevé !

Très honnêtement, avec de tels inconvénients, y a-t-il encore intérêt à avoir un système avec traitement centralisé ?

Posted By : 25 Sep, 2007

Système tout air, à débit constant, mono-gaine

Principe de fonctionnement

Le système de conditionnement d’air « tout air, à débit constant, mono-gaine » est un système où l’air est préparé (chauffé, refroidi, humidifié,…) en centrale dans un caisson de traitement d’air, puis envoyé par un réseau de gaines vers le/les locaux.

En voici un exemple, appliqué à une zone :

Il constitue une branche de la grande famille du conditionnement d’air « tout air » :

– débit constant

monogaine
- unizone
- multizone
double gaine multizone (avec boîte de mélange)
- basse pression
- haute pression (avec boîte de détente)

– débit variable

avec chauffage par radiateurs indépendants
avec chauffage par batterie à eau chaude

Comme on le voit, il existe de nombreuses variantes !

Expliquons chacun des termes :

> « tout air » :

L’air est le fluide caloporteur de chaleur, de froid, ou d’humidité.
Par exemple :

si en hiver le local présente des déperditions, l’air pourra être pulsé à 28°C,
mais si en été, le local subit des apports solaires, l’air pourra être pulsé à 16°C,
et si, dans la salle de cinéma, le film très suggestif provoque beaucoup de dégagement de vapeur de la part des spectateurs, l’air sera pulsé très sec !