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Isolants synthétiques

Les mousses synthétiques

La mousse de polyuréthanne (PUR)

Il s’agit de panneaux à base de mousse expansée de polyuréthanne.

Le polyuréthanne se caractérise par un pouvoir isolant élevé. Il résiste cependant mal à la chaleur, au feu et au rayonnement ultra-violet.

Les panneaux de polyuréthanne destinés aux toitures plates auront une densité volumique (ρ) au moins égale à 30 kg/m³. Ces panneaux sont surfacés d’un revêtement synthétique ou d’un voile de verre bitumé sur les deux faces, destinés à faciliter les liaisons avec les couches inférieures et supérieures.

La mousse de polyisocyanurate (PIR)

Il s’agit de panneaux à base de mousse expansée de polyisocyanurate.

Le polyisocyanurate se caractérise par un meilleur comportement au feu que le polyuréthane mais ses propriétés mécaniques sont plus faibles.

Les panneaux de polyisocyanurate destinés aux toitures plates sont surfacés d’un revêtement synthétique ou d’un voile de verre bitumé sur les deux faces, destinés à faciliter les liaisons avec les couches inférieures et supérieures.

La mousse de polystyrène expansé (EPS et EPS-SE)

Il s’agit de panneaux à base de mousse expansée de polystyrène.

Le polystyrène expansé se caractérise par un retrait de naissance important. Il ne peut être exposé longtemps à une température supérieure à 70°C. Il résiste mal au feu. Il existe cependant des panneaux dont le comportement au feu est meilleur (qualité SE).

Les panneaux en polystyrène expansé destinés aux toitures plates sont recouverts sur les deux faces d’un voile de verre bitumé avec recouvrement au droit des joints.

La mousse de polystyrène extrudé (XPS)

Il s’agit de panneaux à base de mousse extrudée de polystyrène.

Le polystyrène extrudé se caractérise par une structure cellulaire fermée et une surface d’extrusion qui empêchent l’absorption d’humidité. Son coefficient de dilatation thermique est très élevé. Il résiste mal au feu et à une exposition prolongée à une température supérieure à 75°C.

La mousse phénolique (PF)

Il s’agit de panneaux à base de mousse résolique à structure cellulaire fermée.

La mousse phénolique se caractérise par un bon comportement au feu et un pouvoir isolant très élevé.

Autres caractéristiques des mousses synthétiques

Les mousses synthétiques sont étanches à l’eau, faiblement perméables à la vapeur d’eau et très faiblement perméable à l’air.

Les isolants sous vide

Faisant partie de la toute nouvelle génération d’isolant, les isolants sous vide séduisent notamment par leurs performances thermiques impressionnantes, mais aussi par leur faible épaisseur.

Qu’est-ce qu’un isolant sous vide ?

Matériau très récent dans les pratiques de l’isolation en construction neuve ou en rénovation, l’isolant sous vide est également connu sous le nom de PIV (Panneau Isolant sous Vide).

Un isolant sous vide est généralement constitué d’une nano-poudre de silice emballée dans un film étanche et mis sous vide. Il faut préciser que ce type d’isolant est conçu pour être utilisé sur une surface plane. Selon les fabricants, ce type d’isolant est particulièrement recommandé pour l’isolation du sol, des toitures plates, ainsi que les terrasses et balcons.

Les avantages de l’isolant sous vide

Sa faible conductivité thermique

La première caractéristique que l’on connaît et qui distingue l’isolant sous vide des autres types d’isolants c’est bien sa performance en terme d’isolation grâce à sa faible conductivité thermique dont la valeur se trouve entre 0,0052 et 0,0070 W/m.K. Si on compare avec les isolants plus traditionnels comme la laine minérale (entre 0,031 et 0,045 W/m.K) ou le Polyuréthane (entre 0,022 et 0,028 W/m.K), l’isolant sous vide a une conductivité thermique 6 fois plus basse que la laine de roche et 4 fois plus basse que le Polyuréthane.

Sa faible épaisseur

Les isolants sous vide permettent également de gagner de l’espace par rapport aux isolants classiques. Comme sa conductivité thermique est faible, il suffit d’une faible épaisseur pour que l’isolation réponde aux exigences actuelles en matière de performance thermique.

Les inconvénients de l’isolation sous vide

Les isolants sous vide sont des matériaux très récents sur le marché. Il ne suffit pas juste de les adopter, il faut aussi savoir les poser et les utiliser pour qu’ils puissent être le plus efficaces possible.

Sa fragilité

Les panneaux d’isolants sous vide sont non seulement des matériaux récents, mais leur usage est encore en quelque sorte en phase expérimentale. L’installation de ce type d’isolant est actuellement plus complexe qu’une pose d’un isolant classique. La raison est sa fragilité qui requiert d’être particulièrement prudent lors de la pose. Cet isolant ne peut être troué, percé ou découpé, contrairement aux autres isolants rigides comme le polyuréthane ou le polystyrène expansé ou extrudé.

Son coût

Ces matériaux sont encore produits en petite quantité par rapport aux isolants classiques. Qui plus est, la conception du panneau d’isolant sous vide est assez technique. Dès lors, le coût de tels matériaux s’avère actuellement être très élevé.

Les isolants minces réfléchissants

Présents sur le marché belge depuis plusieurs années, les produits minces réfléchissants sont sujets à controverse. Certains fabricants annoncent des performances thermiques équivalentes à celles d’isolants traditionnels d’épaisseur élevée, qui seraient atteintes grâce à l’effet réfléchissant des couches superficielles, voire même parfois internes au produit mince. Les performances réelles sont-elles celles annoncées ? Nous reprenons in extenso, le rapport du CSTC qui a fait le point sur la question.

1. Description et principe

Un produit mince réfléchissant (PMR), également dénommé isolant mince réfléchissant, thermoréflecteur ou multiréflecteur, est constitué, dans sa partie centrale, d’une mince couche de matériau (mousse plastique, film de polyéthylène emprisonnant des bulles d’air ou une matière fibreuse) recouverte sur une ou deux faces de feuilles réfléchissantes (feuilles d’aluminium ou films aluminisés). Certains produits sont de types multicouches, les couches précitées étant séparées par des feuilles réfléchissantes intermédiaires. L’épaisseur totale est généralement comprise entre 5 et 30 mm.

Vu son épaisseur, un PMR possède une résistance thermique intrinsèque faible. Pour pouvoir bénéficier de l’effet réfléchissant (basse émissivité) des couches superficielles, le produit doit être placé en vis-à-vis d’une, ou mieux, de deux lames d’air non ventilées. La basse émissivité des couches superficielles a pour effet de réduire le transfert de chaleur par rayonnement thermique et d’augmenter ainsi la résistance thermique de la ou des lames d’air; pour être efficaces, ces dernières ne peuvent toutefois pas être ventilées.

Les PMR sont principalement utilisés en rénovation pour l’isolation thermique des toitures, des planchers et plafonds, des murs, des portes de garage, etc.

2. L’étude menée au CSTC

Soucieux d’apporter une réponse scientifique aux demandes répétées du secteur, le CSTC, en collaboration avec la Région wallonne, le SPF « Économie », les universités de Liège et de Louvain-La-Neuve ainsi que certains fabricants de PMR, a engagé une campagne de mesures – récemment achevée – sur plusieurs produits minces réfléchissants ainsi que sur un isolant traditionnel témoin afin de déterminer leurs performances thermiques en période hivernale.

La méthodologie suivie, établie sur la confrontation d’essais réalisés en laboratoire, mais aussi dans des conditions extérieures réelles, a porté sur des produits scrupuleusement mis en œuvre dans l’état de leur fourniture, c’est-à-dire dans des conditions optimales (pas d’essai de vieillissement envisagé).

La valeur mesurée de la résistance thermique intrinsèque d’un PMR varie, selon les produits, de 0,2 à 0,6 m²K/W, celle de l’émissivité des couches superficielles de 0,05 à 0,20.

Posés de façon optimale, entre deux lames d’air non ventilé de 2 cm d’épaisseur, les produits présentent, suivant leur type et le sens du flux thermique les traversant, une résistance thermique totale (résistance thermique intrinsèque du PMR et résistance thermique des deux lames d’air) mesurée entre 1,0 et 1,7 m²K/W. Le tableau 1 illustre les résultats d’un essai consistant à mesurer simultanément, en conditions extérieures réelles, les performances thermiques de différents composants, à savoir :

composant n° 1 : PMR 1 associé à deux lames d’air non ventilées de 2 cm d’épaisseur.
Composant n° 2 : PMR 2 associé à deux lames d’air non ventilées de 2 cm d’épaisseur.
Composant n° 3 : PMR 1 associé à deux lames d’air non ventilées de 1 cm d’épaisseur.
Composant n° 4 : isolant traditionnel en laine minérale de 10 cm d’épaisseur.
Composant n° 5 : isolant traditionnel en laine minérale de 20 cm d’épaisseur.

COMPOSANT		N°1	N°2	N°3	N°4	N°5
Résistance thermique [m²K/W]	Valeur mesurée	1,72	1,73	1,43	3,12	6,34
Résistance thermique [m²K/W]	Valeur calculée	1,63	1,49	1,29	3,11	6,21
Tableau 1 : Résistance thermique mesurée en conditions extérieures réelles et calculée selon la norme NBN EN ISO 6946.

Les performances thermiques obtenues sont sensiblement moins optimistes que celles avancées par certains fabricants. Même posés de façon optimale, les PMR associés à deux lames d’air non ventilées de 2 cm d’épaisseur peuvent prétendre, tout au plus, égaler une isolation en laine minérale de 4 à 6 cm d’épaisseur. En présence d’une seule lame d’air non ventilée ou d’une lame d’air d’épaisseur inférieure à 2 cm, les performances sont encore réduites.

Les valeurs mesurées de la résistance thermique ont été comparées à des valeurs déterminées selon la méthode de calcul de la résistance thermique des composants du bâtiment proposée dans la norme belge NBN EN ISO 6946 (qui sera intégrée à la nouvelle version de la norme NBN B 62-002 en préparation). Le cas d’une lame d’air délimitée par une surface réfléchissante (à basse émissivité) y est traité. L’écart moyen entre les valeurs de résistance thermique calculées selon la norme et les valeurs mesurées au cours de cette étude, de l’ordre de 0,1 m²K/W, est inférieur à 6 %, les intervalles de fiabilité de la mesure et du calcul se chevauchant.

Le rapport complet de cette étude sera prochainement disponible sur le site Internet du CSTC.

3. Mise en œuvre

Quoique nous n’ayons pas pu vérifier les performances des PMR dans des réalisations pratiques autres que celles retenues lors des essais, nous avons essayé d’examiner les répercussions que l’intégration de ces produits pourrait avoir sur le comportement des parois et ce, à la lumière des résultats de la recherche et de nos connaissances dans le domaine de l’hygrothermie. Dans cet article, seule l’application du PMR en toiture sera développée.

3.1 Règlements thermiques régionaux

Dans les différentes Régions du pays, les valeurs U (coefficients de transmission thermique calculés sur la base de la norme NBN B 62-002) des parois (ou parties de paroi) nouvellement construites ou rénovées appartenant à la surface de déperdition calorifique du bâtiment ne peuvent dépasser certaines valeurs limites.

Pour les toitures, par exemple, la valeur Umax à considérer est de 0,4 W/m²K en Région wallonne et bruxelloise (et prochainement également en Région flamande).

3.2 Les PMR selon diverses configurations

Appliqué en toiture sous les chevrons ou sur ceux-ci – en y associant, dans ce dernier cas, une fonction de sous-toiture –, le PMR ne sera pleinement exploité que s’il peut être placé en vis-à-vis d’une, ou mieux, de deux lames d’air non ventilées d’une épaisseur au moins égale à 2 cm.

Selon la norme belge NBN EN ISO 6946 définissant la méthode de calcul à adopter pour déterminer la résistance thermique d’une paroi, une lame d’air horizontale peut être considérée respectivement comme non ventilée ou faiblement ventilée lorsque la surface totale des fuites d’air vers l’extérieur n’excède pas 500 mm² (ex. fente de 0,5 mm sur une longueur de 1 m) ou 1500 mm² par m² de surface.

De telles exigences sont particulièrement difficiles à garantir, en particulier lorsque le PMR est appliqué sur les chevrons et qu’il remplit le rôle de sous-toiture. Posés perpendiculairement aux chevrons, les lés ne pourront être collés correctement entre eux que sous réserve de disposer d’un support continu sur lequel le produit est susceptible de s’appuyer. Les raccords en pied de versant, au faîte ainsi qu’au droit des rives seront également autant de détails dont l’étanchéité à l’air devra être particulièrement soignée. Si les recommandations précitées sont respectées, il convient en outre de veiller aux performances d’étanchéité à l’air et à la vapeur d’eau du côté intérieur du complexe toiture afin d’éviter tout risque de condensation interne, considérant que la perméabilité à la vapeur d’un PMR posé de cette manière, est très faible (µd supérieur ou égal à 50 m selon certains fabricants; cf. Infofiche n° 12).

Coupe

PMR posé sur les chevrons.

Couverture + PMR + lame d’air faiblement ventilée + finition intérieure.

Application

PMR comme sous-toiture :

1 lame d’air fortement ventilée au-dessus du PMR
1 lame d’air faiblement ventilée sous le PMR

Valeur U : 1,66 W/m²K

Commentaires

Étanchéité à l’air à assurer simultanément au niveau du PMR et de la finition intérieure.
Difficulté de garantir une lame d’air, même faiblement ventilée, entre les chevrons compte tenu notamment des nombreuses fuites d’air inévitables aux raccords.
Risque de condensation interne à la sous-face du PMR dans le cas d’un climat intérieur relativement humide (classes de climat III et IV).

Coupe

PMR posé sous les chevrons.

Couverture + sous-toiture éventuelle + lame d’air faiblement ou fortement ventilée + PMR + lame d’air de 2 cm, non ventilée ou faiblement ventilée + finition intérieure.

Application

Avec sous-toiture :

1 lame d’air faiblement ventilée au-dessus du PMR
1 lame d’air non ventilée (a) ou faiblement ventilée (b) sous le PMR

Valeur U : 0,63 W/m²K (a)
1,66 W/m²K (b)

Avec ou sans sous-toiture :

1 lame d’air fortement ventilée au-dessus du PMR
1 lame d’air non ventilée (a) ou faiblement ventilée (b) sous le PMR

Valeur U : 0,73 W/m²K (a)
1,66 W/m²K (b)

Commentaires

Étanchéité à l’air à assurer simultanément au niveau du PMR et de la finition intérieure. La réalisation étanche des raccords du PMR posé du côté intérieur et des autres détails peut se faire avec davantage de soin.
Difficulté de garantir une lame d’air faiblement ventilée entre les chevrons. La situation envisageant une ventilation de la lame d’air au-dessus du PMR est plus représentative d’une situation réelle, même en présence d’une sous-toiture.
Risque de condensation interne dans le cas d’un climat intérieur relativement humide (classes III et IV).

3.2.1 Le PMR comme seule isolation thermique d’un versant de toiture

Le tableau 2 résume différentes configurations possibles lorsque le PMR est utilisé comme seul isolant. Sa résistance thermique intrinsèque ainsi que l’émissivité de ses couches superficielles ont été choisies volontairement sur la base des meilleurs résultats obtenus lors de la campagne de mesures (e = 0,05 – RPMR = 0,6 m²K/W).

Selon la norme NBN EN ISO 6946, lorsque la résistance thermique totale des couches situées entre la lame d’air faiblement ventilée et l’ambiance extérieure est supérieure à 0,15 m²K/W, il y a lieu de plafonner cette valeur à 0,15 m²K/W.

Les valeurs U indiquées au tableau 2 ont été déterminées en partie courante de l’ouvrage. Elles se situent entre 1,66 et 0,63 W/m²K, selon que le PMR est en présence d’une ou deux lames d’air et que ces dernières sont ventilées, faiblement ventilées ou non ventilées.

Nous constatons que l’usage du PMR comme seul isolant thermique ne permet pas de satisfaire aux exigences des réglementations thermiques en vigueur dans les trois Régions du pays.

3.2.2 Le PMR comme complément d’une isolation thermique traditionnelle

Disposé en complément d’une isolation traditionnelle, le PMR permet d’augmenter la résistance thermique d’une paroi existante, surtout s’il est associé à une ou deux lames d’air non ventilées. Dans les configurations proposées au tableau 3, le PMR est appliqué selon ce principe, en tenant compte des réserves formulées ci-avant et en considérant une épaisseur de 6 cm d’isolant traditionnel de conductivité thermique non certifiée égale 0,045 W/mK (ex. laine minérale, polystyrène expansé, …).

Le PMR associé à une, voire deux lames d’air non ventilées confère une résistance thermique complémentaire (par rapport à celle du matériau isolant traditionnel) comprise entre 0,6 et 1,5 m²K/W. S’il est posé du côté intérieur avec soin (en veillant à l’étanchéité des raccords), il peut être intéressant de lui adjoindre une fonction d’étanchéité à l’air et à la vapeur. Sa résistance élevée à la diffusion de vapeur, présentée comme un atout dans ce cas, le pénalise toutefois lorsqu’il est utilisé comme sous-toiture. Il est par conséquent nettement moins recommandable dans cette dernière configuration.

Coupe

PMR posé sur les chevrons.

Couverture + PMR + isolant traditionnel + pare-vapeur + finition intérieure.

Application

PMR comme sous toiture : aucune lame d’air non ventilée ou faiblement ventilée Valeur U : 0,44 W/m²K.

Commentaires

Étanchéité à l’air à assurer au niveau du complexe toiture.
Absence de lame d’air entre le PMR et l’isolant traditionnel disposé entre les chevrons (pour limiter le risque de convection). La résistance thermique apportée par le PMR se limite à celle du PMR seul (sans lames d’air).
Risque de condensation sous le PMR compte tenu de sa faible perméabilité à la vapeur. Performances d’étanchéité à l’air et à la vapeur élevées à garantir du coté chaud, ce qui peut nécessiter un support continu pour la pose du pare-vapeur (cf. Infofiche n° 12).

Coupe

PMR posé sous les chevrons.

Couverture + sous toiture + isolant traditionnel (sans pare-vapeur) + lame d’air non ventilée + PMR + lame d’air non ventilée + finition intérieure.

Application

Le PMR fait office de pare-vapeur :

1 lame d’air non ventilée au-dessus du PMR
1 lame d’air non ventilée sous le PMR

Valeur U : 0,32 W/m²K

Commentaires

Étanchéité à l’air et à la vapeur à assurer au niveau du PMR et étanchéité à l’air à assurer au niveau de la finition intérieure. Soin à accorder à l’étanchéité des raccords et autres détails.
Configuration optimisant l’usage du PMR.

Tableau 3 : Configurations possibles pour les PMR utilisés en complément d’un isolant traditionnel.

4. Conclusions

Même posé de façon optimale, un PMR associé à deux lames d’air non ventilées de 2 cm d’épaisseur (soit une épaisseur totale de ≈ 5 à 6 cm) peut tout au plus prétendre égaler une isolation traditionnelle (laine minérale, polystyrène expansé, …) d’épaisseur équivalente, soit 4 à 6 cm. Lorsque les lames d’air sont ventilées, même faiblement, les performances sont encore réduites. Or, l’étanchéité à l’air est souvent très difficile à garantir en pratique, surtout si le PMR est posé sur les chevrons. De manière générale, notons que la plupart des toitures traditionnelles sont aujourd’hui conçues en évitant d’y intégrer des lames d’air pouvant favoriser les échanges convectifs.

Posés de manière correcte en complément d’un isolant traditionnel, ils peuvent contribuer à améliorer la performance thermique totale de l’ouvrage, mais ne peuvent à eux seuls satisfaire aux exigences réglementaires. Le cas échéant, leur faible perméabilité intrinsèque à la vapeur d’eau les prédispose naturellement à être utilisés comme pare-vapeur et non comme sous-toiture.

Une évaluation complète des performances thermiques de ce type de produit requiert une étude de la pérennité des propriétés thermiques et en particulier de l’émissivité de la couche superficielle du produit, sujette au vieillissement (salissure, oxydation).

Rappelons enfin qu’à l’inverse de la plupart des isolants traditionnels, les PMR ne disposent pas, à ce jour, d’agrément technique en Belgique.

N’hésitez pas également à consulter notre page consacrée aux isolants biosourcés.

Posted By : 25 Sep, 2007

Gestion de la ventilation à la demande

Principe général

Un capteur évalue les besoins réels en ventilation, en fonction de l’occupation. Les débits d’air neuf sont alors adaptés en conséquence.

La variation de débit s’effectue principalement en agissant sur des registres local par local ou en modifiant la vitesse du ventilateur.

Ventilation d’un local indépendant (système unizone)

Le système de ventilation mécanique dessert soit un seul local (salle de conférence, salle de sport, …) soit une série de locaux de mode d’occupation tout à fait homogène (école dont toutes les classes sont occupées simultanément, ventilation simple flux avec extraction sanitaire commune à plusieurs locaux, …).

Dans ce cas, un détecteur de présence, une horloge, une sonde de qualité d’air commande directement le (simple flux) ou les (double flux) ventilateurs.

L’élément capteur (sonde CO₂, sonde COV, détecteur de présence,…) dispose d’un signal binaire ON-OFF ou d’un signal de sortie analogique 0-10 V ou 4-20 mA. Il attaque le moteur du ventilateur, soit par un commutateur à étages (petite/grande vitesse), soit par un réglage analogique de la vitesse (variation de fréquence, variation de tension, pales réglables, aubes directrices réglables, variation de glissement,…).

Gestion d’un système unizone double flux.

Gestion d’un système unizone simple flux.

Ventilation de plusieurs locaux (système multizone)

Le système de ventilation mécanique dessert plusieurs locaux (bureaux, classes, chambre d’hôpital, …) dont le mode d’occupation n’est pas homogène, soit par un système simple flux (une extraction dans chaque local), soit par un système double flux (une pulsion dans chaque local).

Dans ce cas, la gestion individuelle des locaux en fonction d’une grandeur représentative doit se faire au niveau soit des bouches d’extraction (simple flux), soit des bouches de pulsion (double flux).

Les bouches peuvent intégrer directement l’élément capteur (détection de présence, comptage, …) ou un capteur séparé peut agir sur un volet motorisé.

Bouche avec détecteur de présence intégré.

Circuits simples avec locaux alimentés en série

Prenons l’exemple d’une pulsion mécanique dans chaque local (le principe est semblable dans le cas d’une extraction dans chaque local).

Un détecteur de présence, une horloge, une sonde de qualité d’air gère l’ouverture de chaque bouche, via des registres motorisés séparés ou intégrés. L’objectif semble atteint : le débit d’air est modulé en fonction l’occupation.

Malheureusement,… une bouche qui se ferme influence toujours le débit de sa voisine : lorsqu’une bouche se ferme, la pression va augmenter au niveau des bouches encore ouvertes, augmentant leur débit et la production de bruit.

Répartition des débits lorsque toutes les bouches sont ouvertes.

Répartition des débits lorsqu’une des bouches
se ferme sous l’influence d’un détecteur de présence.

Il faut donc s’arranger pour réguler la pression dans le circuit de distribution en fonction de la fermeture des différentes bouches.

Exemple

Un ventilateur alimente 4 bureaux en série sur le même réseau de distribution. Il pulse 60 m³/h d’air neuf dans chaque bureau. Une pression de 50 Pa est nécessaire pour garantir ce débit au niveau de la dernière bouche. Pour cela, étant donné les pertes de charge du réseau, une pression de 150 PA est nécessaire à la sortie du ventilateur.

Solution 1

La première solution consiste à maintenir une pression constante à la sortie du ventilateur (150 PA) :

Soit, avec un ventilateur centrifuge avec aubes à réaction, en faisant varier la vitesse du ventilateur en fonction d’une prise de pression.
Soit en utilisant un ventilateur à courbe caractéristique plate, c’est-à-dire un ventilateur centrifuge avec aubes à action.

Voici qualitativement comment va évoluer la pression au niveau des différentes bouches lorsqu’une des bouches se ferme (par exemple le n° 2 ou la n° 4) :

On constate que malgré la régulation de pression, la pression, donc le débit va augmenter au niveau de chaque bouche ouverte.

Quelle que soit la méthode de maintien de la pression à la sortie du ventilateur, l’économie réalisée sur la consommation du ventilateur est proportionnelle à la diminution du débit au niveau du ventilateur.

Solution 2

La deuxième solution consiste à maintenir une pression constante à la fin du circuit de distribution (50 PA), en faisant varier la vitesse du ventilateur (aubes à action et à réaction).

Voici qualitativement comment va évoluer la pression au niveau des différentes bouches lorsqu’une des bouches (par exemple le n°2 ou la n°4) :

On constate que malgré la régulation de pression, la pression, donc le débit va, la plupart du temps, diminuer au niveau de chaque bouche ouverte.

La pression à fournir par le ventilateur va également diminuer. Il en résulte une économie électrique plus importante que dans la première solution puisque la consommation du ventilateur est proportionnelle au produit (pression à la sortie du ventilateur x débit), la pression restant fixe dans la première solution.

Conclusion

On en conclut que dans les deux solutions, les pressions au droit des bouches restées ouvertes sont modifiées, donc leur débit aussi : augmentation dans le cas du maintien de pression en début de circuit (donc « surventilation ») et diminution dans le cas du maintien de pression en fin de circuit (donc « sousventilation »). Ce dernier cas est d’ailleurs le plus favorable au niveau de la consommation électrique du ventilateur puisque le terme (pression x débit) est minimum au niveau de ce dernier.

Quelle est alors la bonne solution ?

Proposition 1 : que l’on place la pression constante en début de circuit (par un ventilateur à caractéristique horizontale ou par variation de vitesse) ou en fin de circuit (par variation de vitesse) on doit équiper toutes les bouches d’un système avec débit autoréglable. Ces éléments maintiennent un débit constant, malgré la variation de pression dans le circuit. Ceci est valable pour peu que le circuit de distribution ne soit pas trop long et que les bouches soient commandées en tout ou rien (uniquement en ventilation hygiénique). En effet, dans le cas de trop grands circuits, les variations de pression au niveau des bouches risquent d’être telles que l’on sorte de la plage de débit constant de la bouche et dans le cas de bouches modulantes (système de climatisation VAV), l’élément autorégulant essayera de compenser la modification d’ouverture des bouches.

Les éléments autoréglables maintiennent un débit constant quelle que soit la pression dans le circuit : lorsque la pression augmente, la membrane se gonfle, empêchant l’augmentation de débit et vice versa.

Proposition 2 : on fait varier la vitesse du ventilateur avec maintien de la pression au 2/3 du réseau pour atténuer la diminution de pression au niveau des bouches en amont de ce point et l’augmentation de pression en aval et pour conserver une économie électrique par diminution de la pression du ventilateur.

Circuits ramifiés

Les conclusions précédentes sont valables pour les circuits alimentant en série les bouches de distribution. Si le ventilateur alimente un circuit avec plusieurs branches en parallèle, il n’est plus possible de commander sa vitesse en fonction de la pression en bout de circuit, puisqu’il est impossible de choisir la branche sur laquelle on peut se placer. Dans ce cas, la seule solution est de maintenir une pression constante à la sortie du ventilateur :

Soit en faisant varier la vitesse du ventilateur (aubes à réaction) en fonction d’une prise de pression.
Soit en utilisant un ventilateur à courbe caractéristique plate (aubes à action).

Comme dans le cas de bouches en série, toutes les bouches doivent être équipées d’un élément autoréglable. Pour les réseaux importants, des éléments autoréglables sont également placés au début de chaque branche de circuit.

Modulation des débits

Lorsque les débits des différents locaux sont régulés non plus en tout ou rien, mais en modulation (barrière de comptage, sonde CO₂, …), il n’est plus possible d’utiliser les éléments autoréglables. En effet, si une bouche se ferme partiellement, l’élément autoréglable va modifier automatiquement son ouverture pour rétablir le débit d’origine.

Bouche avec comptage de mouvement intégré.

Il faut dès lors équiper soit toutes les bouches, soit au minimum les différentes branches d’un régulateur de pression motorisé (clapet avec prise de pression), ce qui est une solution coûteuse.

Combinaison pulsion – extraction

Pour pouvoir gérer individuellement la ventilation de chaque local, il faut pouvoir stabiliser la pression dans la gaine de pulsion quel que soit le degré d’ouverture des bouches. Dans la gaine de pulsion comme dans la gaine de reprise, car le débit d’extraction doit suivre le débit de pulsion !

Par exemple, le ventilateur de soufflage est commandé par la pression résultante dans la gaine de soufflage. Le ventilateur d’extraction est régulé, lui, selon le débit total introduit dans les locaux. Sa consigne est donnée par le débit soufflé moins une constante. Ainsi les locaux sont toujours en légère surpression.

La technologie utilisée est similaire à celle des systèmes de climatisation à débit variable.

Différents capteurs possibles

On distingue principalement

les horloges, pour programmer les temps de fonctionnement (si horaire stable et taux d’occupation constante),
les contacts de portes (ou les serrures électriques de portes),
les contacts de fenêtres,
les contacts de lumière, avec temporisation (WC, douches,…),
les délesteurs de charge, pour limiter la pointe quart-horaire,
les détecteurs de CO, pour les parkings de voiture,
les détecteurs de CO₂, sensible à la présence de gaz carbonique, et donc des personnes,
les détecteurs de COV (Composés Organiques Volatiles), encore appelés sondes de mélange de gaz, ou sonde de qualité d’air, sensibles aux odeurs les plus diverses, et donc à la fumée de cigarette,
les détecteurs de présence infrarouge, sensibles à la chaleur dégagée par les occupants,
les compteurs de passage placés aux portes d’accès des locaux (tourniquet, …),
les compteurs de mouvement par détection infrarouge,
les sondes d’humidité, si le besoin d’air neuf est requis pour évacuer l’humidité (buanderie, piscine,cuisines,…),
…

Il est possible de combiner les systèmes : un bouton poussoir pour l’enclenchement (démarche volontaire) et une détection de présence pour le déclenchement (oubli…), …

L’essentiel est de trouver l’indicateur du besoin de ventilation ! Ainsi, dans les salles de cinéma modernes, l’encodage de la vente de billets informe le public du nombre de places restantes et … module la vitesse de rotation du ventilateur de chaque salle.

Posted By : 25 Sep, 2007

Régulation d’un débit d’air variable dans un conduit

Principe

Le principe de base est de moduler le débit d’air en fonction des besoins.

La régulation locale du débit d’air pulsé

On peut adapter le débit par réglage de clapets : un servomoteur commande la position d’un clapet en fonction des besoins du local. Ce clapet est inséré dans une boîte de détente tapissée d’absorbants acoustiques pour réduire le niveau de bruit. L’air est ensuite réparti vers le local via des diffuseurs.

Il est également possible de faire varier le débit en agissant directement au niveau des diffuseurs. Le clapet est cette fois intégré dans le diffuseur. C’est la gaine de pulsion qui joue le rôle de plenum de distribution. Ici aussi, des absorbants acoustiques sont intégrés dans les parois des diffuseurs.

Malheureusement, la pression n’est pas tout à fait stable dans le réseau, et à une position donnée du clapet ne correspond pas toujours une même valeur de la vitesse de l’air dans la bouche. Aussi, selon les fabricants, divers systèmes complémentaires sont utilisés pour s’assurer de l’adéquation du débit aux besoins. Voici deux exemples :

Des soufflets, sensibles à la pression existante dans la conduite, seront automatiquement « gonflés » ou « déprimés » pour stabiliser le débit.
Un capteur de pression dynamique sera inséré; puisque celle-ci est proportionnelle au carré de la vitesse, la vitesse réelle du fluide sera connue. Un actionneur pourra modifier la position du siège du clapet et la consigne de débit sera ajustée.

La régulation globale de la pression dans le conduit d’air pulsé

Lorsque plusieurs clapets se ferment, la pression monte dans le réseau. Les clapets encore ouverts sont perturbés dans leur régulation et de plus, ont tendance à augmenter leur niveau de bruit lors du passage de l’air.

Un capteur de pression sera dès lors placé sur la gaine et une régulation du ventilateur sera organisée en vue de pulser le débit juste nécessaire et de maintenir une pression constante dans le réseau.

La régulation locale du débit d’air repris

Si le débit d’air pulsé évolue, il faut que le débit d’air repris évolue conjointement. Il faudra agir localement sur le débit des bouches de reprise, puis globalement sur le débit du ventilateur de reprise.

Trois régulations sont possibles :

> soit le régulateur de température ambiante envoie le même signal au clapet de reprise qu’au clapet de pulsion,

> soit la sonde de débit d’air pulsé envoie son information vers le régulateur du clapet de reprise,

> soit enfin, on ajoute un capteur de pression dans le local pour réguler directement la surpression ou la dépression existante dans le local.

Cette dernière solution sera d’application lorsque l’on souhaitera maintenir volontairement la surpression ou la dépression d’un local (salle d’opération, salle blanche,…).

La régulation globale de la pression dans le conduit d’air repris

Trois solutions sont possibles :

> soit les commandes des ventilateurs de pulsion et de reprise sont synchronisées (le variateur de vitesse agit sur les deux moteurs simultanément). Mais ce système impose que les ventilateurs aient des caractéristiques aérauliques semblables. Or, les deux réseaux sont différents. Des écarts de débit apparaissent et les locaux risquent de ne plus être maintenus en surpression…

> soit ce sont les pressions des deux réseaux qui sont comparés et le ventilateur de reprise est régulé de façon à maintenir en permanence une différence de pression donnée.

> soit enfin, ce sont les débits qui sont comparés entre pulsion et reprise et la régulation se fait en fonction d’un débit différentiel constant.

Dans les installations qui sont supervisées par une GTC (Gestion Technique Centralisée), le bus de communication peut signaler la position ou le débit réel de chaque boîte de détente. Le régulateur central somme alors ces débits pour définir le débit total des groupes de pulsion et d’extraction.

Emplacement des capteurs de pression

La difficulté consiste à trouver un emplacement pour le capteur de pression qui soit fidèle de l’évolution dans l’ensemble de la gaine.

La pression évolue dans la gaine : elle est maximale à la sortie du ventilateur et diminue au fur et à mesure que l’air avance dans le conduit, suite aux pertes de charge (pertes de frottement le long des parois).

Mais en plus, imaginons que plusieurs clapets se ferment : le niveau de pression va globalement remonter dans le conduit (cela peut s’interpréter en disant « puisque l’air ne sait plus sortir, la pression monte » ou « puisque le débit diminue, les pertes de charge diminuent »).

Choisir un emplacement pour le capteur, c’est définir à quel endroit on va imposer le niveau de consigne. Examinons les possibilités en ayant à l’esprit que plus la pression est faible, plus la consommation du ventilateur et le bruit généré seront faibles.

Solution 1 : le capteur est placé à l’extrémité du conduit

La pression en bout de gaine est maintenue en permanence. Si des clapets se ferment, la pression augmente en bout de gaine, le capteur le détecte et commande une diminution de pression au ventilateur.

La pression sera minimale en tout point du réseau. La consommation d’énergie sera minimale. Mais cette situation est instable : si un clapet s’ouvre à proximité du capteur, la pression chute et la réaction du ventilateur, arrivant avec retard (temps mort de l’ensemble de la gaine), sera disproportionnée. L’ensemble se met « à pomper »…

Schéma solution 1. ²²

Solution 2 : le capteur est placé à l’entrée du conduit

Cette fois la pression en sortie du ventilateur est constante quel que soit le débit. C’est une situation stable… mais l’objectif d’économie n’est pas atteint. De plus, la pression montant avec la fermeture des clapets, le niveau sonore est trop élevé;

Schéma solution 2.

Solution 3 : le conduit est placé entre la moitié et les deux tiers du réseau

C’est un compromis généralement rencontré, quitte à ce que le metteur au point de l’installation l’adapte en fonction de son expérience.

Schéma solution 3.

Solution 4 : placer deux sondes de pression

Cette solution, plus chère, est d’application lorsque le réseau est fort étendu. En fait, le premier capteur, placé en sortie du ventilateur (après la zone de turbulence), règle effectivement la pression.

Mais le défaut de montée de pression du réseau lorsque les clapets se ferment est éliminé par l’information donnée par la sonde d’extrémité de réseau. La consigne de pression en sortie de ventilateur va être diminuée afin de satisfaire « tout juste » la demande de fin de réseau.

Schéma solution 4.

Dans le cas d’un long réseau ramifié, c’est le respect de la demande minimale de chacune des sondes d’extrémité qui sera prise en compte pour définir la consigne en sortie de ventilateur.

Posted By : 25 Sep, 2007

Vitrage à haute résistance

Parmi les vitrages à haute résistance, on distingue :

Ces vitrages peuvent être montés en double vitrage avec un verre classique ou présentant des propriétés de réflexion ou d’absorption. Ils peuvent prendre place dans un système équipé d’une couche basse émissivité ou de gaz acoustique.

Le verre trempé

Pour augmenter la résistance du verre à la flexion lors de sollicitations d’origines thermiques et/ou mécaniques, on met ses deux faces en précontrainte sur une fine épaisseur au cours d’un traitement appelé la trempe du verre.

Lorsque le verre est soumis à un effort de flexion, les efforts de traction induits dans une de ses faces vont progressivement compenser la compression présente dans le verre. Ce n’est qu’au-delà de ce stade que la glace risquera de se briser.

Il existe deux types de trempe :

La trempe thermique

La glace est chauffée jusqu’à une température de 700°C et se dilate sous l’action de la chaleur. Elle est ensuite refroidie brusquement par pulsion d’air. De ce fait, la surface refroidit et se fige avant la partie centrale. Lorsque cette dernière se refroidit à son tour, elle tire sur les deux faces qui l’entourent induisant des contraintes de compression permanentes sur une fine épaisseur près de la surface.

Schéma principe trempe thermique.

La trempe chimique

La mise en compression de la surface de la glace se réalise en remplaçant un partie des ions de sodium du verre par de ions de potassium plus volumineux. Ces ions proviennent d’un sel fondu mis en contact avec le verre. Comme l’espace dans lequel ils vont s’introduire est légèrement restreint, leur insertion entre les autres ions va créer des efforts de compression.
L’épaisseur de la zone en compression est plus fine que par le procédé de la trempe thermique, ce qui permet d’appliquer ce procédé à des verres très minces. Ce type de verre n’est pas utilisé dans le bâtiment.

Schéma principe trempe chimique.

Quel que soit le type de trempe, les verres trempés ne peuvent plus être coupés, sciés ou percés après l’opération de trempe.

Caractéristiques physiques

Résistance à la traction (50 N/mm²) cinq fois plus élevée qu’un verre classique (10 N/mm²).
Très bonne résistance aux chocs thermiques : ils peuvent résister à un différentiel de température de 200°C.
Mode de rupture tel qu’il se brise en morceaux très petits aux arêtes émoussées, limitant le risque de blessure.

Illustration caractéristiques physiques verre trempé

La pose

Les verres trempés peuvent être montés en double vitrage avec un vitrage classique. On veillera à poser le verre trempé du coté intérieur de façon à limiter les risques de blessure par de grands éclats vers les personnes présentes dans les locaux.

Caractéristiques énergétiques et lumineuses

Le procédé de trempe ne modifie pas les valeurs du coefficient de transmission thermique U du vitrage.
Par contre, le procédé de trempe peut donner lieu à des dessins colorés dus à des phénomènes d’interférence appelés »fleurs de trempe » modifiant quelque peu l’aspect superficiel et les propriétés de réflexion du vitrage. De plus pour les verres trempés verticalement, les pinces provoquent des déformations appelées »point de trempe ».

Le verre durci

Il s’agit d’un verre qui a subit un traitement thermiques semblables à la trempe thermique mais pour lequel le niveau de contraintes obtenu est inférieur à celui du verre trempé, car le refroidissement a été réalisé de manière plus lente.

Les verres durcis ne peuvent plus être coupés, sciés ou percés après l’opération de durcissement.

Caractéristiques physiques

Une valeur de résistance à la rupture par flexion supérieure à celle du verre recuit mais qui sera précisée au cas par cas par un agrément technique.
Une bonne résistance aux chocs thermiques : ils peuvent résister à un différentiel de température de 100°C.
Un mode de rupture en étoile entraînant des morceaux pouvant provoquer des blessures. Dès lors, les verres durcis ne sont jamais considérés comme des verres de sécurité !

Casse d’un verre durci.

Caractéristiques énergétiques et lumineuses

Le procédé de durcissement ne modifie pas les valeurs du coefficient de transmission thermique U du vitrage.
Par contre, le procédé de durcissement peut donner lieu à des dessins colorés dus à des phénomènes d’interférence modifiant quelque peu l’aspect superficiel et les propriétés de réflexion du vitrage.

Le verre feuilleté

Le verre feuilleté est un assemblage constitué d’au moins deux feuilles de verre, liés intimement sur toute leur surface par un intercalaire.
Celui-ci a pour fonction de coller les feuilles de verre tout en donnant au produit fini des performances supplémentaires. Ces performances peuvent être la limitation du risque de blessure en cas de bris, la protection contre l’effraction, la protection contre les armes à feu et les explosions, la protection contre l’incendie, l’isolation acoustique, la décoration, …

Selon le type de performances recherchées, l’intercalaire peut être :

un film plastique,
une résine

On distingue donc :

Le verre feuilleté avec film plastique en butyral de polyvinyle (PVB) :

Deux feuilles de verre sont liés intimement sur toute leur surface par un film plastique en butyral de polyvinyle (PVB).

Caractéristiques physiques

Sa fonction première est la protection contre l’effraction et la sécurité.

Chaque film a une épaisseur de 0,38 mm. C’est principalement le nombre de films qui détermine le niveau de résistance, et moins l’épaisseur du vitrage.

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.

Ce vitrage apporte également une amélioration au niveau de l’acoustique qui est optimale lorsque le vitrage est composé de deux feuilles de verre et de deux films de PVB de 0,38 mm d’épaisseur chacun.

Mode de rupture

Il est essentiellement utilisé comme verre de sécurité. En effet, en cas de bris, l’adhérence verre-PVB permet aux fragments du vitrage cassé de rester en place (pendant un certain temps au moins ou jusqu’à un niveau de charge déterminé).

A gauche : verre recuit, à droite : verre feuilleté.

La nomenclature

La nomenclature de ces vitrages se fait au moyen de 2 chiffres indiquant l’épaisseur des différentes feuilles de verre en mm, suivis d’un point et d’un chiffre donnant le nombre de films en PVB.

Exemple.

66.2 correspond à deux feuilles de verre de 6 mm séparées par deux films de PVB de 0,38 mm d’épaisseur chacun.

4/12/66.2 correspond à un double vitrage composé d’un vitrage feuilleté 66.2 , d’une lame d’air de 12 mm et d’un verre simple de 4 mm.

La pose

Lors de la pose d’un double vitrage comprenant un verre feuilleté. On veillera à poser le verre feuilleté du coté intérieur de façon à limiter les risques de blessure par éclats vers les personnes présentes dans les locaux.

Les vitrages à intercalaire en résine coulée :

Il s’agit d’une couche de résine de 1,0 à 2,0 mm polymérisée entre deux feuilles de verre.

Caractéristiques physiques

Ces vitrages ont été développés dans le but d’améliorer l’isolation acoustique. La résine ayant un module d’élasticité plus faible que le PVB, elle permet d’obtenir des amortissements plus importants des vibrations sonores. L’épaisseur de la résine influence directement le niveau d’isolation acoustique.

La présence de la résine n’améliore pas leur résistance à la flexion, dès lors 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.

La nomenclature

La nomenclature de ces vitrages se fait au moyen de 2 chiffres indiquant l’épaisseur des différentes feuilles de verre en mm, suivis d’un chiffre donnant l’épaisseur de l’intercalaire en résine coulée (RC).

Exemple.

Un vitrage composé de deux verre de 5 mm et d’une couche de résine coulée de 1,5 mm est dénommé : 55.1,5 RC

Les vitrages à intercalaire en PVB amélioré pour l’acoustique, appelé PVBa :

Le PVBa est un type de film PVB qui a été conçu pour se rapprocher des caractéristiques acoustiques des verres feuilletés avec résine, tout en conservant le niveau de performances de sécurité et de résistance à l’effraction des PVB classiques.

Remarque.
Par rapport à un simple vitrage, l’isolation acoustique d’un verre feuilleté est surtout accrue dans la zone autour de la fréquence critique des feuilles de verres (3 200 Hertz). ce puits d’isolation acoustique est limité par l’amortissement des vibrations apportées par l’intercalaire. Cet effet est plus marqué pour la résine et le PVBa. De plus, dans ces cas, le puits de résonance est décalé vers les hautes fréquences.
L’effet global est perceptible essentiellement pour R_w + C, moins pour R_w + C_tr.

Le verre armé

Fragmentation du verre armé.

Il s’agit d’un verre dans lequel ont été incorporés, au moment de la fabrication, des fils métalliques destinés à retenir les morceaux de verre en cas de bris mais ne participant pas à la résistance mécanique.
La résistance du verre armé est inférieure à celle du verre non armé, car le treillis déforce la résistance intrinsèque du verre.

De plus, étant donné la présence de l’armature, le verre armé ne peut être trempé. Son utilisation en verre feuilleté ou en double vitrage est déconseillée.

Ce type de vitrage est à proscrire comme produit de sécurité évitant les chutes de personnes ou les blessures car sa fragmentation ne répond pas aux exigences en la matière.

Posted By : 25 Sep, 2007

Imprimantes

L’ imprimante laser

Comment fonctionne une imprimante laser ?

Le tambour est uniformément chargé d’électricité statique par un fil électrique placé longitudinalement.
Ligne par ligne, le faisceau laser dessine l’image électrostatique de la page à imprimer. A chaque point frappé par le faisceau, le potentiel électrique des charges statiques s’élève.
La poudre de toner est extraite du réservoir par un cylindre. Attirée par les zones de potentiel électrique supérieur, la poudre recouvre les seules zones à imprimer.
Le papier, lui aussi chargé en électricité statique, attire les particules de toner lorsqu’il est mis en contact avec le tambour.
La feuille est ensuite pressée entre deux cylindres dont l’un au moins est porté à une température supérieure à 150°C. La poudre du toner fond et s’amalgame au papier.

Une technologie semblable est appliquée dans les fax laser et les photocopieurs.

L’ imprimante à jet d’encre

Et les imprimantes à jet d’encre ?

Les cartouches des imprimantes à jet d’encre sont équipées d’une série de buses (la définition de l’imprimante dépend du nombre de buses) qui projettent l’encre sur le papier aux endroits définis par le processeur. Il n’y a donc aucun élément chauffant.

Posted By : 25 Sep, 2007

Climatisation à débit de réfrigérant variable

Principe de fonctionnement

Remarque : nous avons repris la terminologie française DRV (Débit de Réfrigérant Variable) mais ce type d’appareil est aussi appelé « VRV » (Variable Refrigerant Volume) ou « VRF » (Variable Réfrigérant Flow) selon les constructeurs.

Concevoir

Pour en savoir plus sur le choix d’un tel système !

Fonctionnement en froid seul

On connaissait le principe de la « détente directe » (l’évaporateur de la machine frigorifique refroidit directement l’air dans le caisson de traitement d’air). Cette fois, on réalise la détente directe dans chaque local puisque le fluide réfrigérant est transporté jusqu’à l’échangeur du local qui sert d’évaporateur ou de condenseur ! Ce n’est ni l’air ni l’eau qui circule dans les conduits, mais bien du fluide réfrigérant.

À partir d’une unité extérieure, on peut alimenter jusqu’à 64 unités intérieures. Les groupes extérieurs disponibles sur le marché aujourd’hui ont des puissances de froid allant de 12 à 150 kW en version monobloc ou multiblocs pour le raccordement d’un circuit frigorifique indépendant. Ceux-ci peuvent être multipliés, pour autant que la place disponible pour les groupes extérieurs soit suffisante. Mais ce sont des installations qui fonctionneront alors en parallèle (pas d’échange entre circuits raccordés à des unités extérieures différentes). Il est recommandé d’éviter de connecter un nombre très important d’unités intérieures sur un même circuit frigorifique. La norme européenne EN378 impose une limite pratique de 0.44 kg/m³ de quantité de gaz réfrigérant contenue dans le plus petit volume fermé contenant une unité intérieure. Un calcul devra être réalisé par l’installateur ou le bureau d’études pour valider le respect de la norme. De plus, il est préférable de réaliser plusieurs circuits dans un même bâtiment pour limiter les quantités de gaz réfrigérant dans un même circuit et pour limiter les longueurs de tuyauteries et donc les pertes de charge.

Ce type de DRV sera choisi lorsque l’installation vient en complément d’une installation de chauffage existante (rénovation d’un ancien bâtiment). A éviter sous peine de risque de destruction d’énergie.

Fonctionnement réversible (froid ou chaud)

Si certains systèmes sont limités au mode « froid », d’autres sont réversibles : le même échangeur intérieur peut alors servir de condenseur, lorsque le local est en demande de chaleur ! Une telle souplesse est issue d’une régulation électronique sophistiquée, notamment basée sur l’emploi de détendeurs électroniques et d’un bus de communication entre tous les équipements. Mais c’est l’ensemble des échangeurs qui fournissent du froid ou qui fournissent de la chaleur. La permutation du rôle des échangeurs est réalisée dans l’unité extérieure par une vanne d’inversion de cycle à 4 voies.

Les unités intérieures produisent alors toutes en même temps, soit du froid, soit du chaud. Ce système demande que les besoins du bâtiment soient assez homogènes et qu’une plage neutre (plage où la température fluctue sans intervention) de 21 à 25°C par exemple, soit acceptée par chacun. Ce ne sera donc pas un système adéquat pour un immeuble comportant des zones intérieures (à refroidir toute l’année) ou des façades fortement vitrées, orientées est-ouest. Sauf si la zone intérieure du bâtiment est importante, au point qu’un circuit indépendant (avec sa propre unité extérieure) se justifie rien que pour cette zone centrale.

A récupération d’énergie (froid et chaud simultanément)

Encore mieux : certains systèmes assurent simultanément le chaud et le froid dans les locaux. Par exemple, un local de réunion peut être demandeur de froid (la cassette intégrée dans le faux plafond travaille en évaporateur) tandis que le bureau voisin est demandeur de chaleur (la console en allège travaillera en condenseur). Le système va assurer simultanément les deux demandes, avec une consommation énergétique minimale puisque la chaleur extraite d’un côté est valorisée de l’autre côté, avec un COP défiant toute concurrence !

La solution idéale pour satisfaire les besoins en entre-saisons et donc le confort est d’opter pour les systèmes chaud et froid simultané. Le coût est plus important dû aux boitiers de répartition et à la conception des groupes extérieurs, mais c’est LA solution pour éviter les conflits entre demande de chaud et froid et donc les problèmes éventuels de régulation. N’oublions pas qu’en Belgique l’entre-saison représente une période importante.

Modulation de puissance

Suivant les constructeurs, les groupes extérieurs sont munis d’un, deux ou trois compresseurs. La plage de puissance thermique disponible sera fonction de la technologie et du nombre des compresseurs.

Suivant les constructeurs la modulation pourra être totale sur le ou les compresseur(s), ou partielle, dans ce cas un seul compresseur travaille à vitesse variable et le ou les autres est (sont) régulé(s) en « tout ou rien ». À noter qu’au démarrage, seul le compresseur INVERTER travaille et dès que la charge dépasse la limite de puissance de celui-ci, le 2ème (ou 3ème) compresseur « on-off » est enclenché pour reprendre la charge et le compresseur INVERTER recommence à moduler à partir de 0 %. Avec ce type de cascade, le seul compresseur « INVERTER » fonctionne sans arrêt et s’use plus vite que le ou les autre(s).

Les groupes extérieurs munis de plusieurs compresseurs modulants « INVERTER » permutent les démarrages entre eux pour équilibrer les temps de fonctionnement et offre l’avantage d’une plus grande plage de modulation de puissance.

Détails technologiques

Fluide réfrigérant

Ces systèmes sont aujourd’hui disponibles avec le gaz réfrigérant de type R410A. Les différents composants ont alors été dimensionnés pour l’utilisation de ce gaz.

À partir du premier janvier 2022, ce gaz sera interdit dans les équipements de centrales de réfrigération neufs dont la puissance est supérieure ou égale à 40 kW à cause de son potentiel de réchauffement global 2 084,5 fois plus élevé que le CO₂. Il pourrait alors être remplacé par le R32 (constituant actuel du R410A) qui est actuellement à l’étude au Japon. Ce gaz est cependant remis en question en raison de son inflammabilité.

Plus anecdotique, certaines installations de pompes à chaleur fonctionnent au CO₂.

Le cœur du système reste une machine frigorifique et les critères applicables à ce type d’installation restent d’actualité. Par exemple, le carter doit être chauffé durant 48 heures avant le démarrage pour la mise en condition de l’huile.

Unité extérieure

Les unités extérieures sont généralement placées à proximité du bâtiment ou en toiture (pas de local technique spécifique). Ceci permet au condenseur en été d’être facilement refroidi par l’air extérieur et à l’évaporateur en hiver de pouvoir capter facilement la chaleur sans pour autant refroidir un local technique avec le brassage d’air nécessaire.

Les unités extérieures sont modulaires et peuvent être alignées côte à côte en fonction de la puissance nécessaire.

À défaut de place disponible, un local technique sera utilisé et un conduit d’air apportera et évacuera l’air nécessaire pour capter ou rejeter les calories suivant la demande du bâtiment, moyennant une consommation supplémentaire pour vaincre les pertes de charge. Les débits d’air nécessaires étant importants il faut noter qu’en hiver le local peut chuter en température, l’isolation phonique et thermique du local technique sont donc à prévoir et l’évacuation des condensats doit également être bien maîtrisée.

Lors du dégivrage des ailettes, une quantité non négligeable d’eau s’échappe des machines. Il faudra alors prévoir une évacuation adéquate pour éviter l’accumulation d’eau sur la toiture. De plus, en période hivernale des plaques de glace risquent de se former.

Réseau de distribution et dimensionnement des systèmes

Les tuyauteries en cuivre utilisées sont de très faible diamètre. Cela permet un gain de place par rapport aux systèmes traditionnels (à eau ou air) et les pertes calorifiques dues au transport sont faibles. Une isolation des conduites est indispensable. Les tuyauteries de petits diamètres sont vendues pré-isolées, ce qui facilite le montage.

Les dérivations frigorifiques seront exclusivement réalisées avec des raccords de type « Y » fournis par les fabricants qui permettront une parfaite distribution et répartition du fluide réfrigérant dans toutes les unités intérieures. Il y a des conditions de montage à respecter pour garantir la bonne fluidité du réfrigérant et éviter des nuisances sonores en cas de mauvaise alimentation en réfrigérant liquide dans les détendeurs.

Certains fabricants proposent des détendeurs déportés qui évitent toutes nuisances sonores dans les unités intérieures.

Certains fabricants permettent des répartiteurs frigorifiques placés en série ou en parallèle ou en étoile pour réduire les quantités de conduites frigorifiques. Les logiciels de design permettent de vérifier les différentes configurations possibles et les répercussions sur les puissances disponibles en tenant compte des pertes de charge.

La distribution peut être de type bitube en parallèle ou en étoile via un collecteur.

Pour les installations réversibles, un réseau « deux tubes » sera créé. En fonctionnement « froid », un tube transportera le fluide frigorigène liquide et ramènera le fluide à l’état vapeur. En fonctionnement « chaud », le premier tube véhiculera les « gaz chauds » issus du compresseur et ramènera le fluide refroidi et condensé.

Pour les installations avec récupération d’énergie, un réseau « trois tubes » transportera les « gaz chauds » (ou vapeur haute pression), le fluide liquide et la vapeur basse pression. Cette distribution en 3 tubes permet de fournir à tout moment le fluide réfrigérant nécessaire pour garantir les besoins en chaud et en froid. La sélection du mode « chaud » et « froid » est réalisée par un module de répartition munie de vannes, placé à l’entrée de chaque local ou de chaque zone régulés en commun.

Exemple de fonctionnement en chaud/froid simultané.

À titre d’exemple, quelques valeurs et contraintes (c’est variable d’un constructeur à l’autre) :

Une distance maximale de 120 160 m entre l’unité extérieure et l’unité intérieure la plus éloignée (en ce compris les coudes, sur base de 1 coude = 2 1 m équivalant, par exemple).

Une dénivellation verticale entre unité extérieure et intérieure limitée à 50 90 m si l’unité intérieure est au-dessus et 40 si elle est en dessous.

Une dénivellation max de 15 m en moyenne entre unités intérieures, certains fabricants permettent 40 m.

Une somme totale des longueurs de tubes inférieure à 1000 m.

Unités intérieures

L’unité intérieure est parcourue par le fluide frigorigène. Un ventilateur centrifuge ou tangentiel force l’air du local au travers de l’échangeur. Elle peut fonctionner soit en rafraîchissement, soit en chauffage, soit en brassage d’air, soit en déshumidification. Un détendeur électronique règle en permanence le débit de réfrigérant en fonction de la charge intérieure.

Les unités intérieures existent sous plusieurs formes :

Gainage en faux plafond,
Plafonnière encastré ou apparent,
En allège,
En rideau d’air

Traitement de l’air hygiénique

Les systèmes de DRV permettent aujourd’hui la détente/condensation directe dans les batteries froides et chaudes des groupes de ventilation.

Certains constructeurs proposent des mini centrales de traitement d’air double flux de maximum 1500 m³/h connectables sur un DRV. Ces mini centrales sont pour la plupart du temps équipées d’un système d’échangeur à plaques, batterie chaude ou froide et d’un humidificateur.

Autres applications

Outre le chauffage et le refroidissement direct à l’intérieur du bâtiment, le système DRV peut être équipé de module de production d’eau froide, d’eau chaude haute ou basse température, avec ou sans possibilité de connexion de collecteurs solaires thermiques, avec comme application :

La production d’eau chaude sanitaire,
Le chauffage/refroidissement par radiateur ou par dalle active,
L’alimentation de batterie de groupe de ventilation.

Notons que cette dernière application peut également être obtenue par condensation/évaporation directe dans les batteries.

Certains fabricants de DRV proposent des unités de traitement d’air double flux avec une batterie à détente directe. Dans ce cas tous les composants HVAC sont compatibles entre eux via le bus de communication, et la totalité du système peut être régulé au départ de la même gestion centralisée.

Boitier de sélection

Pour les DRV trois tubes, les boîtiers de sélection sont connectés en amont par 3 tubes par le groupe extérieur et en aval par 2 tubes à chaque unité intérieure, suivant la demande du local en chaud ou en froid la circulation sera dans un sens ou dans l’autre suivant l’ouverture des vannes de passage.

Plusieurs unités intérieures peuvent être reliées au même boitier de sélection, une d’elles est alors désignée « Maitre » et sera la seule à commander le mode de fonctionnement.

Il n’y a pas de contrainte technique sur l’emplacement de ces boitiers, cependant le bruit qu’ils engendrent peut être dérangeant. Afin d’éviter de désagrément et de faciliter l’accès, certains installateurs les montent sur une structure préfabriquée qui peut alors être placée dans une armoire fermée accessible par le personnel de maintenance.

Régulation

Gestion du système de régulation.

Un tel produit n’a pu être conçu que moyennant l’intégration d’une régulation sophistiquée. Il est utile de savoir que le constructeur propose une GTC (gestion technique centralisée sur ordinateur) de facto, en ce sens que l’on peut définir ou suivre sur ordinateur tous les paramètres de l’installation : température de consigne, température de l’air soufflé, pourcentage d’ouverture de la vanne. Le principe « clef sur porte » de ce système fait que le concepteur, une fois qu’il a choisi entre les 3 configurations de base (chaud ou froid / chaud et froid), adopte la régulation proposée par le constructeur. Les historiques permettent de suivre facilement l’évolution de ces paramètres et de détecter une anomalie.

Il n’est pas étonnant que les Japonais aient été les premiers à mettre ce type de système sur le marché. Chaque composant dispose de son « adresse » spécifique sur le bus de communication et une régulation « intelligente » permet au groupe extérieur d’adapter le mode de fonctionnement et la puissance nécessaire pour satisfaire précisément les demandes ponctuelles de chaque unité intérieure. Le calcul vectoriel est extrêmement rapide et la modulation du compresseur est très précise, certains fabricants réussissent à moduler au 1/10 H

Au niveau de l’utilisateur, une action par télécommande est possible pour régler le confort souhaité. Chaque unité intérieure peut être commandée séparément ou par groupe depuis une télécommande infrarouge ou depuis un écran mural. Laisser à chaque occupant la possibilité d’intervenir sur la température peut devenir problématique, surtout dans des bureaux paysagers. Le confort de l’un n’est pas celui de l’autre. De plus, laisser trop de liberté peut engendrer des abus (température trop élevée en hivers et trop basse en été). Pour ces raisons, la marge de manœuvre de l’occupant est souvent bridée en ne lui offrant la possibilité de choisir la température du local uniquement dans une gamme de quelques degrés ou en limitant le nombre de commandes murales. Celles-ci sont généralement préférées aux télécommandes sans fil pour des raisons de perte ou de changement de piles.

Des gestions centralisées permettent de réaliser les programmations horaires des niveaux de température suivant les occupations et les saisons. C’est un outil très précieux pour optimiser la facture énergétique et éviter les abus et gaspillages occasionnés par une mauvaise manipulation des utilisateurs. Des programmations permettent de régler le système en mode automatique tout en permettant certaines dérogations dans des plages limitées suivant les utilisateurs. Ces gestions centralisées facilitent également la maintenance, de nombreuses fonctions d’autodiagnostics sont intégrées pour aider à détecter l’origine d’une panne éventuelle, et des accès à distance permettent une télésurveillance. Il est possible de programmer une adaptation des consignes (laisser dériver la température de 1° suffit) durant la période critique de la pointe quart-horaire. Automatiquement, le compresseur ne sera pas sollicité à ce moment. Il est possible d’automatiser l’abaissement de consigne à partir de l’information issue de l’automate régulateur de pointe 1/4 horaire.

Des comptabilités énergétiques sont également disponibles pour permettre les éventuelles répartitions de consommation. Il est possible de connaître :

le pourcentage d’ouverture de la vanne dans chaque local
la consommation électrique totale de l’installation (en plaçant un compteur sur le seul câble qui reprend l’ensemble de l’installation, ventilateurs compris).

Par simple « règle de trois », on peut en déduire approximativement la consommation de chaque local (l’ouverture de la vanne ne dit pas exactement quel sera le débit de fluide, mais constitue une première approche) et établir une facture par consommateur.

Des interfaces permettent de dialoguer avec d’autres régulation et de piloter le système au départ de contact extérieur (lecteur de badge, détecteur de mouvement, contact de fenêtre, etc…).

« Froid seul » : les unités intérieures assurent le refroidissement uniquement

La régulation de la température ambiante est assurée

par la régulation de vitesse du ventilateur de l’évaporateur,
par un détendeur électronique qui module le débit de fluide en contrôlant la différence de température entrée-sortie du fluide dans l’évaporateur (similaire au réglage de la surchauffe).

Dans l’unité extérieure se trouve un ou plusieurs compresseur(s) hermétique(s) à vitesse variable (compresseur scroll ou compresseur rotatif), avec une régulation » INVERTER », c.-à-d. à vitesse variable par réglage de la fréquence d’alimentation.

En pratique, une sonde est placée sur la pression d’aspiration du compresseur. Cette pression est maintenue constante par action sur la vitesse du compresseur. Automatiquement, la température d’évaporation est maintenue constante. Ainsi, si la charge thermique du bâtiment augmente, la surchauffe augmente, le détendeur s’ouvre davantage, le débit de fluide réfrigérant augmente et la vitesse du compresseur augmente pour maintenir la pression.

Si la puissance frigorifique est importante, une cascade de deux (ou trois) compresseurs est réalisée. Mais un seul travaille à vitesse variable. Le deuxième est régulé en « tout ou rien ». Au démarrage, seul le compresseur INVERTER travaille. Dès que la charge dépasse la limite de puissance de ce compresseur, le 2ème compresseur est enclenché pour reprendre la charge et le compresseur INVERTER recommence à moduler à partir de 0 %.

Avec ce type de cascade, le compresseur INVERTER fonctionne sans arrêt et s’use plus vite que les autres. Pour éviter cela certaine unités extérieures sont équipés de plusieurs compresseurs INVERTER permanents ainsi un fonctionnement à tour de rôle.

« Froid ou chaud » : les unités intérieures sont réversibles

Dans ce cas, c’est tout le réseau qui travaille soit en froid, soit en chaud. Cette réversibilité est réalisée via une vanne d’inversion de cycle, dans l’unité extérieure. En passant d’un mode à l’autre, on inverse le sens de circulation du fluide dans les conduites. L’échangeur dans le local passe d’évaporateur à condenseur, et vice versa.

Bien sûr, une fois le mode général décidé, chaque local garde sa propre régulation interne : un détendeur électronique compare la température de l’air de reprise par rapport à la la température de consigne et adapte le débit de fluide frigorigène en conséquence.

En mode froid, la température d’entrée de l’évaporateur est égale à la température d’évaporation du fluide; la température de sortie est cette même température augmentée de la surchauffe. Celle-ci est classiquement réglée sur 6…7°. La vanne du détendeur sera donc réglée pour maintenir ces 7 degrés : si la charge thermique augmente, la surchauffe augmente, le détendeur s’ouvre davantage et le débit de fluide augmentera dans l’évaporateur en fonction de la charge.

En mode chaud, le fluide circule en sens inverse. Cette fois, la différence de température mesurée par le régulateur du détendeur électronique va correspondre au sous-refroidissement du condenseur.

Un régulateur électronique gère globalement l’ensemble de la demande et adapte la réponse via un bus de communication qui relie les différents équipements.

En mode chauffage, quand les unités intérieures sont à l’arrêt, un système de contrôle assure qu’il n’y ait pas de condensation de réfrigérant dans les U.I., si cela est la cas, le détenteur s’ouvrira légèrement pour permettre la circulation du fluide.

« Froid et chaud » : les unités intérieures travaillent à la demande, avec récupération d’énergie

Ici, le système permet une production simultanée de froid dans un local et de chaud dans le local voisin. Avec transfert de la chaleur d’un local vers l’autre !

L’idée de base est que 3 conduites sont extraites de l’unité extérieure

une conduite liquide,
une conduite vapeur basse pression,
une conduite vapeur haute pression, càd des « gaz chauds ».

Ces 3 conduites alimentent boitiers de sélection ou modules de répartition (rectangles en pointillé sur le graphe). Ceux-ci sont informés du mode de fonctionnement (chaud ou froid) souhaité, et vont desservir, via un réseau deux tubes, l’unité intérieure soit en gaz chauds HP soit en vapeur BP.

Des autres composants (non représentés) complètent l’installation afin d’empêcher certains sens de passage.

Fonctionnement en « froid seul ».

Fonctionnement en « froid majoritaire » .

Fonctionnement en « équilibré ».

Fonctionnement en « chaud majoritaire ».

Fonctionnement en « chaud seul ».

Remarque : Cette régulation est certainement complexe et pose la question de la maintenance, mais elle dispose d’un avantage : le fait que tous les composants sont compatibles entre eux. Cela facilite la prise de responsabilité lors de problèmes quelconques.

Notons également que la plupart des fabricants offrent une maintenance par télésurveillance qui leur permettent de détecter à distance les anomalies d’une installation.

Nouvelles approches de la régulation

Certains constructeurs ont amélioré l’ajustement en permanence de la température et du volume de réfrigérant en fonction de la puissance totale nécessaire et des conditions météorologiques. Par exemple, à la mi- saison lorsque les besoins de rafraîchissement sont réduits et que la température ambiante est proche du point de consigne, le système règle la température de réfrigérant sur une valeur supérieure de façon à améliorer l’efficacité énergétique. Les technologies de compresseurs et les régulations diffèrent entre chaque fabricant, nous pouvons remarquer depuis quelques années quelques améliorations significatives sur le confort et la performance énergétique de ces systèmes.

Chez certains fabricants, il y a une version de groupe extérieur prévue pour des climats rudes qui stocke de la chaleur dans un matériau à changement de phase, durant la relance hivernale, c’est cette chaleur qui sera utilisée pour le dégivrage évitant ainsi le refroidissement du bâtiment.

L’utilisation de la logique floue (« Fuzzy Logic ») ou de la température glissante pour la régulation du système ouvre également de nouvelles perspectives. Notamment durant les premières semaines d’installation, le système apprend à reconnaître son environnement thermique (auto-adaptation des paramètres). Cela lui permettra de réagir plus rapidement à l’avenir et ainsi offrir un confort plus important pour les utilisateurs. Cependant la compacité des équipements et l’existence même de cette logique floue rendent l’interprétation d’une panne difficile par une personne extérieure. Généralement, la maintenance sera faite par le fabricant, qui dispose de logiciels spécifiques de dépannage (analyse de l’origine d’une panne) et qui remplacera les cartes défectueuses si nécessaires. La maintenance par du personnel interne à l’exploitant sera soit limitée à l’entretien des filtres, soit basée sur l’utilisation des logiciels des fabricants, moyennant une formation appropriée.

Boîtier de répartition (avec l’arrivée des 3 tubes).

Régulation intégrée dans la face avant du boîtier.

Il ne faut pas être rétrograde : les photocopieuses, les appareils photographiques, les voitures,… autant d’équipements qui sont bourrés d’électronique et avec lesquels nous vivons très bien. Une 2 CV se répare sans doute beaucoup plus facilement, mais elle ne se vend plus… confort oblige.
Cette centralisation de l’équipement vendu « clef sur porte » génère une grande clarté au niveau de la responsabilité du fabricant. Il l’a bien compris en agréant les installateurs pouvant installer leur matériel, après formation.

Récupération d’énergie sur boucle d’eau

Un constructeur propose un système avec récupération d’énergie sur boucle d’eau : les condenseurs à air des unités « extérieures » sont remplacés par des condenseurs à eau (à l’intérieur des équipements dénommés PAC sur le schéma parce que ce sont des machines frigorifiques réversibles en pompe à chaleur). Ces unités peuvent alors être installées dans le bâtiment.

L’utilisation d’un tel système permet une double récupération de chaleur :

récupérer la chaleur entre les unités intérieures d’un même groupe frigorifique, comme une installation « froid et chaud » ci-dessus.

récupérer la chaleur une deuxième fois entre les groupes de condensation connectés sur la même boucle d’eau.

Le principe est similaire à celui d’un réseau de pompes à chaleur sur boucle d’eau. La partie frigorifique de ce système reste identique. Les différences se situent au niveau des groupes de condensation, placés à l’intérieur du bâtiment. Ces groupes sont raccordés sur la même boucle d’eau. En cas de déséquilibre entre besoins de chaud et besoin de froid, la température de la boucle d’eau est maintenue constante grâce des équipements traditionnels (réfrigérant atmosphérique, chiller, chaudière, …) ou via une source géothermique. Notons que dans ce dernier, si les besoins en chaud et en froid ne s’équilibrent pas annuellement, il peut être nécessaire d’avoir recours à d’autres technologies pour éviter le dépassement de la capacité thermique du sol ce qui aura pour conséquence l’alourdissement du nombre d’équipements.
Les avantages de ce système à double récupération de chaleur (air/air et air/eau) sont :

possibilité d’installation dans des immeubles de grande hauteur,
possibilité d’installation dans des régions très froides (où la pompe à chaleur aurait du mal à travailler « seule » par grands froids),
possibilité de récupérer la chaleur d’un procédé industriel ou une source de chaleur naturelle,
possibilité de stocker la chaleur excédentaire en cas de refroidissement,
possibilité de récupération de chaleur entre les groupes de condensation,
installation des groupes à l’intérieur (pas de pollution sonore).

C’est un système également à envisager lorsqu’un ancien circuit à eau glacée existe dans le bâtiment et qu’il pourrait être récupéré.

Un stockage de chaleur durant la nuit dans un réservoir tampon et une restitution en période de relance le matin peut permettre un gain financier en profitant du tarif électrique de nuit et en lissant les pointes de puissance toujours coûteuses. A nouveau, c’est l’électronique propre du système qui gère l’ensemble.

Si cette technique est théoriquement réalisable, le volume du réservoir peut vite devenir un obstacle.

Exemple :
Soit un bâtiment de bâtiment de 3 000m². Une relance de 11 W/m² est programmée durant 3 h. Cela représente un besoin de 99 kWh. Supposons une température de stockage d’eau de maximum 40 °C et une température d’extraction minimale de 10 °C. Le volume de réservoir serait alors de 28,4 m³.

Performance attendue

Comme toujours avec le fonctionnement « pompe à chaleur », le rendement en mode « chauffage » se dégrade lorsque la température extérieure décroît. Mais le nombre d’heures en régime « hivernal » étant réduit par rapport au régime « entre saisons » durant lequel les performances sont excellentes, le système permet d’atteindre des rendements saisonniers très intéressants.

Les constructeurs annoncent à charge nominale des EER entre 3,1 à 4,3 et des COP de 3,5 à 4,5. Ces valeurs restent dans la moyenne des machines à refroidissement/réchauffement par air, à près tout c’en est une. Mais où est le bénéfice énergétique alors ? Il se trouve dans le fonctionnement à charge partielle. Certains constructeurs annoncent des performances très attrayantes, par exemple à charge partielle 50% de la puissance nominale un EER de 7.36 (pour 25°c ext) et un COP de 5.52 (pour 9°c ext).

De plus, le bénéfice énergétique sera amélioré avec le système DRV 3 tubes à récupération de chaleur si la récupération d’énergie est possible (chaleur provenant d’un local informatique, transfert de chaleur entre locaux dont les besoins sont forts différents, process industriel nécessitant la production d’eau chaude en été, etc…)

Certains fabricants annoncent des valeurs ESEER (rendement saisonnier) suivant la certification EUROVENT basées sur la formule adaptée pour les groupes d’eau glacée. Suivant cette formule, il y a moyen de définir un rendement approximatif saisonnier qui tient compte de la charge partielle aux différentes conditions de température extérieure et de la pondération que représentent ces conditions pour la saison de refroidissement.

L’impact de la performance à charge réduite devient prépondérant dans ce cas, ce qui représente bien la réalité de fonctionnement sous notre climat tempéré.

Posted By : 25 Sep, 2007

Marmite électrique

La marmite est aussi appelée communément « douche ».

Principe

Une marmite est un matériel analogue à une casserole qui permet de cuire, à grande échelle, les aliments avec de l’huile ou de l’eau.

C’est une cuve cylindrique ou rectangulaire profonde fixe ou basculante, utilisée en cuisine de grandes collectivités (pâtes, potages… ).

Description

Il existe deux systèmes de cuisson : la chauffe directe et la chauffe indirecte.

Marmite électrique à chauffage direct.

Marmite électrique à chauffage indirect.

La chauffe directe

Dans le cas de la chauffe directe, il y a une seule cuve. Des résistances blindées ou des fils résistants sont montés sur céramique et placés à la base de la cuve.

La chauffe indirecte

Dans le cas de la chauffe indirecte ou au bain-marie, il y a une cuve à double paroi.
Il existe quatre systèmes différents :

Des éléments chauffants (thermoplongeurs) sont situés dans la double enveloppe. L’alimentation en eau doit se faire manuellement. Des dépôts de calcaire peuvent se former en raison du renouvellement de l’eau.
Le système est identique au précédent, mais la double enveloppe contient de l’huile en circuit scellé. Ce dernier supprime le besoin de renouveler le fluide. L’utilisation de ce fluide permet un degré de chauffage plus élevé (180°C).
La double paroi est alimentée par de la vapeur en circuit fermé. La vapeur est produite par un générateur séparé. La double paroi est mise sous basse pression. Le tout est alimenté à l’électricité. La réalimentation en eau (qui est rarement nécessaire) se fait de manière automatique.
Le système est identique au précédent, mais l’eau utilisée est anti-corrosive et la double paroi est mise sous haute pression.

Pour les systèmes avec eau ou vapeur, la marmite est équipée d’un des dispositifs de sécurité qui libère la vapeur de la double enveloppe lorsque sa pression est supérieure à la pression normale d’utilisation ainsi qu’un dispositif qui évite les risques de détérioration par manque d’eau (106°C), une alimentation directe en eau et un système d’évacuation pour le nettoyage.

Certaines marmites sont fixes, d’autres basculantes. Le système peut être à basculement manuel (volant à vis sans fin ou levier) ou assisté (hydraulique, électrique ou pneumatique). Les modèles basculants facilitent la vidange : l’eau de cuisson peut s’écouler tandis que les ingrédients solides (légumes, pommes de terre, riz, pâtes, etc.) restent dans la cuve. Par ailleurs, les marmites basculantes sont plus faciles à laver après utilisation.

Les modèles rectangulaires offrent l’avantage qu’on peut y glisser un ou plusieurs gastronormes.

Bon nombre de modèles de marmites que l’on trouve dans les cuisines collectives sont désormais équipées d’un agitateur, à ne pas confondre avec un mixer à potage. L’utilité de cet accessoire se manifeste dans des tas d’applications : réchauffer un volume en intégrant un mouvement lent ou interrompu, effectuer rapidement des mélanges, mélanger dans les deux directions, élaborer une purée de pommes de terre, des desserts chauds et froids. Les mélangeurs présentent un autre avantage : si la marmite est équipée, il permet de refroidir rapidement et dans les délais requis une préparation en utilisant soit l’eau de distribution, soit de l’eau réfrigérée.

Certaines marmites disposent d’un affichage de température mesurant les ingrédients à l’intérieur même de la marmite.

Certains appareils possèdent des couvercles étanches pour des cuissons sous pression 110°C à 0,5 bars.

Commande et régulation

Elles sont réalisées par commutateur, doseur d’énergie ou thermostat.

Actuellement, des programmateurs permettent la programmation des procédés de cuisson les plus courants et répétitifs. Mieux même, certains programmes très élaborés émettent le déroulement automatique de tout le cycle de production : remplissage, cuisson, mélange, refroidissement. (Ce programme peut être enclenché la nuit. Et lorsque le cuisinier arrive dans sa cuisine, la majeure partie du travail a été faite et il ne reste plus qu’à réchauffer). Les températures et temps de cuisson peuvent être enregistrés, ce qui permet la traçabilité recommandée par le « HACCP« .

Certains appareils permettent également un programme de nettoyage de la marmite et des pièces auxiliaires.

Gamme

Capacité de 20 à 300 litres pour la restauration collective.

Puissance moyenne pour 10 litres (prévoir une capacité de 0,5 à 1 litre par portion préparée) :

chauffage direct 1 kW,
chauffage indirect 1,5 kW.

Installation

Prévoir une alimentation d’eau froide et chaude, cette dernière permet de limiter la durée de mise en température. Des caniveaux de 20 cm de profondeur minimum recouverts de grilles de sol et reliés au réseau des eaux usées doivent être installés devant les marmites.

Utilisation

De nombreuses cuissons réalisées autrefois en marmites sont aujourd’hui faites dans les fours à convection forcée et fours combinés air-vapeur ou dans les cuiseurs à vapeur, ce qui limite leur utilisation.

Les marmites à chauffage indirect sont appréciées pour la cuisson des aliments risquant d’attacher (laitages, sautés, purées, cuisson des pâtes, bain marie … ).

A capacité totale égale, il est recommandé d’installer plusieurs appareils pour obtenir plus de souplesse.

Efficacité énergétique

La cuve transfère la chaleur aux aliments. Pour obtenir le meilleur transfert et donc le meilleur rendement, la surface de contact doit être la plus grande possible. C’est pourquoi, il est déconseillé d’avoir des marmites étroites et profondes ou larges et plates.

Posted By : 25 Sep, 2007

Ejecto-convecteurs

Il s’agit là d’une technique qui n’est plus guère utilisée aujourd’hui, mais qui pourrait toujours être rencontrée notamment dans des immeubles de bureaux anciens.

Principe

L’éjecto-convecteur est le frère du ventilo-convecteur !

Comme lui, il suppose deux réseaux distincts

un réseau d’eau pour apporter chaleur et froid au local,
un réseau d’air pour assurer la pulsion minimale d’air neuf hygiénique.

Ces deux apports se combinent astucieusement dans l’éjecto : l’air neuf pulsé à haute vitesse va induire le passage d’air secondaire dans les batteries d’eau chaude et d’eau glacée.

Et c’est là qu’une différence apparaît : le ventilo prévoit que l’air du local qui traverse les batteries soit pulsé par un ventilateur, alors que dans l’éjecto, c’est l’effet d’induction qui sera le moteur. L’air neuf pulsé entraîne de 2 à 5,5 fois son débit d’air ambiant au travers des batteries de chaud et de froid…

Si ce système a eu son heure de gloire dans les années 70 pour la climatisation des grands bureaux, il s’installe rarement aujourd’hui en allège. Par contre, il revient à la mode actuellement sous la forme de poutres froides insérées dans le faux plafond.

Les mauvaises langues disent d’ailleurs qu’avec cette nouvelle mode, on a de la puissance en moins (l’eau glacée ne peut descendre sous les 15°C pour éviter la condensation) et des ennuis en plus (assurer la maintenance d’un équipement au plafond, ce n’est pas évident !)

Aspects technologiques

Préparation de l’air primaire

En centrale, de l’air primaire est préparé. C’est à ce moment que l’on peut agir globalement sur le taux d’humidité de l’ambiance (humidification en hiver et déshumidification en été). Le débit d’air primaire est constant puisqu’il correspond généralement au débit d’air neuf hygiénique calculé sur base du nombre d’occupants prévus dans le bâtiment (30 m³/h/personne).

Le caisson de préparation est équipé d’une filtration de classe 7. À défaut, les buses d’induction se colmatent rapidement (d’où baisse du taux d’induction, augmentation de la vitesse et donc du bruit, …).

Distribution

Traditionnellement, l’air primaire est pulsé par des ventilateurs centrifuges, à grande vitesse (de 15 à 25 m/s) et sous forte pression (de 150 à 500 Pa) jusqu’aux éjecto-convecteurs. Mais d’une part cette haute vitesse génère du bruit et d’autre part les effets d’induction ont été améliorés, si bien que les constructeurs proposent aujourd’hui des éjectos fonctionnant à vitesse normale.

Chaque appareil doit être raccordé au réseau de distribution d’air primaire, contrainte surtout gênante pour un projet de rénovation. Comme généralement les éjectos sont placés en allège, il faut prévoir des trémies verticales (gaines techniques) puis une distribution horizontale des gaines en allège. La présence de clapets coupe-feu dans chaque trémie augmente le coût global. Et l’obligation de l’allège réduit la liberté de l’architecte.

Émission dans les éjecto-convecteurs

Cet air passe dans des buses d’injection. A la sortie de ces injecteurs, une dépression est créée (effet Venturi) et l’air du local est aspiré par induction.

Et là, un choix crucial apparaît : plus la pression de l’air primaire est forte, plus l’induction est forte,… mais aussi plus un bruit de sifflement peut apparaître aux injecteurs ! Il faudra donc limiter le niveau de pression et faire en sorte que l’air secondaire du local n’ait pas à vaincre une trop forte perte de charge ! Les échangeurs seront de grande surface, les ailettes seront espacées,…

Autrement dit, le matériel sera plus encombrant et plus cher que celui des ventilos… !

Généralement, il n’y a pas de filtres sur les éjectos pour réduire la perte de charge. Mais si un filtre est placé sur le passage de l’air induit, son nettoyage fréquent s’impose.

Si la température de l’eau glacée est inférieure au point de rosée de l’ambiance (de l’ordre de 12°C), un réseau d’évacuation des condensats sera prévu.

Ci-contre, on reconnaît la buse d’amenée de l’air neuf, surmonté des batteries d’échanges.

Généralement, l’éjecto est non carrossé et intégré dans le mobilier du local. Le placement d’absorbants acoustiques collés sur les parois internes de ce mobilier sera bien utile.

Les réseaux d’alimentation des échangeurs

Comme pour les ventilo-convecteurs, il existe quatre grandes familles

Les éjectos « 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.
Les éjectos « 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.
Les éjectos« 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. Mais le prix du kWh électrique étant nettement plus élevé que le kWh thermique, les coûts d’exploitation seront importants… Ce système ne se rencontre que rarement dans les éjectos.
Les éjectos à « trois tubes » : deux tubes apportent séparément l’eau chaude et l’eau froide, le troisième assure un retour commun. Ce système est catastrophique au niveau énergétique par suite du mélange eau chaude/eau froide. Il est totalement abandonné aujourd’hui.

La régulation des systèmes à 2 tubes

De l’eau chaude ou de l’eau froide sont, suivant les saisons, préparées en centrale. Il est décidé globalement pour le bâtiment du moment de changer la température d’alimentation du réseau. Mais un besoin de découpage de l’installation en zones homogènes va apparaître si les façades sont diversement exposées.

En été, une seule température d’eau glacée est préparée en centrale; elle alimente le caisson de traitement d’air neuf et la boucle des éjectos. Au besoin, la température de distribution de l’eau glacée pourrait varier en fonction de la température extérieure ou de l’intensité du rayonnement solaire, via une régulation hydraulique. Cela réduit les pertes en ligne et diminue la consommation liée à la chaleur latente contenue dans l’air.

La température de l’air pulsé est généralement basse.

On pourra s’inspirer de la régulation des ventilo-convecteurs à 2 tubes.

La régulation des systèmes à 4 tubes

De l’eau chaude et de l’eau froide sont préparées simultanément en centrale; la température de l’eau chaude peut varier en fonction de la température extérieure. La température de l’eau glacée est généralement fixe au niveau du groupe frigorifique mais au besoin elle pourrait varier en fonction de la température extérieure ou de l’intensité du rayonnement solaire, via une régulation hydraulique. Cela réduit les pertes en ligne et diminue la consommation liée à la chaleur latente contenue dans l’air.

On pourra s’inspirer de la régulation des ventilo-convecteurs à 4 tubes.

Avantages

Les systèmes à éjecto-convecteurs font partie des installations où l’apport d’air neuf (réseau d’air) est séparé de l’apport thermique (réseaux d’eau). Il n’y a dès lors pas lieu de prévoir un recyclage de l’air et donc aucun risque de contamination d’un local vers l’autre.

L’installation est très souple localement, réagit facilement aux variations de charges (surtout si 4 tubes) et permet un contrôle individualisé de la température dans le local.

Les éjecto sont peu bruyants, si l’installation a été correctement dimensionnée par le bureau d’études… et que le client a bien voulu financer la qualité de l’installation : large dimensionnement des échangeurs ! (le bureau d’études fait souvent pour un mieux avec l’argent qu’on veut bien mettre dans l’installation…). À noter qu’il est important de procéder systématiquement au nettoyage des éjecteurs et au contrôle de l’équilibrage du réseau d’air primaire. Un éjecteur sale ou suralimenté en air émet, en effet, un son aigu particulièrement désagréable.

L’absence de ventilateur rend la maintenance très aisée : seul un nettoyage périodique des batteries et des buses est nécessaire.

L’encombrement peut être limité lorsque l’air primaire est acheminé vers les locaux sous haute vitesse, ce qui réduit les sections des gaines.

Inconvénients

La consommation électrique du ventilateur du caisson de préparation est élevée lorsque l’air primaire est distribué sous haute pression (pour assurer l’induction).

Le coût d’installation est élevé : une taille minimale de l’ordre de 100 éjectos est nécessaire pour amortir le coût d’un tel système, ce qui limite l’application aux grands immeubles.

La régulation, qui peut permettre de multiples combinaisons (sur l’air, sur l’eau) peut devenir trop sophistiquée.

Une sensibilité importante à l’équilibrage aéraulique du réseau d’air. De plus, toute ouverture des fenêtres est interdite sous peine de déséquilibrer totalement la distribution de l’air et de là, la distribution de chaleur induite !

La contrainte de devoir raccorder chaque appareil au réseau de distribution d’air primaire est très gênante, surtout pour un projet de rénovation. C’est également un défaut de souplesse en cas de modification du nombre et de la puissance des équipements, si bien que dans une architecture modulaire l’on est parfois obligé de sélectionner un appareil par module (pour prévoir tout déplacement futur de cloisons), solution qui s’avère très coûteuse…

Globalement, l’efficacité énergétique de l’installation est bonne, mais n’est pas optimale car :
- Des pertes apparaissent dans l’éjecto au niveau des batteries, lorsque la régulation est faite par clapets d’air.

- L’air primaire alimente simultanément tous les locaux, même ceux qui sont inoccupés.

- Les débits sont constants et il est donc impossible de réaliser du free cooling sur l’installation, c’est-à-dire de profiter de l’air frais et gratuit extérieur.

Puissance rencontrée

Les éjecto-convecteurs ont une gamme de puissances calorifiques variant de 150 à 1 200 Watts, et des puissances frigorifiques de 120 à 900 Watts.

Le débit d’air primaire aux injecteurs est compris entre 8 et 50 l/s.

Posted By : 25 Sep, 2007

Hydro-éjecteurs

Hydro-éjecteurs (corps en fonte ou en bronze).

Le principe de fonctionnement de l’hydro-éjecteur

Un hydro-éjecteur a la même fonction qu’une vannes 3 voies mélangeuses traditionnelles : mélanger de l’eau de départ chaude avec de l’eau de retour froide pour obtenir la température d’eau voulue au niveau des circuits secondaires.

Comment cela fonctionne-t-il ?

Schéma principe de fonctionnement de l'hydro-éjecteur.

L’eau chaude en provenance du circuit primaire est accélérée en passant dans un orifice calibré et réglable. Cette accélération provoque une dépression qui aspire une partie de l’eau froide de retour. Le débit moteur d’eau chaude transmet une partie de son énergie cinétique au débit aspiré et les deux débits atteignent, à la fin du diffuseur, la même vitesse, garantissant la circulation du mélange créé dans le circuit secondaire.

Ainsi, contrairement aux vannes mélangeuses, les hydro-éjecteurs ne nécessitent pas la présence d’un circulateur secondaire. La force motrice du mélange est fournie entièrement par la pompe primaire.

Le circuit hydraulique associé aux hydro-éjecteurs

L’utilisation d’hydro-éjecteurs en lieu et place de vannes 3 voies mélangeuses traditionnelles implique une modification de la structure du circuit de distribution :

Les circulateurs secondaires disparaissent.
La présence d’un circulateur primaire est obligatoire pour induire une pression suffisante à l’entrée de chaque hydro-éjecteur. Ce circulateur devra par ailleurs avoir une hauteur manométrique plus importante que dans le cas des circuits primaires traditionnels, pour vaincre la résistance des hydro-éjecteurs.
Le collecteur primaire devra être équipé d’une vanne de by-pass motorisée qui permettra dans certains cas de réguler la température de retour vers les chaudières et la pression dans le collecteur.

Circuit traditionnel, par exemple avec circuit en boucle ouverte et circulateur de by-pass pour garantir un débit minimal dans la chaudière.

Circuit avec hydro-éjecteurs.

La régulation associée aux hydro-éjecteurs

Comme dans une installation traditionnelle, la température des circuits secondaires est régulée en fonction de la température extérieure, au moyen des hydro-éjecteurs qui adaptent leur ouverture et leur degré de mélange.

En fonction du degré d’ouverture des hydro-éjecteurs, la pression varie dans le collecteur primaire. Le circulateur du circuit primaire est de préférence à vitesse variable. Il adaptera alors sa vitesse en conséquence. Si le circulateur est à vitesse constante, la pression dans le collecteur sera régulée par la vanne de by-pass motorisée, ce qui est une solution moins intéressante du point de vue énergétique.

Exemple.

Les hydro-éjecteurs (on peut également visualiser le filtre en amont pour protéger l’hydro-éjecteur des boues).

Durant la nuit, l’entièreté de l’installation est à l’arrêt (pompe primaire et chaudière à l’arrêt et hydro-éjecteurs fermés).

A la relance matinale, la chaudière et la pompe s’enclenchent, les hydro-éjecteurs s’ouvrent en grand.

Si la chaudière ne supporte pas une température de retour trop basse, la vanne de by-pass va s’ouvrir, permettant à une partie de l’eau chaude d’être renvoyée vers la chaudière. Cela aura pour autre conséquence de diminuer la différence de pression aux bornes des hydro-éjecteurs et par là, diminuer le débit puisé par les circuits secondaires. La quantité d’eau froide renvoyée par ceux-ci diminuera aussi. L’effet de l’ouverture du by-pass sur la température de retour est ainsi encore accentué.

Vanne de by-pass motorisée et capteur de pression différentielle en bout de collecteur.

On peut aussi, en fonction du type de chaudière, prévoir de maintenir les hydro-éjecteurs fermés un certain temps à l’allumage de la chaudière : la pompe se mettant en marche, la pression augmente dans le collecteur, les capteurs de pressions commandent alors l’ouverture de la vanne de by-pass pour permettre à la chaudière de « tourner sur elle-même » et de se réchauffer rapidement, réduisant ainsi les risques de condensation.

De plus, il est possible, comme pour les vannes 3 voies, de prévoir une ouverture par palliers des hydro-éjecteurs pour éviter qu’un trop grand débit d’eau froide ne « déboule » alors subitement vers la chaudière chaude.

En régime, l’ouverture des hydro-éjecteurs s’adapte pour obtenir la température d’eau définie par les besoins.

Pompes avec variateur de vitesse séparé pour permettre une mesure de la consigne de pression en bout de collecteur et non aux bornes du circulateur.

Le circulateur varie automatiquement sa vitesse pour maintenir une pression constante en bout de collecteur. La vanne de by-pass est en principe en permanence fermée, sauf si la chaudière exige un débit minimal.

Dans ce cas, on applique une régulation en cascade sur base de la pression du collecteur : si la pression augmente (fermeture des hydro-éjecteurs), c’est d’abord le circulateur qui diminue sa vitesse jusqu’à un certain seuil minimal. Si la pression continue malgré tout d’augmenter, c’est alors la vanne de by-pass qui s’ouvre progressivement.

Il est également possible de travailler avec un circulateur à vitesse constante. Dans ce cas, c’est la vanne de by-pass qui assure, à elle seule, la régulation de pression. Cette situation est moins performante car entraîne une consommation constante du circulateur.

Avantages et inconvénients

Les fabricants d’hydro-éjecteurs présentent leur technique comme énergétiquement très performante.
En quoi des économies d’énergie peuvent être ainsi réalisées ?

La première économie provient d’un dimensionnement plus précis de la pompe primaire. En effet pour pouvoir fonctionner correctement, l’hydro-éjecteur doit être choisi en connaissant parfaitement les caractéristiques du réseau hydraulique sur lequel il s’installe. Il en résulte en final un calcul plus précis des pompes et un débit réel mieux adapté aux besoins.
Notons que cet avantage serait inexistant si, comme les règles de l’art le veulent, les installations avec vannes 3 voies faisaient l’objet d’une même attention dans le dimensionnement.
On peut donc dire qu’une installation avec hydro-éjecteurs consommera, en pratique, moins d’électricité, parce qu’elle demande une conception plus rigoureuse (ce qui pourrait être considéré comme une inconvénient par certains concepteurs, notamment en rénovation).

On remplace plusieurs petits circulateurs par une grosse pompe ayant généralement un meilleur rendement. Cependant, la hauteur manométrique de cette pompe doit être importante pour vaincre la résistance hydraulique des hydro-éjecteurs. Le bilan global est donc difficile à établir.
Si on choisit l’option du circulateur à vitesse variable, des économies apparaissent clairement puisque le débit et la puissance électrique globaux de l’installation sont adaptés aux besoins réels.
La diminution du débit parallèle à la fermeture de l’hydro-éjecteur entraîne, pour une même température de départ du circuit secondaire, une diminution de la température de retour, ce qui est favorable aux performances des chaudières à condensation.

Outre les avantages énergétiques décrits ci-dessus, on peut citer les avantages économiques suivants :

diminution des frais d’investissement (moins de pompes, moins de câblage, tableau électrique plus simple),
robustesse du matériel issu de la technologie industrielle,
suppression des traditionnelles soupapes différentielles utilisées en présence de vannes thermostatiques. En effet, la fermeture des vannes thermostatiques entraîne une augmentation des pertes de charge dans le circuit. Les caractéristiques hydrauliques des éjecteurs font alors que le débit de recyclage aspiré diminue. La température de l’eau de départ du circuit secondaire augmente alors au-delà de la consigne et l’hydro-éjecteur réagit en se refermant. Le débit total dans le circuit secondaire se réduit donc automatiquement réduisant du même coup le bruit dans l’installation.

La technique des hydro-éjecteurs ne semble guère présenter d’inconvénient.

La fermeture de l’hydro-éjecteur pour diminuer la température de départ d’un circuit secondaire entraîne en parallèle une diminution de débit (alors que pour une installation avec vannes 3 voies traditionnelles, le débit dans le circuit secondaire est constant quel que soit le degré de fermeture de la vanne mélangeuse).

En cas de réseau déséquilibré, des problèmes d’inconfort risquent d’apparaître dans les locaux défavorisés. Mais cela peut-il être considéré comme un inconvénient par rapport aux vannes 3 voies, si on considère que de toute façon, quelle que soit la technique utilisée, un réseau de distribution doit être équilibré.

Posted By : 25 Sep, 2007

Compresseurs frigorifiques [Climatisation]

Compresseur à pistons

Compresseurs à pistons, construction ouverte

Dans ce groupe de compresseurs, le moteur et le compresseur ne sont pas dans le même logement. L’arbre d’entraînement (vilebrequin) émerge du carter du compresseur. On peut y raccorder un moteur électrique, diesel ou à gaz. L’association se fait soit par un manchon d’accouplement, soit par une courroie.

L’accès à tous les éléments du compresseur est possible.

La puissance est réglée par mise à l’arrêt de certains cylindres ou par changement de régime du moteur d’entraînement.

On utilise les compresseurs de construction ouverte dans les installations d’une puissance de réfrigération jusqu’à 500 kW.

Compresseurs à pistons, construction semi-hermétique
( ou « hermétique accessible »)

Compresseur et moteur d’entraînement sont logés dans un carter commun. L’entraînement est habituellement assuré par un moteur électrique. Il est généralement refroidi par les gaz froids du réfrigérant (gaz aspirés), quelquefois par un ventilateur ou un serpentin d’eau enroulé sur le bâti du moteur.

Pour des réparations, on peut accéder à chaque partie de la machine et même séparer le compresseur du moteur (plaques boulonnées sur le bâti, avec présence de joints intercalaires).

La puissance est réglée par mise hors service de certains cylindres ou par changement de régime du moteur d’entraînement.

On utilise des compresseurs de construction semi-hermétiques dans des installations jusqu’à 100 kW ou, en recourant à plusieurs compresseurs, jusqu’à 400 kW environ.

Compresseurs hermétiques à pistons

Compresseur et moteur électrique sont logés dans une enveloppe soudée. Ils sont généralement supportés par des ressorts pour éviter la transmission des vibrations. Le joint tournant disparaît et avec lui le risque de fuite.

Mais des contraintes nouvelles apparaissent :

Le fluide frigorigène et bien sûr l’huile de lubrification doivent être compatibles avec les matériaux qui composent le moteur.

Le refroidissement du moteur est réalisé par le fluide frigorigène lui-même, or cet échauffement est préjudiciable au cycle frigorifique puisque la température à l’aspiration du compresseur augmente et donc plus élevé au refoulement. De plus, lorsque 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 problèmes, les réparations sont exclues… 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. Dans ce cas aussi, le moteur est refroidi par les gaz aspirés.

En principe, la puissance de réfrigération ne peut pas être réglée, sauf par variation de fréquence du courant d’alimentation.

On installe des compresseurs hermétiques à pistons dans de petits appareils (réfrigérateurs, climatiseurs compacts) ou dans des installations d’une puissance jusqu’à 30 kW environ.

Caractéristiques générales

Le compresseur à pistons a besoin d’être lubrifié en permanence. La partie inférieure du carter forme réserve d’huile. La pression régnant dans le carter est la pression d’aspiration. La pompe à huile délivre une pression supérieure de 0.5 à 4 bars à la pression régnant dans le carter.

Le compresseur à piston est très sensible à l’arrivée de fluide liquide : si quelques gouttes de liquide pénètrent au niveau des soupapes, elles en provoquent une usure lente. Si du fluide liquide pénètre en grande quantité, la destruction des clapets est immédiate. De là, les protections anti-coups de liquide adoptées (ressort puissant sur le chapeau de cylindre, capable de se soulever en cas d’arrivée de liquide).

« L’espace mort » est le volume qui reste entre le piston et le fond du cylindre, lorsque le piston est en position haute maximale. Cet espace est nécessaire pour éviter les chocs lorsque le piston est en bout de course. Il représente 3 à 4 % du volume du cylindre. Il faut le réduire au maximum afin d’augmenter le rendement volumétrique du compresseur.

Compresseur spiro-orbital, dit « scroll »

Le compresseur SCROLL est composé de deux rouleaux identiques en forme de spirale. Le premier est fixe, le second décrit un mouvement circulaire continu sans tourner sur lui même. Les spirales sont déphasées de 180°.

Le mouvement orbital entraîne le déplacement vers le centre des poches de gaz, ce déplacement est accompagné d’une réduction progressive de leur volume jusqu’à disparition totale. C’est ainsi que s’accomplit le cycle de compression du fluide frigorigène.

Photot compresseur spiro-orbital, dit "scroll". Schéma principe compresseur spiro-orbital, dit "scroll".

La réduction du nombre de pièces par rapport à un compresseur à pistons de même puissance est de l’ordre de 60 %. L’unique spirale mobile remplace pistons, bielles, manetons et clapets. Moins de pièces en mouvement, moins de masse en rotation et moins de frottements internes, cela se traduit par un rendement supérieur à celui des compresseurs à pistons.

Cela se traduit par un COP frigorifique de l’ordre de 4,0 en moyenne annuelle alors qu’il se situe aux alentours de 2,5 pour les compresseurs à pistons (information constructeur).

Les variations de couple ne représentent que 30 % de celles d’un compresseur à pistons. Il n’impose donc que de très faibles contraintes au moteur, facteur de fiabilité.

Il reste limité en puissance (autour des 50 kW) mais plusieurs scrolls peuvent être mis en parallèle (jusqu’à 300 kW par exemple).

À noter également sa faible sensibilité aux coups de liquide.
Diverses méthodes de régulation de vitesse sont possibles :

Régulation « tout ou rien ».
Régulation par moteur à 2 vitesses.
Régulation par variateur de vitesse

Attention : en cas de rotation en sens contraire, il n’y a pas de compression et un bruit insolite avertit le technicien !

Compresseur rotatif

C’est un compresseur volumétrique qui retrouve de l’avenir grâce aux nouveaux matériaux composites.

On rencontre deux technologies :

le compresseur rotatif à piston roulant,
le compresseur rotatif à palettes.

Dans les deux cas, un stator cylindrique renferme un rotor excentré par rapport à l’axe du stator. Un volume en forme de croissant est piégé. Du fluide frigorigène y est introduit (aspiration) et la rotation du rotor va comprimer cet espace jusqu’à atteindre la pression souhaitée (refoulement).

Les puissances frigorifiques atteignent 10 kW.

Ils sont essentiellement utilisés pour les climatiseurs individuels et les petits refroidisseurs de liquide.

Le compresseur à vis

Type : machine ouverte ou fermée.
Plage de réglage : de 10 à 100 % avec un rendement assez constant.
Fonctionnement : le fluide frigorigène gazeux est comprimé par une vis hélicoïdale (un peu comme dans un hache-viande) tournant à grande vitesse. Le compresseur est entraîné par un moteur électrique.

On rencontre des compresseurs à vis selon deux technologies : les bi-rotors (type SRM) et les mono-rotors (type ZIMMERN).

Le rendement volumétrique d’un compresseur à vis est bon grâce à l’absence d’espaces morts, comme dans les compresseurs à pistons. Cette propriété permet d’assurer des taux de compression élevés avec un bon rendement volumétrique.

Les compresseurs à vis modernes ont des rotors à profils asymétriques, ce qui est préférable au niveau énergétique.

Les variations de puissance s’obtiennent dans les grosses machines par l’action d’un « tiroir » qui décide de l’utilisation d’une plus ou moins grande longueur de vis dans la compression des gaz, et donc induit un plus ou moins grand taux de compression. Dans les petites machines, toujours très grandes comparées à des compresseurs à piston, la modulation de puissance s’obtient par variation de la vitesse de rotation ou par utilisation de ports d’aspiration auxiliaires, soit par les deux.

Les avantages du compresseur à vis sont sa faible usure et son réglage facile. Il est toutefois encore coûteux.

Le compresseur à vis doit être abondamment lubrifié, pour assurer l’étanchéité entre les pièces en mouvement et pour réduire le niveau sonore, mais aussi pour refroidir le fluide frigorigène : on peut alors atteindre des taux de compression élevés (jusqu’à 20) sans altérer le fluide frigorigène.

Depuis peu, on utilise le compresseur à vis pour des puissances de réfrigération à partir de 20 kW environ.

Turbocompresseur ou compresseur centrifuge

Type : machine ouverte ou fermée.
Plage d’utilisation : les très grosses puissances, au-delà de 1 000 kW. Réservé aux grands centres industriels et commerciaux.
Fonctionnement : une turbine à régime élevé comprime le gaz de réfrigération en transformant l’énergie cinétique centrifuge en pression statique. L’entraînement est assuré par un moteur électrique.

Les circuits de fluide frigorigène et d’huile sont bien séparés. Le fluide reste pur et on ne rencontre pas le problème de l’huile piégée dans l’évaporateur.

Le taux de compression engendré par un compresseur centrifuge à une roue est faible. Aussi, on le rencontre fréquemment en multi-étagé (2 ou 3 étages).

Les turbocompresseurs utilisés en climatisation sont montés et réglés en usine. Ils sont ensuite greffés sur un groupe de production d’eau glacée.

Régulation : on peut facilement adapter la puissance des turbocompresseurs par prérotation du fluide frigorigène à l’entrée de la roue.
Plage de réglage : de 100 à 30 % de la puissance nominale.

Les variations de puissance s’obtiennent par réglage des vantelles à l’ouïe d’aspiration de la turbine.

A faible charge, ils sont cependant plus délicats que les compresseurs à pistons. En effet, par faible débit, un phénomène de pompage apparaît : le débit oscille entre un débit nul et débit maximal, l’écoulement devient pulsatoire et engendre des vibrations qui peuvent endommager le compresseur. Les frais de réparation sont élevés. Les constructeurs prévoient généralement une mesure de sauvegarde de l’appareil par injection de gaz chauds. Ce n’ est certainement pas une technique énergétiquement intéressante puisque la puissance absorbée reste constante.

On évitera donc le surdimensionnement des équipements.

Dans la famille des compresseurs centrifuges, on classe le compresseur turbocor. Du point de vue énergétique, il est apprécié pour son COP élevé à charge partielle, pouvant s’élever à 10 entre 20 % et 60 % de charge.

Pour atteindre ce COP, le compresseur turbocor s’est doté de différentes technologies :

Des paliers magnétiques qui maintiennent en lévitation le rotor du compresseur évitant ainsi les frottements et la lubrification (avec son système de refroidissement).
Une gestion électronique des paliers magnétiques.
Un moteur synchrone à aimant permanent (moteur brushless).
Une régulation à vitesse variable, Inverter.

Bien qu’il travaille à plus faible débit, le turbocor génère moins de bruit (envrion -10db) et présente un encombrement plus faible que les compresseurs à vis.

Posted By : 25 Sep, 2007

Vitrage permettant le contrôle solaire

Remarque.

Le contrôle du facteur solaire a une influence sur la transmission lumineuse d’un vitrage; toutes les combinaisons ne sont pas possibles.

En effet, le rayonnement visible forme la moitié du spectre solaire.

Spectre solaire.

Ainsi, le facteur solaire ne peut être inférieur à la moitié de la transmission lumineuse; cela correspond à la zone supérieure rouge du graphique ci-dessous, qu’il n’est donc pas possible d’atteindre.

La zone verte n’est pas intéressante car elle diminue la quantité de lumière naturelle qui peut entrer dans le bâtiment sans diminuer la quantité de gains solaires.
Et ce n’est que très récemment que les fabricants ont mis sur le marché des vitrages dont la transmission lumineuse atteint le double du facteur solaire.

Le double vitrage à verre clair + verre réfléchissant

Lorsque l’énergie solaire est interceptée par une paroi, une partie est réfléchie vers l’extérieur, une partie est absorbée par les matériaux, une partie est transmise à l’intérieur.

Simple vitrage et double vitrage.

Les facteurs énergétiques :
TE : facteur de transmission directe du vitrage, RE : facteur de réflexion directe, AE : facteur d’absorption directe, FS : facteur solaire de transmission totale d’énergie à travers le vitrage.

Le verre réfléchissant est conçu de façon à augmenter la fraction d’énergie solaire incidente réfléchie et d’en diminuer ainsi la part transmise.

La proportion entre l’énergie émise vers l’extérieur et vers l’intérieur dépend, entre autres, de la vitesse du vent et des températures de l’air extérieur et de l’air intérieur.

La propriété réfléchissante est obtenue par un dépôt d’une ou de plusieurs couches à base d’oxydes métalliques sur le vitrage, le plus souvent sur une seule face du verre et à l’intérieur du double vitrage (en position 2) de façon à réfléchir les rayons lumineux avant qu’ils ne pénètrent dans la couche d’air.

Ces couches peuvent être de plusieurs natures :

Des couches pyrolithiques à base d’oxydes métalliques déposées sur un float ou un verre absorbant, ces couches peuvent être placées en position 1 ou 2.
Des couches sous vide à base d’oxydes métalliques ou de métaux. Ces couches étant plus fragiles, elles sont obligatoirement placées à l’intérieur du double vitrage en position 2.
Des films adhésifs réfléchissants. 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). Cette technique est utilisée en rénovation.

Facteurs énergétiques et lumineux

L’action sélective des métaux nobles utilisés dans les couches réfléchissantes a pour effet :

D’empêcher la chaleur solaire de pénétrer dans le bâtiment par réflexion du rayonnement solaire infrarouge et ultraviolet, non perceptible à l’œil, mais représentant respectivement 43 % et 3 % de l’énergie solaire.
Les vitrages réfléchissants sont caractérisés par un facteur solaire FS variant de 0.10 à 0.63 contre 0.78 à 0.81 pour un verre clair.
De refléter en même temps la lumière, c’est-à-dire le rayonnement visible du spectre solaire, entraînant une transmission lumineuse plus faible que celle des vitrages clairs.
Les vitrages réfléchissants ont un facteur de transmission lumineuse TL compris entre 0.07 et 0.66 contre 0.65 et 0.76 pour un verre clair.
De ne pas modifier coefficient de transmission thermique U, qui est le même, pour un double vitrage réfléchissant, que celui d’un double vitrage classique.

Les fabricants tentent de plus en plus d’obtenir le meilleur compromis entre la part d’énergie réfléchie et la part de lumière transmise.

Exemple : Les figures suivantes illustrent le principe ci-dessus en comparant les courbes de transmission du spectre solaire à travers un vitrage clair, un vitrage réfléchissant gris et un vitrage réfléchissant argenté.

Le vitrage clair

TL = 80 % FS = 76 %

Le vitrage réfléchissant bleu

TL = 48 % FS = 33 % RE = 32 % AE = 38 %

Le vitrage réfléchissant argenté

TL = 43 % FS = 25 % RE = 50 % AE = 28 %

Légende :

				Le rayonnement visible du spectre solaire (la lumière) transmis par le vitrage.
				Le rayonnement solaire infrarouge et ultraviolet, non perceptible à l’oeil, transmis par le vitrage.
				L’énergie solaire totale incidente.

L’efficacité sélective du vitrage réfléchissant argenté permet de laisser passer une grande partie de la lumière (TL = 43 %) tout en stoppant quasi complètement le rayonnement infrarouge (FS = 25 %). Par rapport à un vitrage isolant classique, il laisse passer trois fois moins de chaleur solaire en réduisant la transmission lumineuse de 50 %.
On remarque qu’un vitrage réfléchissant est toujours absorbant (AE) dans une certaine mesure.

Remarque : il existe actuellement des vitrages réfléchissants non colorés dont l’aspect est neutre !

Précautions

Les verres réfléchissants sont, comme les verres absorbants, sujet à la casse thermique. Des précautions sont à prendre pour éviter les surchauffes.
Ces verres peuvent être clairs ou teintés (bronze, gris, argenté, vert, bleu…) conférant au vitrage des propriétés de réflexion énergétiques et lumineuses très diverses.
Ces vitrages réfléchissent toujours 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 n’est plus possible.

Vitrages composés

Le vitrage absorbant et réfléchissant : associe les deux propriétés au sein d’un même vitrage. Une couche d’oxyde métallique est simplement déposée sur un verre absorbant.

Le vitrage basse émissivité et réfléchissant :

Il confère au vitrage un double intérêt :

Réduire l’intensité du rayonnement solaire, grâce à une couche d’oxydes métalliques placée sur la face 2, qui réfléchit l’énergie solaire avant qu’elle ne pénètre dans la couche d’air. Le facteur solaire du vitrage sera fonction de la nature de la couche réfléchissante.
Une couche basse émissivité, placée en face 3, réfléchit le rayonnement de chaleur vers l’intérieur. Ces vitrages auront un coefficient de transmission thermique nettement amélioré.

Certains films dits « à basse émissivité » associent les deux propriétés au sein d’un même film. Leur application permet une diminution des pertes en énergie au travers d’un vitrage pouvant aller jusqu’à 30 %.

Données

Pour connaitre les principales caractéristiques des différents types de vitrages.

Le double vitrage à verre clair + verre absorbant

Lorsque l’énergie solaire est interceptée par une paroi, une partie est réfléchie vers l’extérieur, une partie est absorbée par les matériaux, une partie est transmise à l’intérieur.

Simple vitrage et double vitrage.

Le verre absorbant est conçu de façon à absorber une partie de l’énergie solaire incidente avant de l’émettre vers l’intérieur et l’extérieur sous forme d’infrarouge.

La proportion entre l’énergie émise vers l’extérieur et vers l’intérieur dépend, entre autres, de la vitesse du vent et des températures de l’air extérieur et de l’air intérieur.

Les verres absorbants sont des verres teintés dans la masse (bronze, gris, vert, rose, bleu…) par adjonction d’oxydes métalliques à la composition. Ils sont placés coté extérieur de façon à réémettre vers l’extérieur le rayonnement le plus tôt possible.

Facteurs énergétiques et lumineux

L’action sélective des verres absorbants a pour effet :

De diminuer le facteur solaire FS du vitrage, selon la couleur et l’épaisseur du verre. Celui-ci pourra varier de 0,46 à 0,67; ce qui correspond à une énergie solaire absorbée et réémise vers l’extérieur variant de 54 % à 33 %. À titre de comparaison, le facteur solaire varie de 0,78 à 0,81 pour un verre clair.
De diminuer le coefficient de transmission lumineuse TL. Celui-ci est compris entre 0,36 et 0,65 contre 0,65 et 0,76 dans le cas d’un double vitrage classique.
De ne pas modifier le coefficient de transmission thermique U, qui est le même que celui d’un double vitrage classique.

Ces vitrages offrent une large gamme de coloris conférant aux vitrages des propriétés d’absorption très diverses. On constate que les vitrages de couleur bleu claire ou verte, ont un coefficient de transmission lumineuse plus élevé que les vitrages teintés traditionnels de couleur bronze ou grise mais un facteur solaire moins élevé que ces derniers.

Les vitrages absorbants sont toujours réfléchissants dans une certaine mesure.

On constate que plus le taux d’absorption est grand, plus le vitrage aura un effet matifié et moins les caractéristiques de réflexion seront grandes.

Exemple de répartition de l’énergie transmise, réfléchie et absorbée pour 2 types de vitrages :

Vitrage clair non traité.

Vitrage absorbant.

Exemple de teintes et de répartition des caractéristiques de réflexion et d’absorption de certains vitrages :

Vitrage absorbant bronze :

FS = 42 %
TL = 27 %
AE = 63 %
RE = 8 %

Vitrage absorbant vert :

FS = 20 %
TL = 36 %
AE = 64 %
RE = 20 %

Vitrage absorbant doré :

FS = 13 %
TL = 20 %
AE = 40 %
RE = 50 %

Précautions

Pour évacuer un maximum de chaleur rayonnée vers l’extérieur, on placera le verre absorbant le moins possible en retrait du plan de la façade.
Les verres absorbants ont tendance à s’échauffer plus que les verres classiques, et sont sujets à la casse thermique. Il faut prendre des précautions en conséquence.
On utilise fréquemment le double vitrage absorbant et réfléchissant spécialement étudié contre le rayonnement solaire et associant les deux propriétés au sein d’un même vitrage.

Les vitrages à propriétés variables

Les besoins en gains solaires et en lumière naturelle varient en fonction du temps et de l’occupation. Aussi, l’idée d’un vitrage aux propriétés variables dans le temps s’avère très séduisante.

Le principe est d’intégrer dans le vitrage des matériaux chromogènes dont la caractéristique essentielle est de subir une modification importante de ses propriétés optiques sous l’effet dune variation du champ électrique, de la charge électrique, de l’intensité lumineuse, de la composition spectrale de la lumière ou de la température du matériau.

Sous tension.

Hors tension.

Action modifiant les caractéristiques optiques du vitrage

Non électrique

Le vitrage photochromique

Modifie ses propriétés optiques sous l’action de la lumière ultraviolette.
Bon contrôle de la transmission lumineuse mais peu performant pour le contrôle des gains solaires.

Le vitrage thermochromique et thermotrope

Evolution de la transmission et de la réflexion
d’un matériau thermotrope en fonction de la température.

Un verre thermochromique modifie ses propriétés de transmission sous l’effet d’un processus chimique initié par un changement de température. Si le processus est physique, le verre est dit thermotrope.
Le champ d’application s’étend au contrôle de la surchauffe et de l’éblouissement.

Électrique

Le vitrage à cristaux liquides.

Il modifie l’orientation de ses cristaux sous l’action d’un champ électrique.
Sous tension, l’orientation est régulière et rend le verre transparent, par contre hors tension l’orientation est quelconque ce qui rend le vitrage transparent diffus.

Le vitrage à particules dispersées

Le principe est similaire à celui des cristaux liquides mais ce sont des aiguilles de polyiodure en suspension dans un gel ou un liquide organique.

Le vitrage électrochrome

Son principe repose sur l’injection ou l’expulsion d’électrons et d’ions qui engendrent une décoloration de manière à pouvoir régler l’intensité de la réflexion en fonction de l’intensité lumineuse.

Posted By : 25 Sep, 2007

Vitrage isolant thermique et vitrage isolant acoustique

Données

Pour connaitre les principales caractéristiques des différents types de vitrages.

Le double vitrage à verre clair

Le double vitrage est constitué de deux feuilles de verre assemblées et scellées en usine, séparées par un espace hermétique clos renfermant de l’air ou un autre gaz déshydraté.

Feuilles de verre.
Air et/ou gaz déshydraté.
Espaceur fixant l’espace entre les feuilles de verre.
Ouverture pour l’absorption d’humidité.
Première barrière d’étanchéité en polyisobuthylène.
Dessicant.
Seconde barrière d’étanchéité en polyuréthane, silicone ou polysulfure.

Le dessicatif introduit dans l’espaceur est destiné à assécher le gaz emprisonné à la fermeture du vitrage et à absorber la vapeur d’eau éventuelle. Le bon fonctionnement des barrières d’étanchéité et du dessicatif conditionne la durée de vie du vitrage.

La composition des doubles vitrages est données par 3 valeurs (en mm). Exemple : 4/12/4 : l’épaisseur de la feuille de verre extérieure / l’épaisseur de l’espaceur / l’épaisseur de la feuille de verre intérieure.

La garantie d’efficacité des doubles vitrages prévues dans les agréments techniques (ATG) est de 10 ans. Mais la durée de vie réelle est bien supérieure.

Le double vitrage est à présent imposé dans toutes les constructions neuves comme dans les rénovations suite aux réglementations relatives à l’isolation thermique en vigueur en Région wallonne et en Région Flamande.

Les modes de transmission de chaleur

L’intérêt du dispositif est de bénéficier du pouvoir isolant apporté par la lame d’air ou de gaz, et de faire baisser de la sorte le coefficient de transmission thermique U de l’ensemble du vitrage.

La transmission de chaleur dans la lame d’air se fait par convection, rayonnement et conduction.
Elle se fait par conduction et rayonnement dans le verre.

La présence de la lame d’air permet de limiter les pertes de chaleur par conduction, la conductivité thermique de l’air (0.025 W/mK (à 10°C)) étant nettement inférieure à celle du verre (1 W/mK).

Caractéristiques énergétiques

Lorsque l’énergie solaire est interceptée par une paroi, une partie est réfléchie vers l’extérieur, une partie est absorbée par le matériau, une partie est transmise à l’intérieur.

La transmission solaire du double vitrage est légèrement plus faible que celle du vitrage simple car la chaleur qui traverse le vitrage est absorbée et réfléchie par deux couches et non une seule.

Les schémas suivants donnent les coefficients de tranmission thermique U et le facteur solaire FS d’un double vitrage et d’un simple vitrage :

Simple vitrage et double vitrage.

Améliorer la performance du double vitrage ?

Une des manières de réduire le coefficient de conductivité thermique d’un double ou triple vitrage est de travailler sur l’espace interstitiel. La première idée consiste à augmenter l’épaisseur de la lame d’air. Effectivement, l’isolation augmente dans les premiers millimètres, puis l’isolation reste pratiquement constante au delà de 14 mm. Pourquoi ? dans le premier temps, l’air constitue un matelas, mauvais conducteur de la chaleur, mais une fois que l’épaisseur d’air s’accroît, des boucles d’échange convectives se forment entre la vitre chaude et la vitre froide… Un double châssis écarté de 20 cm n’isole pas mieux qu’un double vitrage ordinaire.

On a alors pensé à remplacer l’air par un gaz moins conducteur : l’Argon, le Krypton, … Effectivement, cela apporte un « + » à l’effet d’isolation. Mais impossible de descendre en dessous d’un U de 2,5 W/m²K.

Et pourquoi pas le vide ? Effectivement, un vide d’air permet une absence de convection et de conduction. Mais mécaniquement, les deux vitres ont du mal à résister à la pression atmosphérique et se brisent. Il faut alors placer des écarteurs… qui sont eux-mêmes des conducteurs de chaleur… Cette technique est à l’étude mais n’a pas d’application industrielle aujourd’hui.

Reste à diminuer la transmission de chaleur par rayonnement : c’est l’idée du vitrage à basse émissivité dont nous reparlerons ci-dessous.

Caractéristique lumineuse

Le double vitrage assure un aspect neutre en réflexion et une grande transparence. Il est caractérisé par un coefficient de transmission lumineuse élevé mais néanmoins inférieur à celui d’un simple vitrage.

Simple vitrage, TL = 90 % et double vitrage TL = 81 %.

Caractéristique acoustique

Curieusement, l’isolation acoustique que procure le double vitrage dans les basses (bruit de trafic lent) et moyennes fréquences est légèrement inférieure à celle d’un simple vitrage de la même épaisseur.

Il est caractérisé par un indice pondéré d’affaiblissement acoustique.

Rw	Rw +C	Rw +Ctr
30	29	26

Certaines dispositions peuvent être prises de façon à assurer des performances acoustiques suffisantes. On se référera aux vitrages acoustiques.
À partir du double vitrage des améliorations sont possibles afin d’augmenter encore les performances énergétiques et solaires du vitrage : le vitrage basse émissivité, absorbant, réfléchissant…

Le double vitrage « à basse émissivité »

Principe

Ce vitrage est aussi appelé « vitrage à haut rendement » ou « vitrage super isolant ». En anglais, il se nomme vitrage « low-E » et en France, on l’appelle « Vitrage à Isolation Renforcée » (VIR).

L’objectif est d’augmenter le pouvoir isolant du double vitrage, c.-à-d. de diminuer son coefficient de transmission thermique U.

Vous avez dit : « émissivité » ?

Quand de la chaleur ou de l’énergie solaire est absorbée par un vitrage, elle est réémise par le vitrage, soit par convection d’air le long de sa surface, soit par radiation de la surface du vitrage vers les autres surfaces plus froides. Par conséquent, la réduction de la chaleur émise par les fenêtres sous forme de radiation peut améliorer fortement ses propriétés isolantes.

La capacité d’un matériau à émettre de la chaleur de manière radiative est appelée son émissivité. Ce coefficient d’émissivité varie en fonction de la longueur d’onde du signal émis. Les fenêtres, ainsi que les matériaux que l’on trouve à l’intérieur d’un bâtiment, émettent typiquement des radiations sous forme d’infrarouges de très grande longueur d’onde. A savoir enfin que pour une longueur d’onde donnée, le coefficient d’absorption d’un matériau est égal au coefficient d’émissivité.

Les vitrages standards ont une émissivité de 0.84 sur l’entièreté du spectre. Cela signifie qu’ils émettent 84 % de l’énergie possible pour un objet à cette température. Cela signifie également qu’en ce qui concerne les rayonnements à grande longueur d’onde qui frappent la surface du verre, 84 % est absorbé et seulement 16 % est réfléchi.

Par comparaison, les couches basse-émissivité ont un coefficient d’émissivité de 0.04.

Les vitrages sur lesquels on a déposé de telles couches émettront seulement 4 % de l’énergie possible à cette température, donc absorberont seulement 4 % du rayonnement de grande longueur d’onde qui les atteint.

Autrement dit, ils réfléchiront 96 % du rayonnement infrarouge de grande longueur d’onde.

Application

Le rayonnement calorifique des objets terrestres est émis à une longueur d’onde plus élevée que ceux qui composent le spectre solaire.

Ondes électromagnétiques correspondant au rayonnement solaire et au rayonnement des corps terrestres.

D’où l’astuce : il est tout à fait possible de laisser pénétrer l’énergie solaire (à courte longueur d’onde) à travers un vitrage tout en empêchant la chaleur (à grande longueur d’onde) de quitter ce local !

La couche « basse émissivité » est, en général, une couche métallique, en argent par exemple, déposée sous vide et qui doit être placée à l’intérieur du double vitrage vu sa fragilité. Elle bloquera une partie du transfert de chaleur par rayonnement, diminuant ainsi le flux total de chaleur au travers de la fenêtre.

Importance de la position de la couche basse émissivité

La position de la couche basse émissivité dans un double vitrage n’affecte en rien le facteur U de celui-ci. Donc, en ce qui concerne les pertes de chaleur par transmission, il n’y a absolument aucune différence que la couche basse émissivité soit placée en position 2 ou en position 3.

Numérotation des vitrages.

La surface d’un vitrage, dans un double ou un triple vitrage, est référencée par un nombre, commençant par le numéro 1 pour la surface extérieure du vitrage extérieur vers la surface intérieure du vitrage intérieur. La surface intérieure d’un double vitrage porte donc le numéro 4.

Par contre, le facteur solaire FS du vitrage est influencé par la position de la couche.

En effet, en plus de sa capacité à inhiber les transferts d’infrarouges à grande longueur d’onde, une couche basse émissivité absorbe aussi une certaine quantité de l’énergie solaire incidente. Cette énergie absorbée est transformée en chaleur, provoquant ainsi un échauffement du vitrage.

Si l’on cherche à laisser passer la chaleur solaire (FS élevé), la couche basse émissivité sera placée sur le verre intérieur du double vitrage (en face 3). La chaleur absorbée par la vitre sera réémise vers l’intérieur.

Si l’on cherche au contraire à diminuer la chaleur solaire entrante (FS faible), la couche basse émissivité sera placée en face 2, la chaleur absorbée par le vitrage étant alors essentiellement réémise vers l’extérieur. Dans ce cas, on peut adjoindre une couche réfléchissante à la couche basse émissivité pour diminuer encore FS.

Et si on pose le châssis à l’envers ?

Lorsque les châssis et les vitrages arrivent séparément sur un chantier, on veillera à ce que la couche basse émissivité se retrouve bien à la position souhaitée pour tous les châssis du bâtiment (généralement en face 3 dans le domestique et en face 2 dans le tertiaire avec apports internes élevés).

Si l’autocollant est absent, il est possible de repérer la position de la couche au moyen de la flamme d’un briquet. En effet, 4 images de la flamme seront réfléchies par les 4 faces. La couche basse émissivité génèrera un reflet bleuté, les autres étant plus orangées.

Caractéristiques énergétiques et lumineuses

Le double vitrage basse émissivité est caractérisé par un faible coefficient de transmission thermique U, variant de 1 à 1,9 W/m².K selon le mode d’application de la couche métallique ainsi que la nature du gaz présent entre les feuilles de verres.

Il existe une multitude de vitrages sur le marché. Des combinaisons multiples sont proposées entre le facteur solaire FS et le facteur de transmission lumineuse FL. Il est possible de trouver un vitrage pour lequel la présence de la couche métallique ne provoque qu’une très légère baisse des gains solaires et de la transmission lumineuse par rapport à un double vitrage classique. Autrement dit, la couche basse émissivité « ne se voit pas ».

La couche à basse émissivité peut être manipulée de manière à transmettre le rayonnement ayant certaines longueurs d’onde et à réfléchir le rayonnement ayant d’autres longueurs d’ondes.

On peut ainsi combiner les couches à basse émissivité et les couches de contrôle solaire. Il s’agit alors de couches déposées sous vide, combinant ces deux effets et placées en position 2.

Les premiers vitrages à basse émissivité ont été conçus de manière à maximiser les gains solaires en hiver. Ils devraient donc avoir un grand facteur solaire, un coefficient de transmission lumineuse important ainsi qu’un faible coefficient de transmission thermique U. Ils devaient donc transmettre les longueurs d’ondes du rayonnement solaire (rayonnements visibles et infrarouges proches) mais arrêter les infrarouges lointains (correspondant au rayonnement des corps terrestres). On appelle ces vitrages « vitrages à basse émissivité et haute transmission« .

Dans les bâtiments du secteur tertiaire, on demande souvent de minimiser les gains solaires tout en conservant une bonne transmission lumineuse et une bonne isolation. Ces vitrages doivent donc transmettre le rayonnement visible tout en arrêtant le rayonnement solaire correspondant aux infrarouges proches et le rayonnement des corps terrestres (les infrarouges lointains). Ces vitrages sont appelés « vitrages à basse émissivité sélectifs ».

Exemple.

On trouve actuellement des vitrages « haut rendement » avec un facteur solaire limité à 40 % tout en atteignant une transmission lumineuse de 70 %.

Pour diminuer encore le facteur solaire, on peut enfin placer une couche basse émissivité sur un vitrage teinté foncé ou augmenter le coefficient de réflexion des rayons lumineux de la couche elle-même, créant ainsi un produit ayant les propriétés isolantes d’un vitrage « basse émissivité », conjugué un rejet des gains solaires, perdant de facto une certaine qualité de transmission lumineuse. Ces vitrages sont appelés « vitrages à basse émissivité sélectifs et à basse transmission« .

Vitrage clair.
Vitrage basse émissivité et haute transmission.
Vitrage basse émissivité spectralement sélectif.
Vitrage basse émissivité spectralement sélectif et à basse transmission.

Le triple vitrage

Le vitrage est formé par trois feuilles de verre séparant deux espaces d’air.

Caractéristiques énergétiques et lumineuses

L’isolation thermique que procure un triple vitrage est meilleure que celle d’un double vitrage. Le coefficient de transmission thermique U d’un tel vitrage est de 1,9 W/m²K pour un triple vitrage ordinaire (deux lames d’air.) mais peut descendre jusqu’à 0.5 W/m²K pour les triples vitrages à gaz isolants.

Par contre, les gains solaires et la transmission lumineuse sont diminués par la présence du troisième verre.

Données

Pour connaitre les principales caractéristiques des différents types de vitrages.

Une variante

Le triple vitrage est rarement appliqué, car sa forte épaisseur et son poids élevé ne s’adaptent pas aux menuiseries classiques.

Une variante consiste en un double vitrage avec un ou plusieurs films plastiques tendus dans l’espace d’air, de façon à avoir plusieurs lames d’air en série sans augmenter le poids du vitrage.

Film tendu.
Espaceur métallique.
Mastic thermodurcissable.

Il existe des films ayant des propriétés basse émissivité et/ou de réflexion de l’énergie solaire.

Le vitrage isolant acoustique

Si l’on observe le spectre d’isolation acoustique d’un double vitrage, on remarque que l’isolation acoustique que procure un double vitrage est relativement mauvaise à la fréquence critique des feuilles de verres (3 200 Hertz) et dans les basses et moyennes fréquences (bruit de trafic lent).

Ce deuxième puits de résonance s’explique par le fait que le double vitrage se comporte comme un système acoustique du type MASSE/RESSORT/MASSE. La lame d’air jouant le rôle de ressort, son épaisseur est généralement trop faible pour créer un ressort suffisamment souple et le système fait entrer le verre en résonance.

Pourtant l’acoustique s’améliore lors d’un remplacement d’un châssis !

Des propos ci-dessus, on pourrait déduire que le remplacement, en rénovation, du simple vitrage par du double vitrage n’est pas intéressant du point de vue acoustique… Cette supposition est cependant erronée car le remplacement du vitrage s’accompagne, en général, du remplacement du châssis qui offre une meilleure étanchéité à l’air et donc à une meilleure isolation acoustique que l’ancien châssis; ce qui mène à une amélioration de l’isolation acoustique de l’ensemble vitrage + châssis.

Certaines dispositions permettent aussi d’améliorer l’isolation acoustique d’un double vitrage :

Les doubles vitrages dissymétriques

Chaque plaque d’un matériau d’une épaisseur donnée a une fréquence critique pour laquelle elle se met à vibrer plus facilement. À cette fréquence, le bruit se transmet beaucoup mieux.
Le principe des vitrages dissymétriques est le suivant : on utilise au sein d’un même vitrage des verres d’épaisseur suffisamment différente de sorte que chacun d’eux puisse masquer les faiblesses de l’autre lorsqu’il atteint sa fréquence critique.

La figure suivante compare les spectres d’isolation acoustique d’un double vitrage classique et d’un double vitrage dissymétrique.

Le tableau ci-dessous donne les performances acoustiques des doubles vitrages pour différents types d’assemblages.

Composition (mm)	Rw + C (dB)	Rw + Ctr (dB)
6-15-4	33	31
8-12-5	35	32
8-20-5	35	32
10-12-6	36	34
10-15-6	37	34
10-12-8	36	34

Les vitrages avec gaz isolant

On remplace l’air d’un double vitrage par un gaz isolant adapté (l’hexafluorure de carbone : SF₆).

Cela permet de réaliser des gains appréciables dans les hautes et moyennes fréquences (bruits de trafic rapide), mais les performances s’avèrent défavorables dans les basses fréquences (bruit de trafic urbain (315 Hertz)).

La figure suivante comparant les spectres d’isolation acoustique d’un double vitrage classique et d’un double vitrage avec gaz isolant.

Ce gaz présente le désavantage de diminuer l’isolation thermique des doubles vitrages et cause des problèmes à l’environnement. Les doubles vitrages avec SF6 sont donc à déconseiller et sont, de toute façon, appelés à disparaître.

Les verres feuilletés acoustiques

En résumé…


	Rénovation !

Tableau des performances acoustiques

Type de vitrage :	Rw (indice pondéré d’affaiblissement acoustique)	Rw + C	Rw + Ctr
Vitrage double ordinaire (4/15air/4)	30	29	26
Vitrage thermique disymétrique avec gaz (8/12argon/5)	38	36	32
Vitrage thermique feuilleté (6/15air/55.2 PVB)	38	37	35
Vitrage thermique feuilleté (8/12air/44.2 PVB)	41	40	37
Vitrage avec PVB amélioré (12/20air/44.2 PVBa)	44	43	40
Vitrage avec résine coulée (44.1,5RC/20argon/55.1,5RC)	49	47	42

Posted By : 25 Sep, 2007

Puits canadien

Principe et utilisation

Le puits canadiens (ou son homologue le « puits provençal ») permet de préchauffer (prérefroidir) l’air neuf d’un système de pulsion mécanique par l’intermédiaire d’un conduit d’amenée d’air enfoui dans le sol, en complément de la récupération de chaleur éventuelle.

En hiver, le sol, à cette profondeur, est plus chaud que la température extérieure : l’air froid est donc préchauffé lors de son passage dans les tuyaux. Avec ce système, l’air aspiré ne sera pas prélevé directement de l’extérieur, d’où une économie de chauffage.
En été, le sol est, à l’inverse, plus froid que la température extérieure : ce principe va donc utiliser la fraîcheur relative du sol pour le refroidissement naturel de l’air entrant dans le bâtiment.

Il semble que le puits canadien permette une économie de l’ordre de 20 .. 25 % de la consommation liée au chauffage de l’air neuf (5 .. 10 % de la consommation totale de chauffage) et permette un rafraîchissement naturel de l’air en été. Le coût du puits canadien dépend de la conception du bâtiment. Par exemple, l’intégration dans les fouilles du bâtiment ne demande pas d’excavation supplémentaire.

Cependant, vu l’investissement important qu’il requiert, les risques de condensation internes, les pertes de charges supplémentaires dans le système de ventilation qu’il amène et l’entretien, le puits canadien/provençal n’est généralement pas une priorité. En effet :

En hiver, il est en concurrence avec le récupérateur de chaleur.
En été, il permet certes d’améliorer le confort hivernal mais son rôle reste faible comparativement à d’autres stratégies passives de froid comme la bonne définition des surfaces vitrées, les protections solaires extérieures, la ventilation naturelle intensive ou l’inertie.

Saison	Récupérateur de chaleur sur l’air extrait uniquement	Puits canadien/provençal uniquement	Récupérateur de chaleur sur l’air extrait + puits canadien/provençal
Hiver
Été

Règles de conception

Les règles de conception suivante constituent une bonne pratique pour le secteur domestique :

la conduite sera enterrée entre 2 à 4 m de la surface du sol,
la vitesse de l’air dans le conduit ne dépassera pas 3 m/s (conseillé 2 m/s, voire moins),
le dimensionnement du conduit tiendra compte de la nature du sol,
le conduit comprendra une pente d’environ 2 % et une évacuation des condensats produits en été,
le conduit sera lisse et étanche, de manière à éviter l’infiltration d’eau et les développements bactériens,
l’entrée d’air sera équipée d’un ou plusieurs filtres et protégée contre l’intrusion des rongeurs, insectes et pollens,
l’entrée d’air sera située à une hauteur de 120 cm minimum ou dans un mur de soutènement,
le diamètre des conduits ne dépassera pas 20 cm,
si plusieurs conduits sont nécessaires, ils seront espacés d’au minimum 5 fois leur diamètre,
l’installation sera équipée d’un by-pass thermostatisé de manière à court-circuiter le conduit enterré lorsque la température extérieure est supérieure à la température du sol et en absence de besoin de rafraîchissement.

Toutes les garanties devront être prises pour assurer la qualité hygiénique du puits canadien. Il s’agit de permettre le nettoyage du système et éviter le développement bactérien consécutif aux condensations estivales.

Exemples de précautions :

Il est important de pouvoir accéder à la conduite pour un entretien, et un nettoyage fréquent (à prévoir dans l’entretien du bâtiment).
Les conduites doivent être en pente, l’eau éventuelle coule vers le point d’aspiration.
Une pompe peut être prévue au point d’aspiration pour évacuer l’eau éventuelle.
Dans le cas d’un gainage en béton, les cycles d’imprégnation et de séchage du béton peuvent limiter les risques.

Exemple

Voici les photos d’un puits canadien posé à l’entrée de l’arrivée d’air d’un immeuble de bureaux (bâtiment Worx – Kortrijk – conception Cenergie), en utilisant des conduits d’égout.

Une fois les travaux terminés, voici la vue de la prise d’air :

Résultats : évolution de la température dans le conduit (courbe rose « grondbuis »), au mois de mai (température du sol avoisinant les 10°C). La température de l’air en sortie de puits avoisine les 15°C :

Et quelques mois plus tard, lors d’une période de canicule (t° de l’air en sortie de puits de 22°C alors que l’air extérieur est à 35°C) :

Posted By : 25 Sep, 2007

Cellules de refroidissement et de congélation rapides

Principe et utilisation

Il arrive que certaines professions libérales tels que les traiteurs soient amenés à s’équiper de ce type d’équipement afin de passer directement de la phase de cuisson à celle d’exposition dans les vitrines réfrigérées.

La cellule de refroidissement / congélation rapide est une enceinte isolée thermiquement comportant un dispositif de production de froid permettant de descendre rapidement la température de plats cuisinés chauds. Immédiatement après la cuisson, les préparations chaudes sont conditionnées sur une épaisseur ne dépassant pas 30 mm. Elles sont ensuite refroidies :

En liaison froide réfrigérée, de + 65 °C à + 10 °C en un temps inférieur ou égal à 110 mn dans une cellule de refroidissement rapide.

En liaison froide surgelée, de + 65 °C à – 18 °C en un temps inférieur ou égal à 4 heures 30 dans une cellule de congélation rapide.

Elles ont été conçues spécialement pour la restauration différée mais peuvent être utilisées dans les applications qui se développent de plus en plus dans les grandes surfaces au niveau des plats préparés (service traiteur).

Description

Une cellule de refroidissement rapide, construite sur le même principe qu’une armoire de conservation, comprend :

Un caisson de forme parallélépipédique dont le compartiment d’utilisation est muni d’une porte. Les revêtements extérieurs ou intérieurs sont en tôle d’aluminium, en acier inoxydable ou en matériau plastique approprié. L’isolation thermique est souvent réalisée par injection in situ de mousse en polyuréthane.

Un groupe de production de froid mécanique, à air ou à eau.

Une ventilation puissante pour intensifier les échanges thermiques et homogénéiser la température dans l’enceinte.

Éventuellement un dispositif de récupération de l’énergie.

Un signal sonore ou visuel pour annoncer la fin du cycle de refroidissement.

Un système automatique pour régler la température au niveau de conservation réglementaire, si la charge refroidie n’est pas sortie immédiatement de la cellule pour le stockage froid.

Une cellule de congélation rapide fonctionne selon le même principe que la cellule de refroidissement. Un groupe plus puissant permet de descendre la température de + 65 °C à – 18 °C très rapidement.
Un dispositif permet de passer automatiquement en régime de conservation à – 18 °C, lorsque la congélation est terminée. Ce dispositif permet la congélation sans surveillance d’une charge en fin de journée.

Remarque : les cellules de refroidissement et de congélation rapide sont caractérisées par des évaporateurs à très grand débit d’air. Une cellule de congélation rapide de 400 kilos de purée de pommes de terre mis en barquettes de 400 grammes nécessite une puissance 45 KW frigorifique pour une température d’évaporation de – 40 °C, et un débit d’air de 60 000 m³/h.

À noter qu’à côté des cellules à froid mécanique décrites ci-dessus, il existe des cellules de refroidissement à froid cryogénique.

Dans les cellules mixtes, les deux systèmes de production de froid, cryogénique et mécanique, sont associés.

Gamme

Les cellules de refroidissement rapide

Les capacités des cellules de refroidissement rapides sont très variables, de 10 à 20 kg pour les petites productions, jusqu’à 160 kg pour les grandes productions.

À titre indicatif, les puissances électriques mises en œuvre dans les cellules mécaniques varient de 50 à 70 W par kg de charge nominale. A titre d’exemple une cellule de refroidissement rapide de 70 kg de capacité nominale a une puissance de 3 à 4 kW (ventilateur compris).

Pour montrer le caractère « très » indicatif de ces valeurs, voici les puissances que nous avons relevées dans la documentation d’un fournisseur :

Cellule à clayettes – surgélation et refroidissement rapide
	Capacité par cycle (kg)	Puissance électrique installée (W)
	7	2 100
	15	2 280/450*
	25	4 000/580*
	50	6 100/580*

* : version équipée sans groupe frigorifique (à distance).

Cellule à chariots – surgélation et refroidissement rapide
	Capacité par cycle (kg)		Puissance électrique installée (W)
	en surgélation	en refroidissement	Puissance électrique installée (W)
	65	65	3 200/900*
	80	110	5 400/4 300*
	160	220	9 600/6 600*
	240	330	11 500*
	320	440	14 000*
	480	660	20 000*

* : version équipée sans groupe non comprise l’alimentation du groupe frigorifique (à distance).

Les consommations électriques d’une cellule pendant le cycle de refroidissement, varient de 90 à 60 Wh par kg d’aliment suivant l’importance et le type de cellule, la manière dont elle est chargée, l’épaisseur à refroidir et le type d’aliments.

Les cellules de congélation rapide

Les matériels les plus usuels à groupe incorporé ont des capacités à partir de 20 kg d’aliments.

Les puissances électriques mises en œuvre dans les cellules mécaniques sont sensiblement les mêmes que celles des cellules de refroidissement rapide, mais les consommations sont plus importantes (3 fois plus environ).

Elles varient, de 180 à 270 Wh par kg d’aliment, suivant l’importance et le type de cellule, la manière dont elle est chargée l’épaisseur et le type d’aliments des préparations à congeler.

Installation

Pour les cellules qui ne sont pas de type « sans seuil », il y a lieu de prévoir une mise à niveau avec le sol du local par un évidement approprié (décaissement).

Cellules à froid mécanique

Pour les cellules de grosse capacité, la machine frigorifique est généralement installée à proximité. S’il s’agit d’un groupe à condenseur à air, le local doit être largement aéré; dans le cas d’un condenseur d’eau, il convient de prévoir une arrivée et une évacuation d’eau.

Cellules à froid cryogénique

Pour l’azote liquide le réservoir est placé à l’extérieur des locaux dans un endroit facilement accessible aux engins de livraison.

Pour l’anhydride carbonique, il est placé à l’abri des intempéries.

La longueur des canalisations sera aussi courte que possible pour réduire les pertes de charge.

Il convient également de prévoir une évacuation des eaux de dégivrage.

Posted By : 25 Sep, 2007

Préparateur d’eau chaude à accumulation

Éléments communs aux différentes technologies

Un préparateur d’eau chaude à accumulation est un réservoir dans lequel l’eau froide est chauffée puis accumulée. Cette fonction « accumulatrice » lui permet de répondre rapidement à une demande importante.

Les technologies se distinguent notamment en fonction du vecteur énergétique : gaz, électricité ou à eau chaude.

Cuve résistantes à la corrosion

L’eau est naturellement agressive suite à la présence de l’oxygène. Si dans un circuit de chauffage cette eau tourne sur elle-même et est considérée comme « morte », l’eau sanitaire est au contraire toujours renouvelée. Différents types de matériaux existent

L’acier St 37 galvanisé au bain, à chaud, mais cette technique est abandonnée aujourd’hui.
Le cuivre et les alliages de cuivre, qui semble doté d’une bonne résistance à la corrosion mais pour lequel nous manquons d’expérience. Il est couramment utilisé dans les pays scandinaves et en Angleterre.
L’acier inoxydable (acier CrNiMo), qui doit être suffisamment allié pour la construction d’un chauffe-eau. On utilise généralement les nuances DIN 1.4435 ou 1.4571, soit des aciers à faible taux de carbone avec adjonction de molybdène. Pour les gaines de corps de chauffe, plus fortement sollicitées, on adopte des alliages plus performants à teneur élevée de nickel, tels que le IN 1.4539, l’Inconel, etc… La qualité de l’équipement est souvent liée à la réalisation des soudures et au décapage intérieur des cuves.
L’acier St 37 avec revêtement organique ou synthétique. L’acier est soumis à différents traitements préparatoires (traitement chimique ou sablage) pour assurer l’accrochage de l’enduit. Son usage est limité puisqu’il requiert de ne pas dépasser la température prescrite par le fournisseur (généralement 60°C).
Enfin l’acier St 37 émaillé. L’acier est du type pauvre en carbone. Différents traitements (chimiques ou mécaniques) sont nécessaires avant l’émaillage. Celui-ci est réalisé généralement par deux couches successives cuites au four à 890°C.

Protection cathodique contre la corrosion

Les revêtements émaillés comportent quelques pores après la cuisson. Pour exclure tout risque, les appareils émaillés sont munis d’une protection cathodique ou galvanique. Lors de la formation d’une pile électrique, c’est toujours l’anode qui se corrode. Le principe est donc de protéger l’acier (= la cathode) en le mettant en contact avec un métal moins noble que lui (= l’anode).

L’anode, plongée dans l’eau, est généralement en alliage de magnésium. Le fer « ennobli » reste intact et le magnésium sacrifié se dissout. L’anode devra être remplacée lorsque son usure dépasse 60 %.

Ce type d’anode est dégradable, mais il existe également des anodes électroniques (généralement en titane) fonctionnant sur le secteur, et qu’il ne faut en principe jamais remplacer. En cas de panne de courant, elles sont alimentées par une batterie rechargeable. Mais celle-ci n’a qu’une capacité de 1 à 2 jours. Cela suffit si le courant est coupé pendant la journée, parce que le boiler ne fonctionne que la nuit. Cela pourrait poser problème si le courant est coupé durant une période de vacances, par exemple. Le boiler ne serait plus protégé contre la corrosion.

Les pertes thermiques du ballon

Elles sont évaluées via sa constante de refroidissement Cr (puissance de déperditions du ballon) et sa constante d’entretien ce (pertes annuelles).

Mais les performances des ballons usuels sont généralement très proches de la valeur du ballon dit « surisolé » dans la norme française NF C 73-221.

Voici les critères proposés par l‘Ordonnance sur la procédure d’expertise énergétique des réservoirs d’eau chaude en Suisse (22/01/92) :

Capacité	Pertes maximum admissibles [kWh/24h]	Capacité	Pertes maximum admissibles [kWh/24h]
30	0,75	1 000	4,70
50	0,90	1 100	4,80
100	1,30	1 200	4,90
200	2,10	1 300	5,00
300	2,60	1 400	5,05
400	3,10	1 500	5,10
500	3,50	1 600	5,12
600	3,80	1 700	5,14
700	4,10	1 800	5,16
800	4,30	1 900	5,18
900	4,50	2 000	5,20

Le préparateur à accumulation gaz

Le préparateur à accumulation gaz est conçu pour chauffer et maintenir en température un certain volume d’eau variant de 75 à 200 litres.

Ce système permet de distribuer de grandes quantités d’eau chaude à plusieurs postes de puisage. L’eau est chauffée avant et durant les puisages. La reconstitution de la réserve d’eau chaude est rapide (entre 20 et 90 minutes, suivant les modèles).

Le réservoir est calorifugé et l’eau est ainsi maintenue à une consigne de 45 à 60°C.

Il existe des préparateurs « haut rendement » et des préparateurs à condensation.

L’accumulateur électrique

Le petit accumulateur décentralisé (contenance de 5 à 30 litres)

Prévu pour la fourniture d’un ou deux postes, il répond à des besoins ponctuels et supprime la nécessité de raccordement à une installation centralisée.

Certains appareils résistent à la pression (circuit fermé), d’autres sont à écoulement libre mais doivent être suivi d’une robinetterie permettant la dilatation de l’eau chauffée.

Il existe également des chauffe-eaux rapides, dotés d’une puissance de 120 à 200 Watts/litre et dont le temps de chauffe n’excède pas 45 minutes.

Il est possible de les encastrer (comme un réfrigérateur ou un lave-vaisselle).

L’accumulateur électrique prévu pour une préparation centralisée

La capacité d’accumulation est de plusieurs centaines de litres. Il est possible de le faire fonctionner en continu (alimentation électrique permanente) ou en accumulation en période tarifaire creuse (heures de nuit). Dans ce cas, le dimensionnement est basé sur la couverture des besoins quotidiens.

La puissance installée est de l’ordre de 10 à 12 Watts/litres (exemple : un ballon de 200 litres sera équipé d’une résistance de 2 ou 2,5 kW).

Il existe également des accumulateurs à double résistance électrique, un dans la partie inférieure assurant la charge nocturne à bas tarif, alors que l’élément chauffant supérieur couvre les demandes de pointe en eau chaude pendant la journée. L’enclenchement simultané des deux résistances n’est pas réalisé pour limiter la puissance cumulée.

Les thermostats installés sur les chauffe-eau sont préréglés (60 à 65°C) et le point de consigne ne peut pas toujours être modifié.

Pour permettre la dilatation de l’eau lors du chauffage, on trouve en amont du chauffe-eau un groupe de sécurité (un par appareil). Il comporte :

un robinet d’arrêt, pour couper l’arrivée d’eau froide dans le chauffe-eau (démontage),
un clapet de retenue, pour éviter le retour d’eau chaude dans la canalisation d’eau froide,
une soupape de sûreté, pour limiter la pression dans le chauffe-eau,
un dispositif de vidange, pour vidanger le réservoir.

Carrosserie.
Calorifuge (laine minérale, polyuréthane sans CFC).
Cuve (acier galvanisé, cuivre ou acier).
Thermovitrification / émail / plastique.
Prise d’eau froide.
Brise-jet.
Fond.
Tube plongeur pour sonde de thermostat.
Corps de chauffe.
Pieds réglables.
Capot de recouvrement.
Raccordement électrique.
Thermostat de réglage et de sécurité.
Flasque.
Anode en magnésium.
Thermomètre.
Prise d’eau chaude.
Groupe de sécurité (là, il faut le deviner !).
Vidange à l’égout.

En voici le fonctionnement. Au fur et à mesure que l’eau monte dans la cuve, la pression augmente. Un clapet de sécurité évacue l’excès de pression. Le trop-plein d’eau s’écoule par le tuyau de décharge. Un bouton ou une manette fixée sur le groupe de sécurité permet d’actionner manuellement le clapet.

En l’actionnant régulièrement (tous les mois, par exemple), on évite qu’il ne s’encrasse ou ne s’entartre.

Les corps de chauffe électriques

On rencontre essentiellement deux systèmes :

> Les résistances blindées (ou thermoplongeurs), barres chauffantes de 6 à 9 mm environ. Le fil électrique chauffant est noyé dans de l’oxyde de magnésium (MgO) très pur à haute densité, matériau qui est à la fois un très bon conducteur de la chaleur et un protecteur de l’oxydation du conducteur chauffant.

Avantages.

Moins de dépôt de calcaire suite aux dilatations et retraits successifs de la barre blindée.
Une faible masse et donc une transmission très rapide de la chaleur vers l’eau.
Un flasque de plus petite surface que celle d’une résistance céramique et donc une limitation des pertes énergétiques.
Une possibilité, lors de sa construction à froid, de préformer la barre en fonction de la forme du chauffe-eau et donc de réduire la zone froide du fond (mesure anti-légionelle).

Inconvénients.

La puissance élevée peut provoquer du bruit pendant la phase de réchauffage de l’eau.
Il est nécessaire de vider le réservoir pour remplacer le corps de chauffe.

> Les corps de chauffe en céramique, où les résistances spiralées sont tirées dans les gorges des éléments en céramique, le tout étant introduit dans un tube de protection plongeur.

Avantages.

Une inertie relativement importante et donc une charge plus lente qui limite la production de bruit.
Un remplacement aisé de la garniture céramique contenue dans un tube plongeur sans devoir vidanger le ballon.
Un flasque plus grand, facilitant les travaux d’entretien.

Inconvénients.

La formation d’une couche calcaire sur le tube plongeur et donc une moins bonne transmission de chaleur.
Des pertes thermiques plus élevées par les flasques, et cela malgré l’isolation thermique en céramique à l’extrémité du flasque.
Zone morte plus importante au bas de la cuve, favorisant la stagnation d’eau à température faible et donc le développement de la légionelle.

Appareil à double corps de chauffe

Il existe des appareils équipés de 2 résistances : l’élément chauffant inférieur assure la charge nocturne à bas tarif, alors que l’élément chauffant supérieur couvre les demandes de pointe en eau chaude durant la journée. L’enclenchement simultané des deux résistances n’est généralement pas autorisé en raison de la puissance cumulée.

L’accumulateur à échangeur intégré

Un serpentin de chauffage ou un faisceau tubulaire est intégré. C’est un échangeur de chaleur parcouru par un fluide caloporteur, généralement de l’eau chaude, parfois de la vapeur. Il offre la possibilité de préparer l’eau chaude via une chaudière (gaz, fuel, …), via un capteur solaire ou via une pompe à chaleur.

L’échangeur est généralement en acier inoxydable ou en tube d’acier émaillé.

L’échangeur peut également consister en un faisceau de tubes lisses ou à ailettes, fixé sur un flasque lui-même intégré au chauffe-eau ou monté sur celui-ci.

L’accumulateur mixte

L’accumulateur mixte dispose d’un double raccordement : un serpentin d’eau chaude et une résistance électrique.

Deux types d’alternance sont possibles :

Soit suivant la saison : chauffer par la chaudière en hiver et électriquement en été.
Soit suivant la complémentarité des sources : chauffage de base par capteur solaires/pompe à chaleur/récupérateur de chaleur et chauffage d’appoint électrique lorsque le niveau de température de consigne n’est pas atteint.

Schéma accumulateur mixte.

Thermomètre.
Tube plongeur pour sonde de thermostat.
Anode en magnésium.
Tube de retour de circulation.
Cuve (acier galvanisé, cuivre ou acier).
Thermovitrification / émail / plastique.
Capot de recouvrement.
Thermostat de réglage et de sécurité.
Corps de chauffe.
Prise d’eau froide.
Brise-jet.
Tube plongeur pour sonde de thermostat.
Pieds réglables.
Calorifuge (laine minérale, polyuréthane sans CFC).
Retour chauffage.
Serpentin.
Aller chauffage.
Prise d’eau chaude.

S’il s’agit d’un chauffage par pompe à chaleur ou par énergie solaire, la position de l’échangeur électrique doit ors se placer en position médiane, créant 2 ballons : un demi-ballon inférieur pour le préchauffage solaire et un demi-ballon supérieur pour l’appoint électrique…

Une séparation totale en 2 ballons en série restera toujours préférable.

La stratification des températures

Lors de la charge, l’eau est chauffée, elle se dilate, sa densité diminue et elle se déplace vers le haut. Au-dessus de l’échangeur, l’eau chaude s’élève comme de la fumée au-dessus d’un feu.

Par contre, l’eau située au-dessous du corps de chauffe n’est pour ainsi dire pas chauffée et reste pratiquement froide.

Lors de la décharge du réservoir, l’eau chaude est progressivement remplacée par l’eau froide. Des perturbations peuvent se produire dans la stratification des températures. Or un « mélange » des températures intérieures est préjudiciable à la bonne utilisation du ballon.

Exemple.

Un ballon contient 200 litres à 60°C. Un puisage de 100 litres est réalisé. Il contient donc encore 100 litres à 60°C et 100 litres à 10°. Il peut être utilisé valablement.

Si des tourbillons ont entraînés le mélange de l’eau, c’est 200 litres à 35°C qui seront présents… Aucune énergie n’est perdue, mais l’eau est « inutilisable ». Un réchauffement sera nécessaire pour ramener l’eau à 60°C.

Cette situation (caricaturale) est surtout à éviter pour l’accumulateur électrique, car il appellera un appoint de jour, mais aussi pour un système traditionnel à eau chaude car il risque de relancer la chaudière suite au moindre soutirage.

Des perturbations de la stratification peuvent avoir lieu suite à :

une vitesse d’arrivée d’eau trop élevée,
une circulation interne quand l’isolation est insuffisante (refroidissement de l’eau le long des parois),
un retour de boucle de circulation trop froid,
une disposition horizontale du ballon.

Posted By : 25 Sep, 2007

Régulation de puissance des groupes frigorifiques [Climatisation]

La régulation « tout ou rien » par marche / arrêt du compresseur

Appliquons le principe d’une régulation par « tout ou rien » à une machine frigorifique.

Le thermostat d’ambiance agit directement sur l’alimentation du compresseur. En général, il agit en parallèle sur l’électrovanne placée sur la ligne liquide.
Les pressostats de sécurité (pressostats HP et BP) peuvent également agir sur le compresseur et sur l’électrovanne de la ligne liquide, mais en cas de fonctionnement anormal cette fois.

C’est de cette manière, simple et fiable, que sont régulées les armoires de climatisation, les groupes de production d’eau glacée, …
Pour les machines plus puissantes, il y aurait un risque trop élevé d’échauffement des bobinages du moteur.

La régulation « tout ou rien » par vidange de l’évaporateur (ou « pumpdown »)

Le principe consiste à arrêter le fonctionnement du compresseur par le pressostat BP, suivant la cascade d’événements suivants :

supposons que le niveau de froid soit atteint dans l’ambiance : le thermostat coupe l’alimentation de l’électrovanne sur la ligne liquide,
le fluide frigorifique ne peut plus alimenter l’évaporateur,
le peu de fluide qui s’y trouve encore s’évapore,
comme le compresseur continue d’aspirer les vapeurs, la pression chute,
le pressostat BP détecte l’insuffisance de pression et arrête le compresseur.

La remise en marche suit la même logique :

la sonde d’ambiance informe le thermostat d’une remontée en température,
le thermostat alimente l’électrovanne qui s’ouvre,
le fluide frigorigène envahit l’évaporateur,
la pression remonte,
le compresseur se remet en marche sous l’impulsion du pressostat BP et le cycle continue.

Remarques.

On constate cette fois que deux pressostats BP seront nécessaires : un pressostat BP d’arrêt ou de mise en marche du compresseur et un pressostat de sécurité qui intervient en cas de fonctionnement anormal.
Suivant les schémas électriques :
- soit le pressostat n’autorise le redémarrage que s’il y a demande de froid (mise en série des interrupteurs),
- soit le pressostat enclenche le compresseur même s’il n’y a pas de demande de froid, ce qui est à éviter car cela entraîne des démarrages trop fréquents.

L’avantage de ce type de régulation est qu’il va vider l’évaporateur et le circuit basse pression de la majorité du fluide frigorifique. Or celui-ci risquait de se condenser à l’arrêt du groupe, de former des gouttes de liquide, gouttes dangereuses au redémarrage (coups de liquide au compresseur).

De plus, cette technique abaisse la pression du carter du compresseur. Le fluide frigorifique dissous dans l’huile, s’évapore en bonne partie grâce à cette basse pression. Et lors du redémarrage, l’émulsion de l’huile sera plus faible. Ceci ne permet pas de couper le chauffage de l’huile du carter pour autant.

Ce type de régulation est couramment utilisé, particulièrement lorsqu’il est nécessaire de vider l’évaporateur du fluide frigorifique avant l’arrêt.

On le rencontre dans les groupes frigorifiques dont l’évaporateur travaille à « détente directe » (batterie de caissons de traitement d’air), dans les groupes de production d’eau glacée, …

La régulation « progressive » de la pression d’évaporation

Comment adapter la puissance frigorifique à la charge réelle de l’ambiance ? La régulation par « tout ou rien » entraîne un nombre élevé d’enclenchements et de déclenchements du compresseur, et une fluctuation de la température intérieure peu confortable.

On cherche dès lors une adaptation plus progressive de la puissance frigorifique aux besoins des locaux.

Le régulateur de pression d’évaporation

Imaginons une charge assez faible. Le compresseur va aspirer les vapeurs mais celles-ci sont peu importantes. La pression à l’aspiration va diminuer, entraînant une diminution de température d’évaporation, et même un risque de gel de l’évaporateur.

On introduit alors un régulateur de pression entre l’évaporateur et le compresseur, un robinet qui va laminer les vapeurs de fluide frigorigène et créer une perte de charge : la pression dans l’évaporateur restera constante mais la pression côté compresseur va baisser fortement.

On parle d’ailleurs d’un « robinet à pression constante. Il assure le « laminage des vapeurs aspirées ».

La puissance frigorifique va diminuer, mais les températures à la sortie du compresseur vont s’élever (parfois jusqu’à 100°C).

Bien sûr, si la charge augmente, la vanne s’ouvre et le débit de fluide augmente. A charge thermique maximale, le robinet est totalement ouvert.

Le régulateur de pression d’évaporation prévient contre le risque de gel de l’évaporateur, en supprimant le risque d’avoir une pression si basse que l’évaporateur ne prenne en glace.

Mais le rendement énergétique de la machine s’en trouve dégradé… Et pourtant ce type de régulation est fréquemment employé, lorsque la réduction de puissance n’excède pas 40 à 50 %.

La régulation par « étages »

Comme pour les cascades de chaudières, le principe consiste à découper la tâche par palier !

La puissance frigorifique totale est éclatée en plusieurs machines en parallèle qui s’épauleront en fonction de la puissance à atteindre.

Différentes configurations sont possibles.

> un évaporateur et plusieurs compresseurs : il est alors fréquent que l’évaporateur soit lui aussi décomposé en plusieurs circuits. Il est nécessaire d’égaliser les niveaux d’huile dans les carters, à partir une tuyauterie de connexion.

On rencontre parfois le fait que les deux moto-compresseurs sont enfermés dans le même carter.

> deux machines frigorifiques distinctes en parallèle : il faut alors qu’un fluide caloporteur fasse la liaison entre les évaporateurs. C’est par exemple le cas du réseau d’eau glacée d’une installation de climatisation importante.

Ce système est recommandé, tout particulièrement lorsque les variations de charge sont importantes. Le montage est simple et fiable puisque les machines restent indépendantes. De plus, il permet une variation progressive de la puissance énergétiquement favorable (aucune machine n’est dégradée dans son fonctionnement).

Bien sûr, le coût d’investissement est plus élevé que si l’on utilisait une seule grosse machine.

La régulation de la vitesse de rotation ou « inverter »

Le contrôle traditionnel par mode MARCHE/ARRET entraîne des fluctuations inconfortables de la température à l’évaporateur et des mauvaises conditions de rendement du compresseur.

Les compresseurs dont on fait varier la vitesse vont comprimer un volume de fluide variable et ainsi adapter leur puissance frigorifique à la charge thermique du local. Quand l’écart mesuré entre le point de consigne et la température du local augmente, le système de régulation agit sur la vitesse de rotation du compresseur qui voit sa puissance frigorifique augmenter. Ce mode de régulation est appelé « INVERTER ». Il permet une variation de vitesse du compresseur sans pertes importantes de rendement.

Notons que le démarrage du compresseur se fait toujours à basse vitesse, contrairement au fonctionnement MARCHE/ARRET. La pointe de courant nécessaire au démarrage est ainsi fortement réduite.

La technologie INVERTER de plus en plus utilisée dans les machines frigorifiques ainsi que dans les pompes à chaleur car elle engendre des économies importantes à charge partielle.

Dans ce but, la technique traditionnelle du compresseur alternatif (piston et vilebrequin), d’une fiabilité légendaire, est progressivement remplacée par :

> le compresseur rotatif :

rendement similaire,
niveau sonore moindre,
fonctionnement à vitesse variable.

> le compresseur scroll :

rendement plus élevé,
niveau sonore encore plus faible,
fonctionnement à vitesse variable.

Dans certains cas, compresseurs à vis travaillant souvent à faibles charges se voit remplacé par des compresseurs Turbocor (dont le COP est proche de 10 entre 20 % et 60 %).

La mise hors service de cylindres

Le réglage de la puissance frigorifique peut se faire par la mise hors service d’un ou de plusieurs cylindres de compresseurs à pistons. Pour supprimer l’action d’un piston, il suffit de maintenir ouvert en permanence la soupape d’aspiration. C’est une méthode très répandue.

Un tel système est simple et fiable, moyennement efficace sur le plan énergétique. 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.

Avantage : pour éviter les pointes de courant de démarrage, il est possible de démarrer à vide le compresseur.

Par contre, la variation de la puissance n’est pas continue (sauts de puissance). Et, autre inconvénient, l’usure de la machine est pratiquement identique à vide ou en charge.

L’obturation de l’orifice d’aspiration

Dans les compresseurs à piston, un obturateur commandé par une électrovanne bouche l’entrée d’un ou de plusieurs cylindres, réduisant ainsi le débit et donc la puissance de la machine frigorifique.

Ce système provoque un échauffement du compresseur, ce qui n’est énergétiquement pas favorable, et entraîne le besoin de laisser au moins un ou deux cylindres sans obturateur.

La régulation par injection des gaz chauds

Le principe consiste à reboucler les gaz chauds sortis du compresseur vers l’entrée de l’évaporateur, juste après le détendeur. Un régulateur de capacité (ou de puissance) maintient la pression d’évaporation à la grandeur préréglée. Tandis que le détendeur régule toujours la surchauffe à la sortie de l’évaporateur, donc la température des vapeurs en sortie de l’évaporateur reste constante.

Tout ceci permet de rendre constant le débit de frigorigène qui traverse l’évaporateur.

Lorsque la charge thermique diminue (= lorsque le besoin de refroidir les locaux est faible), le régulateur de capacité s’ouvre (il maintient la pression en injectant du fluide frigorigène) et des vapeurs, chaudes mais détendues, constituent une charge thermique complémentaire de l’évaporateur. (Voir aussi « fonctionnement global de la machine frigorifique« ).

De même, dans les compresseurs centrifuges, une tuyauterie relie le condenseur à l’évaporateur, par la partie des échangeurs où le fluide frigorigène est à l’état vapeur. Un robinet solénoïde placé sur cette tuyauterie isole normalement les deux appareils (commande manuelle ou automatique).

Bien sûr, avec un tel système, la puissance de l’évaporateur peut varier pratiquement de 0 à 100 % !

Mais ce fonctionnement est pervers : si le besoin de froid diminue, et que le compresseur pourrait « être mis au chômage », on réinjecte de la chaleur pour donner du travail au compresseur !!!

Comparaison : imaginons une pompe qui vide un réservoir « bas » vers un réservoir « haut ». De peur du risque qu’elle se désamorce si elle n’a plus assez d’eau à pomper, on lui réinjecte de l’eau venant du réservoir « haut ». Ainsi elle peut continuer à fonctionner sans problème !

Il faut qualifier cette technique de « pur anéantissement d’énergie ». En effet, la puissance absorbée reste la même lorsque la puissance de réfrigération diminue. De plus, elle provoque un échauffement du moteur. Elle se rencontre assez souvent car elle met en œuvre un matériel peu coûteux. Dans la mesure du possible, il faut mettre ce système hors service dans les installations existantes.

La régulation « par tiroir » des compresseurs à vis

Les compresseurs à vis sont munis d’un dispositif qui rend leur puissance réglable dans une plage allant de 100 à 10 %. Le rendement reste satisfaisant, du moins jusqu’à 50 % de la charge nominale. En dessous, le rendement se dégrade et il faut donc éviter ces fonctionnements à basse puissance. L’intérêt de ne pas surdimensionner les installations reste déterminant.

Le principe consiste à limiter la course de la vis : en délaçant un « tiroir », c.-à-d. un élément du stator déplaçable par translation comme un tiroir, on modifie la section d’entrée du volume aspiré et donc on module le débit.

Un tel mécanisme permet d’assurer également le démarrage à vide de la machine.

La prérotation du fluide frigorigène dans les turbocompresseurs

Des ailettes pivotantes sont disposées dans la tuyauterie d’aspiration. En se fermant progressivement, elles génèrent un mouvement giratoire des gaz frigorigènes pénétrant dans l’ouïe d’aspiration. Comme pour un ventilateur, le point de fonctionnement se modifie par déplacement sur une nouvelle courbe caractéristique du compresseur.

C’est le mode de régulation le plus souvent rencontré dans les turbocompresseurs.

Posted By : 25 Sep, 2007

Plaque de cuisson vitrocéramique à infrarouges

Principe et description

Des résistances à base de matériaux supportant les hautes températures rougissent très rapidement et rayonnent à travers la vitrocéramique.
La chaleur produite est transmise en partie par conduction et en partie par rayonnement.
Le détecteur de casserole a une action de contrôle qui permet de déclencher le chauffage si une casserole est posée. Il est recommandé de choisir ce principe dans la restauration.

La vitrocéramique

La vitrocéramique est un matériau dont les performances sont appréciées pour la cuisson :

Elle est transparente au rayonnement infrarouge et au rayonnement magnétique. C’est la casserole en métal ferritique qui devient élément chauffant par effet joule, la plaque reste froide. Elle s’adapte à divers foyers.
Elle est bon conducteur thermique.
Elle est étanche et facile à entretenir. L’étanchéité est un avantage important pour le respect de l’hygiène en cuisine.
Elle est plus dure que l’acier, elle ne se raye pas.
Elle résiste aux chocs thermiques, elle possède un faible coefficient de dilatation.
Elle est esthétique.

Commande et régulation

Elle est réalisée par un doseur d’énergie et/ou un thermostat à plusieurs positions.

Gamme

Puissance de 1 200 et 4 000 W.

Utilisation

Elles permettent tout type de cuisson réalisé en casserole avec une souplesse voisine de celle de l’induction.

Les foyers rapides sont appréciés en restauration car ils chauffent en 5 à 6 secondes.

Pour les casseroles, tous les métaux peuvent être utilisés sur les foyers radiants dont le cuivre « traité alimentaire » et les aciers inoxydables.

Les casseroles devront avoir un fond plan pour obtenir une bonne conduction de la chaleur.
Les récipients de grandes dimensions peuvent être utilisés sur ces foyers.

Avantages

Inertie faible.
Régulation facile, aidée par la visualisation.
Utilisation de tous les types de casseroles.
Respect de l’hygiène facilité, le nettoyage est aisé si on évite les débordements, la plaque étant étanche.

Posted By : 25 Sep, 2007

Plafond filtrant [ventilation]

Caractéristique du plafond filtrant

Un plafond filtrant est un faux plafond composé d’éléments modulaires. Ces éléments sont soit des éléments actifs d’extraction, soit des éléments actifs de pulsion, soit des éléments passifs ou tôles de liaison. Les éléments actifs d’extraction sont placés au-dessus des appareils qui dégagent de la chaleur. Le plafond filtrant consiste donc en une ou plusieurs hottes intégrées dans la surface du plafond.

Deux fabrications différentes sont possibles : les plafonds plats ou les plafonds voutés.

Avantages

Les retombées de la hotte par rapport au plafond étant supprimées, le plafond revêt un aspect plus lisse et la cuisine semble plus spacieuse.

Le plafond filtrant couvrant la zone de cuisson en entier ou en partie rend possible l’ajout ou suppression d’appareils dans la cuisine. Seule la vitesse du ventilateur devra être adaptée.

Gérer

Pour en savoir plus sur la modification du débit d’un ventilateur.

Inconvénients

Comme le niveau bas du plafond filtrant est installé à une hauteur supérieure par rapport à celle des hottes, en général 2.5m au lieu de 2m, le débit doit être augmenté de 10% par rapport à ces dernières.

Le débordement nécessaire de la zone d’extraction est de 20cm par mètre entre la surface de travail et le niveau bas du plafond (15cm par mètre avec des hottes).

Le coût du plafond ventilé (système complet intégrant toute la surface du plafond, y compris les luminaires et grilles de pulsion éventuelles) est en général similaire (max 10% supérieur) à celui des hottes incorporant les mêmes techniques et en tenant compte du prix du faux-plafond, des luminaires et autres. Toutefois, le plafond ventilé demande des débits plus importants que les hottes et les groupes d’extraction seront donc plus puissants et plus chers.

Le plafond vouté

Le plafond vouté correspond au mieux à la qualification de hotte intégrée dans le plafond. Il est donc composé de zones creuses qui permettent de bien emmagasiner l’air vicié et ainsi de limiter le débit total d’extraction nécessaire.

Le plafond peut également être fourni avec système d’induction mais à cause de la hauteur d’installation (2.5m au lieu de 2m pour les hottes) l’effet est cependant réduit. La diminution du débit net à extraire grâce à l’induction par rapport à un plafond à extraction simple n’est que de 20% là ou l’effet d’induction permet une réduction du débit net extrait de 40% avec des hottes.

Le plafond plat

Comme le plafond plat ne peut retenir aucune émanation de buées, toute vapeurs qui sort de la zone d’extraction est « perdue », le plafond plat doit donc les extraire immédiatement. Le débit doit par conséquent être augmenté de +/- 40% par rapport au débit calculé pour un plafond vouté. Pour y remédier partiellement il peut également être fourni avec un système d’induction.

Le plafond « plat » existe en deux versions : le plafond ouvert et le plafond fermé.

Avantages

Aspect plus lisse que le plafond vouté
Coût d’installation du plafond réduit par rapport au plafond vouté

Désavantages

Peu fiable en matière de sécurité incendie et d’hygiène (type ouvert)Débit plus élevés, plus +/-40% par rapport aux plafonds voutés. Et donc installation technique (gainage et groupes) et consommation plus importante.

Le plafond ouvert

Le plénum d’extraction est formé par la zone au dessus du faux plafond. Les grilles d’extraction ne sont pas gainées. L’entièreté du faux plafond doit dès lors être recouvert d’une couche de protection pour réduire les adhérences et favoriser l’hygiène et la résistance au feu.

L’avantage du plafond ouvert est son coût réduit. Cependant, il y a des risques accrus d’incendie et de manque d’hygiène dans le plénum d’extraction. Le nettoyage au-dessus de ces plafonds est difficile; d’autant plus qu’il peut y avoir des conduites (eau, électricité, gaz,…) dans le plénum. Le plafond doit être démonté complètement. Ce qui complique le respect des règles d’hygiène

La hauteur sous le plafond filtrant est de minimum 2.50 m.

Le plafond fermé

Chaque grille d’extraction est connectée par un plénum au gainage d’extraction, ce qui permet le réglage du débit en fonction de l’appareil se trouvant en dessous. Le coût d’installation est cependant supérieur à celui du plafond dit « ouvert ».

Quelques critères de qualité

L’ensemble doit être réalisé en acier inoxydable sur ses faces apparentes.

Pour l’entretien, les différents éléments du plafond ouvert ou les filtres des plafonds fermés doivent être démontables sans outil. Les dimensions des éléments doivent permettre leur nettoyage au lave-vaisselle.

Posted By : 25 Sep, 2007

Pompe à vide

Les sortes de pompes à vide

Pompes classiques

Sur le marché il existe différentes sortes de pompe à vide telles que les pompes :

À anneau liquide.

(+)

supporte les mélanges de gaz et de liquide;
simple de conception et de prix abordable;
résiste bien à la corrosion;
évite l’utilisation de huile et par conséquent les vapeurs d’huile nocives.

(-)

consommation d’eau importante;
le mélange à la sortie de la pompe est contaminé;
la pression de vide est limitée à 30 mbar et se dégrade vite avec l’augmentation de température du fluide de l’anneau liquide.

Sèche à vis.

(+)

pas de liquide d’étanchéité;
basse pression de vide (< 1 mbar);
compact;
fiable;
…

(-)

prix élevé.

On trouve encore d’autres pompes sur le marché mais moins utilisée en stérilisation. Citons :


Pompe à palettes.	Pompe à crochet.

Probablement pour une question de coût, de résistance aux températures élevées (par le réglage du mélange de l’eau de l’anneau liquide et de la vapeur extraite) dans la pratique on retrouve souvent la pompe à vide à anneau liquide; c’est celle que l’on détaillera un peu plus ci-dessous.

Pompe à éjecteur

Ce type de pompe accompagne régulièrement les pompes classiques à anneau liquide afin de renforcer l’effet de vide qui dans ce type de pompe est sensible à la température du liquide de refroidissement.

Pompe à anneau liquide

Principe de l’anneau liquide

Lorsque la roue à aube est mise en rotation par le moteur électrique, les pales entrainent l’eau adoucie (alimentant directement l’anneau liquide de la pompe à vide) et la vapeur d’eau issue de la chambre de stérilisation. Sous l’action de la force centrifuge, le liquide, plus lourd, est plaqué sur la paroi interne du corps de pompe et forme un anneau liquide autour des pales et du moyeu. De part l’exentricité de la roue par rapport au corps de pompe, une zone en forme de croissant prend naissance autour du moyeu. Dans cette zone, la pression évolue progressivement. Au point de contact théorique entre l’anneau liquide et le moyeu, dans le sens de rotation, le volume compris entre deux pales augmente et crée ainsi une dépression en aspirant le gaz : c’est la « zone d’aspiration« . Ensuite le volume décroît progressivement dans la « zone de refoulement« . Ces deux zones, diamétralement opposées, sont mises en contact avec l’extérieur par l’intermédiaire des lumières d’aspiration et de refoulement situées dans les flasques latérales.

Le fonctionnement de la pompe est pratiquement isotherme car le liquide de l’anneau récupère et évacue les calories dues à la fois à la compression et à la température de la vapeur de stérilisation.

Influence de la tension de vapeur de l’anneau liquide

En technique de vide, la tension de vapeur de l’anneau liquide influence la qualité du vide obtenu. Plus la tension de vapeur (pression maximale à laquelle la vapeur du liquide considéré peut exister) est faible, plus poussé sera le vide. On notera que, dans des conditions de températures identiques, une pompe à vide à anneau liquide tel que de l’huile aura une meilleure performance que de l’eau.

Exemple.

Avec un anneau liquide constitué d’eau à 15°C, la tension de vapeur est de 17 mbar et le vide maximum que l’on peut atteindre est de l’ordre de 25 mbar.
Avec un anneau liquide constitué d’éthylèneglycole à 80 °C, la tension de vapeur est de 1 mbar et le vide maximum que l’on peut atteindre est de l’ordre de 10 mbar.

Influence de la température de l’anneau liquide

Au niveau de l’anneau liquide, plus la température d’un fluide tel que de l’eau est élevée plus sa tension de vapeur augmente et, par conséquent, diminue la qualité du vide obtenu :

Exemple.

Avec un anneau liquide constitué d’eau à 15°C, la tension de vapeur est de 17 mbar et le vide maximum que l’on peut atteindre est de l’ordre de 25 mbar.
Avec un anneau liquide constitué d’eau à 35 °C, la tension de vapeur est de 57 mbar et le vide maximum que l’on peut atteindre est de l’ordre de 70 mbar.

Les systèmes de récupération des effluents

Une grande partie de la vapeur produite par le générateur de vapeur est utilisée dans la chambre de stérilisation de l’autoclave et évacuée à l’égout via la pompe à vide sous forme de condensats et de vapeur. Ces effluents se mélangent à l’eau de l’anneau liquide.

Les consommations d’eau adoucie pour l’anneau liquide sont importantes afin de remplir plusieurs fonctions :

Assurer étanchéité de l’anneau et donc le niveau de vide (influencé par la température de l’eau et des condensats).
Évacuer les calories dues au travail de compression pur.
Refroidir la vapeur issue de la chambre de stérilisation.

On se rend vite compte que le mélange dans et à la sortie de la pompe à vide risque de monter rapidement en température sachant que la vapeur à l’admission de la pompe est encore au-dessus de 100°C. Pour préserver la pompe et éviter de rejeter à l’égout des effluents trop chauds, le constructeur de système de stérilisation a tendance à augmenter le débit d’eau adoucie et par conséquent les coûts dus à la consommation.

Dans la pratique plusieurs configurations se présentent au niveau du traitement des effluents :

Circuit sans recyclage

Schéma circuit sans recyclage.

Les condensats sont évacués dans un séparateur (séparation vapeur/liquide) puis à l’égout via le trop-plein sans aucune forme de récupération d’énergie. Afin de respecter les normes de rejet en terme de température, il est nécessaire d’avoir un volume tampon.

Circuit à recyclage partiel

Schéma circuit à recyclage partiel.

Une partie des condensats liquides sont renvoyés dans la pompe, l’appoint d’eau adoucie étant régulé en fonction de la température de la cuve. On réduit un peu la consommation d’eau adoucie mais on ne récupère aucune énergie.

Circuit à recyclage total

Schéma circuit à recyclage total.

A la sortie du séparateur, les condensats liquides traversent un échangeur de chaleur et se refroidissent. Ensuite, ils sont réinjectés dans la pompe. Le primaire de l’échangeur peut être par exemple une extension de la boucle d’eau glacée (souvent présente en stérilisation centrale).

Posted By : 25 Sep, 2007

Vernis d’adhérence

Le vernis d’adhérence a pour fonction d’assurer un meilleur accrochage du bitume chaud, de la colle bitumineuse à froid ou des membranes soudées, sur certains supports.

Sur les matériaux poreux comme le béton ou la maçonnerie, le vernis fixe la poussière résiduelle et il les rend moins perméables à l’eau.

Il s’applique uniformément à la raclette, à la brosse ou à l’arrosoir sur le support bien nettoyé en évitant les surépaisseurs. Il doit être sec avant de continuer les travaux.

Le vernis d’adhérence s’applique à raison de 200 à 300 gr/m².

On distingue deux type de vernis d’adhérence :

Les émulsions bitumineuses à l’eau

Il s’agit de vernis à base de bitume en suspension dans l’eau. De par leur nature, ils peuvent être utilisés sur un support poreux en béton ou en maçonnerie légèrement humide.

Les vernis bitumineux à solvants volatils

Aussi appelés « cutbacks » ils contiennent des bitumes en suspension dans des solvants volatils.

Ils ne peuvent être appliqués que sur des supports secs, et sont recommandés pour les supports non poreux comme ceux en tôles profilées.

Posted By : 25 Sep, 2007

Modèles d’isolation – plancher lourd avec aire de foulée

L’isolation du plancher lourd de combles circulables peut se faire par divers systèmes :

Panneaux semi-rigides ou matelas souple sur le plancher

L’isolant utilisé, généralement de la laine minérale, peut être souple (en rouleaux) ou semi-rigide (en panneaux). Les rouleaux peuvent éventuellement être revêtus d’un papier kraft.

Le pare-vapeur éventuel est déroulé soigneusement sur le plancher lourd.

On place ensuite, à intervalles réguliers, des lambourdes qui vont servir à porter le plancher. L’intervalle entre les lambourdes est déterminé par la largeur des rouleaux ou des plaques d’isolant et par les caractéristiques des plaques de l’aire de foulée.

L’isolant est posé entre les lambourdes.

Les plaques de l’aire de foulée sont clouées sur les lambourdes.

Matelas isolant souple ou semi-rigide au-dessus d’un plancher lourd circulable.

Aire de foulée.
Lambourde.
Isolant souple ou semi-rigide.
Pare-vapeur éventuel.
Support lourd.
Finition du plafond.

Panneaux rigides sur le plancher

L’isolant utilisé peut être de la mousse synthétique ou du verre cellulaire.

Les panneaux rigides nécessitent un support lisse pour pouvoir bien s’emboîter. Il faut donc, au besoin, égaliser le plancher lourd au moyen d’une fine chape d’égalisation ou d’une fine couche de sable.

Le pare-vapeur éventuel est déroulé soigneusement sur le plancher lourd avant la pose de l’isolant.

L’isolant est ensuite déposé de façon continue.

Les panneaux en mousse synthétique sont munis de rainures et languettes, ils doivent être correctement emboîtés.

Les panneaux en verre cellulaire sont posés jointifs.

Les plaques de l’aire de foulée sont posées soit directement sur l’isolant, soit sur des lattes posées sur l’isolant. Les plaques (généralement des planches de bois) sont alors cloués sur ces lattes.

Isolant rigide au-dessus d’un plancher lourd circulable.

Aire de foulée.
Lattes éventuelles.
Isolant.
Emboîtement.
Pare-vapeur éventuel.
Égalisation éventuelle.
Support lourd.
Finition du plafond.

Isolation sous le plancher : une solution à éviter !

L’isolant est fixé sous le plancher lourd.

La fixation est difficile et dépend du type d’isolant. Un pare-vapeur efficace indispensable (sauf en cas d’utilisation du verre cellulaire) est soigneusement placé sous l’isolant. Les joints seront particulièrement soignés. Il ne peut pas être déchiré.

La finition du plafond est ensuite réalisée en prenant toutes les précautions nécessaires pour éviter de blesser le pare-vapeur.

Aucune installation technique ne pourra être aménagée dans le plafond.

Le plancher lui-même ne pourra être percé.

Un espace technique pourrait éventuellement être aménagé entre le pare-vapeur et le plafond.

Toute cette mise en œuvre nécessite un soin parfait difficile à réaliser sur chantier.

L’aménagement de l’aire de foulée se fera de façon traditionnelle sur un plancher lourd (chape + carrelage, par exemple).

Isolation en dessous du plancher lourd circulable.

Plancher lourd.
Isolant.
Pare-vapeur.
Finition du plafond.

Posted By : 25 Sep, 2007

Meubles et vitrines frigorifiques

Rôles et caractéristiques des équipements

Introduction

Le meuble frigorifique représente le dernier maillon de la chaîne du froid alimentaire avant que la denrée ne se retrouve en possession du consommateur. À ce stade, la mise en valeur des denrées alimentaires est primordiale tout en assurant leur conservation. En d’autres termes, le meuble frigorifique a donc pour mission de présenter ou d’exposer les denrées dans un volume utile à une température de conservation déterminée. Faisant partie d’une chaîne de froid normalement ininterrompue, cet équipement est uniquement prévu, et par conséquent dimensionné, pour maintenir la température des denrées et non les refroidir. Dans une chaîne de froid alimentaire classique, le refroidissement ou la congélation s’effectue à la production ou à la fabrication. Les étapes suivantes de la chaîne de froid n’ont plus qu’une action de maintien de la température par exemple :

le camion ou le bateau frigorifique lors du transport;
la chambre froide du magasin lors du stockage;
…

Deux fonctions sont donc attribuées aux meubles frigorifiques :

la fonction d’exposition;
la fonction de conservation.

Exposition des denrées

Le but avoué est l’achat de la denrée par le consommateur. Des études très poussées sur l »exposition des denrées (« merchandising ») permettent de déterminer quelle est la meilleure stratégie commerciale pour favoriser la vente.

La fonction d’exposition conduit souvent :

À « l’ouverture » large des ambiances frigorifiques d’exposition par rapport à l’ambiance de vente afin que les consommateurs puissent toucher, palper et soupeser les produits alimentaires.
À éclairer fortement les denrées.

Rôle de conservation des denrées

Durant l’exposition, le meuble frigorifique doit maintenir la température et assurer la conservation des denrées alimentaires refroidies ou surgelées en « amont ». De par les lois de la thermodynamique et à l’inverse de la fonction d’exposition, les meubles devraient au maximum protéger les denrées des agressions thermiques de toutes sortes par :

la fermeture ou l’utilisation d’ouverture des ambiances réfrigérées les plus réduites possible ;
la réduction maximale de leur éclairage;
leur protection des rayonnements externes.

Équilibre des rôles

Sur le plan technique, les rôles d’exposition et de conservation des denrées alimentaires dans les meubles frigorifiques sont en totale contradiction :

D’un côté, le consommateur doit pouvoir disposer des marchandises sans obstacle en bénéficiant de meuble à large ouverture et fortement éclairé ;
de l’autre, le commerçant doit assurer une qualité de conservation des denrées avec comme impératif la fermeture ou la réduction des ouvertures des meubles au maximum, le moins d’éclairage possible, bref le moins d’échange thermique possible avec l’ambiance du magasin.

Comment concilier ces deux fonctions sans privilégier une des deux ?

Dans la pratique, on se rend vite compte que le commerçant va naturellement favoriser le meuble frigorifique qui « fait bien vendre ». Néanmoins, les réglementations et les normes sont heureusement présentes pour rétablir l’équilibre entre les deux rôles que doivent jouer les meubles et les vitrines frigorifiques.

Malheureusement, c’est au détriment de l’efficacité énergétique des équipements. En effet, quelle que soit la qualité de la production frigorifique, le meuble frigorifique ouvert est bien plus consommateur d’énergie que le même meuble fermé par un rideau de nuit par exemple.

Le véritable défi des constructeurs de meubles frigorifiques se résume à optimiser l’efficacité énergétique tout en conservant le rôle d’exposition qui, naturellement, fait vendre les produits.

Technologie des meubles et vitrines frigorifiques

Généralités

La technologie des meubles frigorifiques a été directement importée des États-Unis au début des années 60. Pour cette raison, des termes américains sont restés dans le langage courant utilisés pour caractériser les meubles et les vitrines frigorifiques. On retrouve encore couramment des termes par exemple :

facing;
remodeling;
shelving;
marketing
…

Composition principale des meubles

Qu’ils soient de type vertical, horizontal, positif, négatif, …, les meubles frigorifiques se décomposent en trois parties principales :

la structure portante du meuble;
les éléments frigorifiques;
l’espace utile de vente, en d’autres termes le contenant;
et si présentes les portes.

Meuble vertical fermé et vitrine horizontale.

Structure portante du meuble

C’est la carcasse du meuble. Outre les pièces de renfort, le soubassement, les évacuations des condensats de dégivrage, …, elle se compose principalement d’une enveloppe isolée sous forme de panneaux « Sandwich » (acier-mousse isolante-acier). L’isolant est généralement du polyuréthane injecté (densité moyenne de 30 à 40 kg/m³) ou des panneaux de polystyrène raccordés entre eux. La qualité de la mise en œuvre et l’épaisseur de l’isolant détermineront la performance énergétique du meuble sur le plan des pénétrations (ou déperdition négative).

Les éléments frigorifiques

À l’intérieur du meuble, on trouve les éléments qui constituent le système de réfrigération ou de congélation selon le cas. Ce système se compose essentiellement :

De l’évaporateur (1).
De l’échangeur liquide/vapeur (2).
Du détendeur thermostatique ou électronique (3).
D’un système de distribution du liquide détendu particulièrement important lorsque les évaporateurs sont longs et que la ventilation ne peut être assurée sur toute la longueur des éléments frigorifiques (ce qui est souvent le cas dans les meubles frigorifiques).
De moto-ventilateurs (4) qui pulsent l’air provenant de l’espace utile de vente du meuble au travers des évaporateurs et des circuits de distribution de l’air dans le meuble.
De la gaine de soufflage (5) et de sa buse (6).
Du rideau d’air (7).
De la bouche d’aspiration (8).
De la gaine de reprise (9).
Et d’un rideau de nuit (10).

Les aménagements internes et les accessoires

Les aménagements internes sont constitués essentiellement des étagères, des plateaux, bacs, … qui doivent être de qualité alimentaire lorsqu’ils sont en contact avec les denrées et facilement lavables de manière générale.

Les accessoires aux meubles à caractère de vente sont multiples (support balances, planches à découper, …).

On compte aussi, pour améliorer la vente, sur l’éclairage des denrées.

Les types d’aménagement interne et les accessoires ont une influence non négligeable sur le « comportement frigorifique » et aéraulique du meuble et par conséquent sur leur efficacité énergétique.

Dimensions des meubles

Pour caractériser un meuble ou une vitrine frigorifique, des terminologies sont définies afin que tout le monde parle le même langage. Les constructeurs parlent souvent de :

module ;
meuble ou longueur ;
linéaire.

Les modules

D’origine américaine, les meubles frigorifiques sont cotés en « pieds » au niveau de la longueur. De base, un module mesure 4 pieds ou 1,22 m et permet de loger sous les étagères ou les frontons des tubes fluorescents d’éclairage de 1,20 m (58 W par exemple). Des sous-modules de 2 pieds (ou 0,61 m) existent.

Basé sur la méthode américaine, les Européens ont développé une modulation différente d’une longueur de 1,25 m comme valeur de référence pour les grandes surfaces et des sous-modules de 0.5 m pour les commerces de détail.

Les meubles ou longueurs

Un meuble ou une longueur se compose de plusieurs modules qui doivent être définis d’emblée lors du dimensionnement de l’installation. Cependant, persiste l’option de concevoir une installation sur mesure.

Les linéaires

Un linéaire est un ensemble de meubles ou de longueurs ayant la même désignation (linéaire de boucherie, de produit laitier, de légume et fruit, …). Ces meubles sont juxtaposés, mais pas nécessairement alignés.

Différentes configurations sont possibles. On citera principalement les linéaires :

droits ou alignés ;
en Z ;
en L ;
dos à dos ;
en Y;
fermés.

Les surfaces et le volume

Des paramètres comme les surfaces et les volumes permettent aussi de différencier les meubles ou vitrines frigorifiques.

En ce qui concerne les types de surface, on trouve pour une largeur de meuble unitaire :

La surface de limite de chargement (1).
La surface horizontale de chargement (2).
La surface d’exposition (3).
L’ouverture d’exposition (4).

Le volume utile d’exposition (5) est l’élément qui détermine la capacité de stockage du meuble frigorifique.

Classifications

Critères : généralités

La classification des meubles frigorifiques est très ardue dans le sens où le nombre de modèles est important. Pour cette raison, il est nécessaire de déterminer des critères de classification :

par le type même ;
en fonction de l’ouverture ;
en fonction du niveau d’accès ;
par la manière de l’approvisionner ;
en fonction du type de service ;
par service ;
en fonction de la classe de température ;
en fonction de la nature des denrées
en fonction du type d’emballage ;
en fonction du support prévu pour les denrées ;
en fonction du mode de distribution ;
en fonction du mode de protection des ouvertures ;
par la position de la production frigorifique ;
par la configuration du linéaire ;
par la longueur unitaire ;
par le type de façade.

Critères : application

Deux grandes classes de meubles frigorifiques se dégagent, à savoir les meubles verticaux et horizontaux. Pour chacune de ces classes, les principaux critères peuvent être appliqués.

Les meubles frigorifiques horizontaux

	Comptoir	Vitrine	Etal	Gondole à groupe incorporé	Gondole murale	Mixte
Ouverture	fermé
Ouverture	ouvert
Accès	dessus
	avant
	arrière
Chargement	dessus
	avant
	arrière
Service	libre service
Service	personnel présent
Application	positif
Application	négatif
Produits couramment rencontrés		viandes	traiteur, fromage, viande, pâtisseries	poissons	surgelé, crème glacée	surgelé, crème glacée
protection des produits	emballés
protection des produits	non emballés
Supports	étagères
	plateaux
	table froide
	chariots/palettes
Froid	conductif
	convectif
	mixte
Protection ouvertures	piège à givre		vitrages
	rideau d’air
	soufflage arrière
	portes vitrées
Groupe de froid	Incorporé
Groupe de froid	à distance
Meuble frigorifique	seul
Meuble frigorifique	en linéaire
Longueur	déterminée
	modulaire
	optionnelle
Façade	bandeau panoramique
	éléments mobiles
	superstructure vitrées

Les meubles frigorifiques verticaux

Critères		Vertical n niveau (ouvert)	Vertical à service arrière	Vertical à chargement au sol	vertical basse température	Vertical à porte vitrée (fermé)
Ouverture	fermé
Ouverture	ouvert
Accès	dessus
	avant
	arrière
Chargement	dessus
	avant
	arrière
Service	libre service
Service	personnel présent
Application	positif
Application	négatif
Produits couramment rencontrés		laitiers	pâtisseries	laitiers	surgelés, crème glacée
Protection des produits	emballés
Protection des produits	non emballés
Supports	étagères
	plateaux
	table froide
	chariots/palettes
Froid	conductif
	convectif
	mixte
Protection ouvertures	piège à givre
	rideau d’air
	soufflage arrière
	portes vitrées
Groupe de froid	incorporé
Groupe de froid	à distance
Meuble frigorifique	seul
Meuble frigorifique	en linéaire
Longueur	déterminée
	modulaire
	optionnelle
Façade	bandeau panoramique
	éléments mobiles
	superstructure vitrées

Configurations courantes

Les schémas repris ci-dessous sont des configurations courantes rencontrées dans les commerces.


Comptoir à convection naturelle.	Comptoir en convection forcée et service avant.

Gondole à convection forcée et service par les deux côtés.	Vitrine à étagère et étagère inférieure refroidie.

Meuble horizontal d’exposition mobile.	Etal frigorifique de poissonnerie.

Meuble vertical ouvert en convection naturelle.	Meuble vertical ouvert en convection forcée.

Meuble vertical à palette réfrigérée.	Meuble vertical réapprovisionné par l’arrière.

Meuble vertical négatif à double circuit d’air.	Meuble mixte (gondole et armoire) négatif à porte.

Gondole de type ouverte à convection naturelle.	Gondole de type ouverte à convection forcée.

Gondole dissymétrique simple négative à couvercle.	Double gondole dissymétrique dos à dos à convection forcée et rideaux d’air.

Gondole négative fermée.

La distribution du froid au sein du meuble

Généralités

La distribution du froid dans les meubles frigorifiques est très difficile à mettre en œuvre. Les géométries des meubles pouvant être très complexes, pour assurer l’apport de « frigories » au niveau de chaque denrée et en quantité suffisante, cela nécessite une recherche et des développements complexes de la part des constructeurs.

Les constructeurs se basent sur un régime stationnaire de transmission de chaleur pour dimensionner et tester les équipements composant le meuble frigorifique.

Cependant, les denrées alimentaires exposées dans les meubles frigorifiques, qu’ils soient ouverts ou fermés, subissent en permanence des perturbations ou des agressions dues aux variations des conditions de température et d’humidité de l’ambiance du chargement et du déchargement des denrées, … Concrètement le régime stationnaire est purement théorique, mais néanmoins nécessaire à la classification, la normalisation et le dimensionnement des meubles.

En régime stationnaire (ou permanent), le transfert des « frigories » au sein du meuble frigorifique, suivant les modèles s’effectue de trois manières différentes :

Ces trois modes de transfert sont exploités de différentes manières, seuls ou mixés afin de refroidir efficacement les denrées dans le volume utile de chargement. On distingue principalement :

le froid convectif ;
le froid conductif ;
le froid mixte.

Le froid convectif

Les constructeurs utilisent l’air comme vecteur de transport des « frigories » afin de retirer la chaleur des denrées qui subissent des perturbations thermiques internes et externes au volume utile de chargement des meubles.

Pour réaliser le refroidissement des denrées par convection, on utilise principalement deux techniques :

refroidissement par convection naturelle ;
refroidissement par convection forcée.

Refroidissement par convection naturelle

L’air circule par gravité de haut en bas au travers de l’évaporateur grâce à l’action des variations de masse spécifique et par conséquent de température. La vitesse de déplacement de l’air au travers des denrées est faible (de l’ordre de 0,2 m/s). Ce type de refroidissement offre l’avantage de mettre en œuvre très peu d’énergie électrique au sein même du meuble si ce n’est l’éclairage des denrées (certaines vitrines s’en passent même). On l’utilise couramment pour les vitrines frigorifiques amenées à contenir des denrées fragiles et minces.

La mise en mouvement de l’air par convection naturelle est régie par l’écart de température présent entre l’air et la surface des ailettes de l’évaporateur.

Refroidissement par convection forcée

L’air réchauffé au niveau des denrées par les apports externes et internes se déplace avec l’aide de moto-ventilateurs au travers de l’évaporateur où il se refroidit. La vitesse de l’air est contrôlable, ce qui permet de l’adapter en fonction du type de denrées exposées dans le volume utile de chargement :

Des vitesses d’air faibles et proches des vitesses en convection naturelle (de l’ordre de 0,2 à 0,3 m/s) seront choisies pour assurer le maintien des températures de denrées non-emballées et fragiles en réduisant leur sensibilité à l’oxydation et à la dessiccation (perte d’eau et par conséquent de masse).
Des vitesses d’air plus importantes conviennent plus aux denrées préemballées ou conditionnées.

En convection forcée, la flexibilité de la distribution de l’air est importante et permet, par exemple, de diriger une partie du flux d’air directement sur les denrées à des endroits difficilement accessibles en convection naturelle.

Le froid conductif

Dans ce cas, les parois ou les accessoires refroidis des meubles frigorifiques participent par contact direct et par conduction au maintien des températures des denrées. Les parois peuvent être des évaporateurs à part entière lorsqu’elles sont parcourues, au travers de serpentins, par le fluide frigorigène.

Deux systèmes de maintien de la température des denrées par conduction sont exploités par les constructeurs de meubles :

refroidissement par contact direct;
refroidissement par contact indirect.

Refroidissement par contact direct

En froid positif, on s’arrange pour que la température des parois ne soit pas trop sous 0°C de manière à éviter le collage de la denrée contre la paroi par son gel superficiel. On retrouve ce type de refroidissement lorsque les denrées sont fragiles au refroidissement convectif (dessiccation).

En froid négatif, les parois froides isolées par l’extérieur forment un bac entourant les denrées. Dans les parois, côtés intérieur du meuble, un serpentin sert d’évaporateur. Dans ce type de meuble (gondole à faible volume), les denrées doivent être compactes et en contact intime avec les parois pour favoriser le transfert de chaleur des parois aux denrées et des denrées entre elles. Dans la figure ci-contre, les deux évaporateurs servent de piège à givre en condensant l’humidité de l’air ambiant proche de l’ouverture et de refroidisseur pour les denrées de surface qui absorbent de la chaleur par rayonnement.

Refroidissement par contact indirect

C’est le système typique des étals de poissonnerie où la température à cœur des poissons doit être maintenue aux alentours des 0 à +2 °C.

Un lit de glace étalé sur une table refroidie constitue un refroidissement par contact indirect. Le lit de glace permet :

L’hydratation des poissons en permanence par la fusion à température constante de la glace (0°C).
De maintenir un excellent contact thermique entre la table, la glace et les denrées.
De garder la température à cœur proche de 0°C en recouvrant les denrées de glace.
D’éviter le gel des produits de la mer en les isolant de la plaque froide qui elle se trouve sous les 0°C.
De réduire la puissance frigorifique de l’étal.

Le froid mixte

Ce type de meuble ou de vitrine frigorifique regroupe le froid convectif et conductif. On utilise ce système dans le cadre de l’exposition de denrées non emballées et relativement volumineuses. On évite de la sorte les problèmes lié :

Au froid convectif seul :
- La nécessité de descendre les températures d’évaporation de manière franchement négative (- 10 °C pour des températures à cœur des denrées de l’ordre de 0/+ 2 °C).
- Le besoin d’augmenter les vitesses de l’air entraînant des risques d’oxydation et de dessiccation des produits non emballés.
- La surface d’échange limitée.

Au froid conductif seul :
- Des apports frigorifiques limités par simple contact.
- Le risque de gel des denrées (du moins en surface) dans les applications positives.
- Une température des denrées hétérogènes.

Les rideaux d’air

Problématiques

La plupart des meubles ou vitrines frigorifiques sont ouverts par rapport à l’ambiance du commerce. Cette configuration est voulue afin de permettre au consommateur de voir, de toucher et de disposer des denrées très facilement. Cependant, l’écart de température entre le volume réfrigéré et l’ambiance du magasin peut, dans certains cas, atteindre les 45 à 50 K.

Cas des meubles horizontaux

Théoriquement, la densité importante de l’air froid favorise son maintien dans le volume utile de chargement ; ce qui est une bonne chose. Néanmoins, dans la pratique, un simple courant d’air dans un meuble rempli à la limite de chargement compromet le fragile équilibre. De plus, le volume utile froid a une pression partielle de vapeur plus faible que celle de l’air ambiant au dessus du meuble entraînant le passage de vapeur d’eau de l’ambiance vers le meuble. Le résultat final est la condensation de la vapeur d’eau sur les parois du meuble ou sur les produits stockés sous forme d’eau, de neige, de givre ou de glace.

Cas des meubles verticaux

Dans ce cas de figure, l’air froid à tendance à s’écouler et sortir du meuble réfrigérant. Des études poussées ont été menées afin de déterminer le comportement du flux d’air froid en fonction du chargement du meuble. En effet :

la position des denrées sur les étagères ;
leur masse (inertie thermique) ;
leur quantité (meuble vide, chargement total ou partiel) ;
l’absence d’espace vide;
la présence d’obstacle ;
la présence de courant d’air dans l’ambiance du magasin (v > 0,2 m/s) ;
…

change drastiquement le comportement aéraulique et thermique du meuble.

Solution

Pour limiter d’une part les échanges thermiques importants susceptibles de réchauffer et donc de dégrader les produits de consommation et d’autre part les pertes énergétiques au niveau de la production de froid, les fabricants ont introduit le rideau d’air.

Rôle des rideaux d’air

Comme on l’a vu ci-dessus, les rideaux d’air ont un rôle essentiel dans l’optimisation des meubles frigorifiques au niveau thermique et énergétique. Ils doivent permettre principalement :

L’accès aux denrées contenues dans le volume utile de chargement. De par sa composition intrinsèque, l’air n’offre pas de résistance et convient parfaitement.
De préserver l’ambiance froide intérieure du meuble à la température de conservation désirée.
De réduire et contrôler les échanges de chaleur sensible (dus aux écarts de températures entre l’ambiante du magasin et le meuble) ainsi les échanges d’humidité (dus aux écarts de pression partielle).
D’évacuer les apports thermiques par rayonnement des parois extérieures sur les denrées par convection forcée.
De maîtriser le bouclage de l’air en circuit fermé.

Type de rideaux d’air

On rencontre sur le marché différents types de rideaux d’air :

selon le type de meuble, horizontaux, inclinés ou verticaux ;
en circuit ouvert ou fermé;
simple ou multiples (certaines configurations sont à 3 rideaux parallèles);
à flux orienté ou non par des buses de soufflage;
selon la direction du flux pour les meubles verticaux (de haut en bas ou l’inverse);
selon la position (dans le volume réfrigéré, hors du volume réfrigéré, à la limite de chargement);
laminaires ou turbulents;
symétriques ou asymétriques;
…

Principales caractéristiques des rideaux d’air

Les différentes caractéristiques des rideaux d’air citées ci-dessous permettent d’évaluer l’efficacité thermique et énergétique que l’on peut attendre d’eux. Pour un rideau d’air type, on définit :

la portée H équivalant à l’ouverture du meuble ou encore la distance entre la buse de soufflage et la bouche de reprise;
la longueur Lv du rideau d’air correspondant à celle du meuble;
l’épaisseur B au niveau de la buse de soufflage;
la température t1, le titre de vapeur d’eau x1 et la vitesse v1 du flux d’air à la sortie de la buse de soufflage;
la direction A du flux d’air par rapport à l’horizontale pour les meubles horizontaux (gondoles par exemple) et la verticale pour les verticaux;
le sens (vers le bas, vers le haut, …);
les températures et les titres de vapeur d’eau que le rideau sépare :
- ambiance du magasin (ta, xa);
- ambiance interne du meuble (ti, xi)
le débit massique M1 à la buse de soufflage et à la bouche de reprise.

Les rideaux d’air symétriques

On dit d’un rideau d’air qu’il est symétrique lorsque le profil de vitesse par rapport à l’axe du flux du rideau est symétrique. Comme le montre la figure ci-dessus, sur la hauteur de l’ouverture du meuble, le flux d’air du rideau, par frottement et turbulence entraîne ou induit tant à l’extérieur qu’à l’intérieur des masses d’air grandissantes qui le freinent et l’alourdissent. L’induction des masses d’air tant externe qu’interne a pour effet de réchauffer le rideau d’air et de le charger en humidité en évitant ainsi qu’elle ne puisse migrer vers l’intérieur du meuble.

A la bouche de reprise, les masses induites tant à l’extérieur qu’à l’intérieur par le rideau d’air sont séparées :

à l’extérieur, une certaine quantité d’air froid est perdue;
à l’intérieur, une circulation secondaire se crée.

L’induction de l’air à l’extérieur correspond sensiblement à la perte d’air froid à la bouche de reprise. En d’autres termes, plus le rideau est efficace moins il induit d’air ambiant et moins il rejette d’air froid à la bouche de reprise.

L’air aspiré à la reprise a vu son enthalpie (son niveau énergétique) augmenter et par conséquent devra être refroidi au travers de l’évaporateur avant de recommencer un cycle. À noter que l’humidité qui a migré dans le rideau d’air se condensera sur l’évaporateur, d’où la nécessité de dégivrer régulièrement les évaporateurs pour éviter qu’ils ne « prennent en glace ».

Pour un meilleur bilan énergétique et thermique du meuble, il est nécessaire :

de réduire l’induction de l’air extérieur en diminuant la vitesse du rideau d’air et les turbulences;
d’augmenter l’échange thermique au travers de l’évaporateur et donc le débit.

Pour concilier ces deux nécessités antinomiques, les constructeurs ont placé sur les meubles verticaux par exemple des panneaux munis de bouches de soufflage (système en cascade) répartissant ainsi le flux d’air refroidi à la sortie de l’évaporateur entre les bouches secondaires et le rideau d’air. Il en résulte un débit au rideau d’air optimisé et un débit maximum au travers de l’évaporateur.

Les rideaux d’air asymétriques

On dit d’un rideau d’air qu’il est asymétrique lorsque le profil de vitesse par rapport à l’axe du flux du rideau est asymétrique. En général, on s’arrange pour que la vitesse à proximité de la limite de chargement soit plus importante que celle qui induit l’air ambiant tout en évitant que le flux devienne turbulent. Ce dispositif permet :

par convection, d’évacuer rapidement la chaleur accumulée en surface supérieure des denrées par rayonnement;
de réduire l’induction de chaleur et d’humidité de l’extérieur.

En général, on privilégie des rideaux d’air épais de manière à obtenir des débits suffisants à l’évaporateur pour un refroidissement efficace tout en garantissant des vitesses faibles de déplacement de l’air au niveau de l’ouverture du meuble.

Les évaporateurs

Spécificités

Les évaporateurs qui équipent les meubles frigorifiques sont assez différents des évaporateurs classiques. En effet, non seulement il est nécessaire d’optimiser la compacité des meubles afin de réduire leur emprise sur la surface de vente, mais aussi le volume utile de chargement. Ces deux critères font en sorte que l’espace réservé à l’évaporateur est réduit.

La conception et le dimensionnement des évaporateurs sont différents aussi selon que les meubles frigorifiques travaillent :

en convection forcée;
en convection naturelle;
en conduction.

Convection forcée

La technologie des évaporateurs par convection forcée fait appel à un flux d’air qui échange sa chaleur à une batterie d’ailettes en aluminium en contact intime avec un réseau de tubes en cuivre dans lequel circule un fluide frigorigène comme montré ci-dessous.

Puissance frigorifique

En pratique, les fabricants réalisent des évaporateurs relativement plats, mais longs afin de ne pas perdre trop de puissance frigorifique. Cette puissance frigorifique s’exprime par la relation suivante :

Po = K_o x S_E x Δt_mln [W]

P_o = coefficient global d’échange moyen [W/m².K]. Ce coefficient K_o prend en compte les échanges externes de chaleur tant sensible que latente (transfert de masse en eau ou en givre sur les surfaces externes des ailettes) entre l’air et les ailettes, et les échanges internes entre le fluide frigorigène et la surface interne des tubes.
S_E = surface d’échange externe [m²]. Pour un volume donné, la surface S_E est approchée par la relation suivante :

S_E ~ 2 x V_E / p [m²]

V_E = le volume de l’évaporateur.

Δt_mln = écart de température moyen logarithmique [K]. Cet écart théorique est représenté par la formule suivante :

Δt_mln = t₁ – t₂ / ln (t₁ – t₀ / t₂ – t₀) [K]

t₁ = la température de l’air à l’entrée de l’évaporateur.
t₂ = la température de l’air à la sortie de l’évaporateur.

Ordre de grandeur de puissance frigorifique

Le calcul de la puissance d’un évaporateur est très complexe. Aussi, il est plus simple dans la pratique de donner des ordres de grandeur de puissance frigorifique en fonction du type de comptoir.

FROID NEGATIF
Type de comptoir en convection forcée	Rideau d’air	Surface d’exposition [m²/ml]	Température d’application [°C]	Température d’évaporation [°C]	Puissance frigorifique [W/ml]
Gondole « self-service »	horizontal asymétrique laminaire	0,8	– 18 à -20	– 35	420 / 450
Gondole « self-service »	horizontal asymétrique laminaire	1,1	– 23 à -25		630 / 670
Meuble vertical « self service »	triple rideau parallèle et turbulent	1	– 18 à -20		1 900 / 2 100
Meuble vertical « self-service » à portes vitrées	intérieur turbulent	0,84	– 23 à -25		800 / 860
Condition climatique de l’ambiance : régime établi à 25 °C et HR de 60 %.

Convection naturelle

Les comptoirs à convection naturelle sont plus utilisés dans le commerce de détail. Les évaporateurs quant à eux ressemblent à ceux utilisés en convection forcée. L’air traverse l’évaporateur de haut en bas en se basant sur l’effet de mise en mouvement de l’air par la présence d’une différence de température entre l’air et les surfaces de l’évaporateur.

Puissance frigorifique

Un peu comme en convection forcée, la puissance frigorifique s’exprime par la relation principale suivante :

Po = f₁ x α_eN x S_E x Δt_N [W]

f₁ = coefficient prenant en compte la puissance latente due au transfert de masse en l’air humide et la surface de l’évaporateur (eau et givre).
α_eN = coefficient d’échange moyen en convection naturelle [W/m².K].
S_E = surface d’échange externe [m²]. Pour un volume donné, la surface S_E est approchée par la relation suivante :

S_E ~ 2 x V_E / p [m²]

V_E = le volume de l’évaporateur.

Δt_N = écart de température entre la température de l’air à l’entrée de l’évaporateur et la température de surface de l’ailette.

Ordre de grandeur de puissance frigorifique

FROID POSITIF
Type de comptoir en convection forcée	Surface d’exposition [m²/ml]	Température d’application [°C]	Température d’évaporation [°C]	Puissance frigorifique [W/ml]
Vitrine pour les commerces de détail principalement	0,8 (protection de la vitrine par rapport à l’ambiance sous forme de vitrage	+ 2 à + 4	– 10	200 / 220
Condition climatique de l’ambiance : régime établi à 25 °C et HR de 60 %.

Conduction

Dans le cas des étals par exemple, on s’arrange pour que la température de la « plaque froide » soit plus basse que celle des denrées qui sont en contact avec elle. Le système utilise une plaque en inox en contact thermique intime avec un serpentin de tuyau en cuivre. Les déperditions « négatives » ou pénétrations de la chaleur au dos de l’ensemble de la plaque et du serpentin et le risque de condensation sont limitées par un isolant performant. En pratique, on s’arrange pour que l’écart de température entre la plaque froide et le fluide réfrigérant soit aux alentours des 5 K. Par cet écart, on tient compte :

de la perte d’efficacité due au contact limité entre la plaque et le serpentin;
de l’effet ailette de la plaque froide inter-tube ;
de l’imperfection de l’isolation ;
…

La puissance frigorifique s’exprime approximativement par la relation principale suivante :

Po = S_p x A x (t_a – t_sf) [W]

S_p = surface de la plaque froide [m²].
A = coefficient d’échange moyen [W/m².K]. Il vaut de l’ordre de 10 pour une plaque disposée au sein d’une vitrine et 16 pour une plaque en contact direct avec l’air ambiant.
t_a = température ambiante [K].
t_sf = température moyenne de la surface de la plaque froide [K].

Protections des ouvertures

Rôles

Les protections d’ouverture des meubles frigorifiques sont indispensables sur le plan de la conservation des denrées ainsi qu’au niveau énergétique lorsque les commerces ne sont plus occupés (la nuit, les dimanches, …). En effet, les 2/3 du temps les commerces sont fermés. Les déperditions « négatives » ou pénétrations thermiques des meubles sont principalement dues aux ouvertures (pertes par induction et rayonnement) et représentent les 3/4 des kWh perdus lorsqu’on établit le bilan énergétique du meuble, mais aussi du groupe frigorifique associé. D’où la nécessité pendant les périodes d’inoccupation de prévoir des protections. On les appelle communément les rideaux ou les manteaux de nuit.

Photo protections des ouvertures.

Risques des protections

Généralement, les risques majeurs lors du placement de protection des ouvertures sont :

le gel des denrées;
le mauvais fonctionnement des compresseurs frigorifiques (« court-cycle »);
la condensation d’eau sur les denrées.

Caractéristiques

Les technologies utilisées pour les protections de nuit sont diverses et inventives. On citera :

Les rideaux de nuit manuels et automatiques (motorisation sur horloge par exemple) qui peuvent équiper la plupart des meubles frigorifiques qu’ils soient horizontaux, verticaux, positifs ou négatifs. Ces rideaux sont généralement composés d’une toile souple, peuvent être réfléchissants (limitation de l’échange par rayonnement), microperforés (réduction du risque de condensation). Enfin, les rideaux peuvent être placés devant ou derrière le rideau d’air.
Les couvertures souples, rigides non isolées, rigides isolées. Il est bien entendu que les couvertures rigides isolées constituent le « must » des protections puisqu’elles isolent complètement les denrées des agressions externes. Elles conviennent bien pour les applications en froid négatif horizontal. Suivant qu’elles sont placées au-dessus (risque de condensation sur la face supérieure) ou en dessous, les couvertures doivent permettre la réception d’eau de condensation. En froid négatif, les couvertures peuvent permettre de gagner entre 4 et 10 K de température au niveau des denrées les plus sollicitées.

L’éclairage

Spécificités

Les éclairages des meubles frigorifiques doivent remplir une mission particulière. Spécifiquement, ils sont sensés :

Mettre en évidence les denrées contenues dans le volume utile de chargement pour favoriser la vente.
Eviter l’éblouissement des clients et du personnel.
Répartir uniformément le flux lumineux.
Eviter de réchauffer les denrées.
Et naturellement avoir un rendement énergétique performant.

Caractéristiques

La technologie utilisée dans le froid alimentaire est souvent celle des tubes fluorescents disposés derrière des frontons, sous les étagères, …. Ce type d’éclairage est efficace tant au niveau du confort, de la vente et énergétique pour autant que l’ambiance autour des tubes ne soit trop froide. En effet, les basses températures affectent fort le rendement lumineux des lampes fluorescentes.

Tubes fluorescents

A en croire la modularité des meubles frigorifiques, on dirait presque que c’est la technologie du froid alimentaire qui s’est adaptée à celle de l’éclairage plutôt que l’inverse. Effectivement, les modules de 1,2 m permettent d’intégrer très facilement des tubes fluorescents de la gamme des T8 ainsi que des T5.

Tube fluorescent sous tablette.

Modularité	Technologie T8	Technologie T5
1,2 m	36 W	28, 54 W
1,5 m	58 W	35, 49 W

LED de puissance

Actuellement, des constructeurs sont en train d’effectuer des essais sur les bandeaux de LED de puissance. Il est encore trop tôt pour se prononcer sur l’avenir des LED dans les comptoirs frigorifiques.

Posted By : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Systèmes de pause et d’accrochage pour toiture plate

Les types de pose des étanchéités bitumineuses

Les étanchéités bitumineuses peuvent être :

Elles peuvent être posées sur le support de différentes manières :

en indépendance, c’est-à-dire que la membrane n’est pas du tout fixée au support,
en adhérence totale, c’est-à-dire que la membrane adhère en tous points à son support,
en semi-indépendance, c’est-à-dire que la membrane n’adhère à son support que sur une partie de la surface (plots, bandes, …),
par fixation mécanique, c’est-à-dire que la membrane est fixée au support par des vis et des clous, éventuellement à travers les couches de matériaux intermédiaires (pare-vapeur et/ou isolant) si elles existent.

Dans les systèmes multicouches les différentes couches sont toujours assemblées en adhérence totale par soudage, collage au bitume chaud ou collage à froid.

⇒ Compositions des étanchéités bitumineuses monocouches

Les étanchéités bitumineuses monocouches peuvent être posées suivant différentes possibilités de combinaisons de techniques de fixation.

Indépendance sur le support

Couche unique posée librement (LL)

Adhérence totale au support

Couche unique soudée à la flamme (TS)
Couche unique collée à froid (TC)

Semi-indépendance sur le support

Sous-couche perforée VP 45/30 collée au bitume chaud, couche supérieure soudée à la flamme (PBs)
Sous-couche perforée VP 45/15 déroulée librement, couche supérieure soudée à la flamme (PLs)
Couche unique soudée à la flamme (PS)

Couche unique collée à froid (PC)

Fixation mécanique au support

Couche unique vissée dans les recouvrements (MV)

(LL) Monocouche / pose en indépendance

On applique successivement sur le support :

une couche facultative de désolidarisation (voile de verre ou natte de polyester),
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère avec recouvrements soudés,
une couche de protection lourde.

Système (LL)

Support.
Couche de désolidarisation éventuelle.
Membrane en bitume polymère posée librement
Protection lourde.

* * *

(TS) Monocouche / adhérence totale / soudage à la flamme

On applique successivement sur le support :

un vernis d’adhérence bitumineux si le support est en béton,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère soudée à la flamme, avec recouvrements soudés.

Système (TS)

Support.
Vernis d’adhérence (si support en béton).
Membrane en bitume polymère soudée à la flamme.

* * *

(TC) Monocouche / adhérence totale / collage à froid

On applique successivement sur le support :

un vernis d’adhérence bitumineux si le support est en béton,
une couche de colle bitumineuse à froid,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère déroulée dans la colle, avec recouvrements soudés.

Système (TC)

Support.
Vernis d’adhérence (si support en béton).
Couche de colle à froid.
Membrane en bitume polymère déroulée dans la colle.

* * *

(PBs) Monocouche / semi-indépendance / sous-couche perforée (VP45/30) collée au bitume chaud / couche finale soudée

On applique successivement sur le support :

un vernis d’adhérence bitumineux si le support est en béton,
une membrane perforée VP45/30 posée librement,
une couche de bitume soufflé chaud,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère soudée à la flamme, avec recouvrements soudés.

Système (PBs)

Support.
Vernis d’adhérence (si support en béton).
Membrane perforée posée librement.
Couche de bitume chaud.
Membrane en bitume polymère soudée.

* * *

(PLs) Monocouche / semi-indépendance / sous-couche perforée / soudage à la flamme

On applique successivement sur le support :

un vernis d’adhérence bitumineux si le support est en béton,
une membrane perforée VP40/15 posée librement,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère soudée à la flamme, avec recouvrements soudés.

Système (PLs)

Support.
Vernis d’adhérence (si support en béton).
Membrane perforée posée librement.
Membrane en bitume polymère soudée à la flamme.

* * *

(PS) Monocouche / semi-indépendance / soudage à la flamme

On applique successivement sur le support :

un vernis d’adhérence bitumineux si le support est en béton,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère comportant des zones d’adhérence par points ou par bande, soudée à la flamme, avec recouvrements soudés.

Système (PS)

Support.
Vernis d’adhérence (si support en béton).
Membrane en bitume polymère avec points d’adhérence soudée à la flamme.

* * *

(PC) Monocouche / semi-indépendance / collage à froid

On applique successivement sur le support :

un vernis d’adhérence bitumineux si le support est en béton,
une couche de colle à froid, par bandes ou par plots,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère déroulée dans la colle, avec recouvrements soudés.

Système (PC)

Support.
Vernis d’adhérence (si support en béton).
Couche de colle à froid par bandes ou plots.
Membrane en bitume polymère déroulée dans la colle.

* * *

(MV) Monocouche / fixation mécanique / vissage

On applique sur le support :

Une couche facultative de désolidarisation,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère fixée mécaniquement au niveau des recouvrements, avec recouvrements soudés.

Système (MV)

Support.
Membrane en bitume polymère fixée mécaniquement.

⇒ Compositions des étanchéités bitumineuses multicouches

Les étanchéités bitumineuses multicouches peuvent être posées suivant différentes possibilités de combinaisons de techniques de fixation.

Indépendance sur le support

Sous couche posée librement

Couche supérieure soudée à la flamme (LLs)
Couche supérieure collée à froid (LLc)

Adhérence totale au support

Sous-couche collée au bitume chaud

Couche supérieure soudée à la flamme (TBs)

Sous-couche soudée à la flamme

Couche supérieure soudée à la flamme (TSs)

Sous-couche collée à froid

Couche supérieure soudée à la flamme (TCs)
Couche supérieure collée à froid (TCc)

Semi-indépendance sur le support

Couche intermédiaire collée au bitume chaud sur sous-couche perforée collée au bitume chaud

Couche supérieure soudée à la flamme (PBBs)

Sous-couche avec plots ou bande soudée en semi-indépendance à la flamme

Couche supérieure soudée à la flamme (PSs)

Sous-couche collée à froid

Couche supérieure soudée à la flamme (PCs)
Couche supérieure collée à froid (PCc)

Fixation mécanique au support

Sous-couche vissée

Couche supérieure soudée à la flamme (MVs)
Couche supérieure collée à froid (MVc)

Sous-couche clouée

Couche supérieure soudée à la flamme (MNs)
Couche supérieure collée à froid (MNc)

(LLs) Multicouche / pose en indépendance / couche supérieure soudée à la flamme

On applique successivement sur le support :

une couche facultative de désolidarisation (voile de verre ou natte de polyester),
une membrane V3 ou supérieure avec recouvrements soudés à la flamme,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère soudée à la flamme, avec recouvrements soudés,
une couche de protection lourde.

Système (LLs)

Support.
Couche de désolidarisation éventuelle.
Membrane de sous couche posée librement.
Couche de bitume chaud.
Membrane en bitume polymère soudée à la flamme.
Protection lourde.

* * *

(Llc) Multicouche / pose en indépendance / couche supérieure collée à froid

On applique successivement sur le support :

une couche facultative de désolidarisation (voile de verre ou natte de polyester),
une membrane V3 ou supérieure, avec recouvrements soudés,
une couche de colle à froid,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère déroulée dans la colle, avec recouvrements soudés,
une couche de protection lourde.

Système (Llc)

Support.
Couche de désolidarisation éventuelle.
Membrane de sous couche posée librement.
Couche de colle à froid.
Membrane en bitume polymère déroulée dans la colle.
Protection lourde.

* * *

(TBs) Multicouche / adhérence totale / sous-couche collée au bitume chaud / couche supérieure soudée à la flamme

On applique successivement sur le support :

une vernis d’adhérence bitumineux si le support est en béton,
une couche de bitume soufflé chaud,
une membrane déroulée dans le bitume chaud : V3 ou supérieure,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère soudée à la flamme, avec recouvrements soudés.

Système (TBs)

Support.
Vernis d’adhérence (si support en béton).
Couche de bitume chaud.
Membrane en bitume (sauf APP) déroulée dans le bitume chaud.
Membrane en bitume polymère soudée à la flamme.

* * *

(TSs) Multicouche / adhérence totale / sous couche soudée à la flamme / couche supérieure soudée à la flamme

On applique successivement sur le support :

une vernis d’adhérence bitumineux si le support est en béton,
une membrane V3 ou supérieure soudée à la flamme,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère , soudée à la flamme avec recouvrements soudés.

Système (TSs)

Support.
Vernis d’adhérence (si support en béton).
Membrane en bitume soudée à la flamme.
Membrane en bitume polymère soudée à la flamme.

* * *

(TCs) Multicouche / adhérence totale / sous couche collée à froid / couche supérieure soudée

On applique successivement sur le support :

une vernis d’adhérence bitumineux si le support est en béton,
une couche de colle bitumineuse à froid,
une membrane déroulée dans la colle : V3 ou supérieure,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère soudée, avec recouvrements soudés.

Système (TCs)

Support.
Vernis d’adhérence (si support en béton).
Couche de colle à froid.
Membrane en bitume déroulée dans la colle.
Membrane en bitume polymère soudée.

* * *

(TCc) Multicouche / adhérence totale / sous couche collée à froid / couche supérieure collée à froid

On applique successivement sur le support :

une vernis d’adhérence bitumineux si le support est en béton,
une couche de colle bitumineuse à froid,
une membrane déroulée dans la colle : V3 ou supérieure,
une couche de colle bitumineuse à froid,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère déroulée dans la colle, avec recouvrements soudés.

Système (TCc)

Support.
Vernis d’adhérence (si support en béton).
Couche de colle à froid.
Membrane en bitume déroulée dans la colle.
Couche de colle à froid.
Membrane en bitume polymère déroulée dans la colle.

* * *

(PBBs) Multicouche/semi-indépendance/couche intermédiaire collée au bitume chaud sur sous-couche perforée collée au bitume chaud/couche supérieure soudée à la flamme

On applique successivement sur le support :

une vernis d’adhérence bitumineux si le support est en béton,
une sous-couche perforée (VP45/30) collée au bitume chaud.
une membrane collée au bitume soufflé chaud,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère soudée à la flamme, avec recouvrements soudés.

Système (PBBs)

Support.
Vernis d’adhérence (si support en béton).
Membrane perforée collée au bitume chaud.
Couche de bitume chaud.
Membrane intermédiaire.
Membrane en bitume polymère soudée.

* * *

(PSs) Multicouche / semi-indépendance / sous-couche avec plots ou bandes soudée à la flamme / couche supérieure soudée à la flamme

On applique successivement sur le support :

une vernis d’adhérence bitumineux si le support est en béton,
une membrane bitumineuse avec plots ou bandes soudée partiellement,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère soudée à la flamme, avec recouvrements soudés.

Système (PSs)

Support.
Vernis d’adhérence (si support en béton).
Membrane en bitume avec points d’adhérence soudée à la flamme.
Membrane en bitume polymère soudée à la flamme.

* * *

(PCs) Multicouche / semi-indépendance / sous-couche collée à froid / couche supérieure soudée à la flamme

On applique successivement sur le support :

une vernis d’adhérence bitumineux si le support est en béton,
une couche de colle bitumineuse à froid par bandes (collage partiel)
une membrane déroulée dans la colle : V3 ou supérieure,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère soudée à la flamme, avec recouvrements soudés.

Système (PCs)

Support.
Vernis d’adhérence (si support en béton).
Couche de colle à froid par bandes ou plots.
Membrane en bitume déroulée dans la colle.
Membrane en bitume polymère soudée à la flamme.

* * *

(PCc) Multicouche / semi-indépendance / sous-couche collée à froid / couche supérieure collée à froid

On applique successivement sur le support :

une vernis d’adhérence bitumineux si le support est en béton,
une couche de colle bitumineuse à froid par bandes (collage partiel)
une membrane déroulée dans la colle : V3 ou supérieure,
une couche de colle bitumineuse à froid,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère déroulée dans la colle, avec recouvrements soudés.

Système (PCc)

Support.
Vernis d’adhérence (si support en béton).
Couche de colle à froid par bandes ou plots.
Membrane en bitume déroulée dans la colle.
Couche de colle à froid.
Membrane en bitume polymère déroulée dans la colle.

* * *

(MVs) Multicouche/fixation mécanique/sous-couche vissée/couche supérieure soudée à la flamme

On applique successivement sur le support :

une couche éventuelle de désolidarisation,
une membrane P4 fixée avec des vis et des plaquettes de répartition, recouvrements soudés à la flamme,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère soudée à la flamme, avec recouvrements soudés.

Système (MVs)

Support.
Membrane en bitume fixée mécaniquement à l’aide de vis.
Membrane en bitume polymère soudée à la flamme.

* * *

(Mvc) Multicouche / fixation mécanique / sous-couche vissée / couche supérieure collée à froid

On applique successivement sur le support :

une couche éventuelle de désolidarisation,
une membrane P4 fixée avec des vis et des plaquettes de répartition, recouvrements collés à froid,
une couche de colle bitumineuse à froid,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère déroulée dans la colle, avec recouvrements soudés.

Système (Mvc)

Support.
Membrane en bitume fixée mécaniquement à l’aide de vis.
Couche de colle à froid.
Membrane en bitume polymère déroulée dans la colle.

* * *

(MNs) Multicouche / fixation mécanique / sous-couche clouée / couche supérieure soudée à la flamme

On applique successivement sur le support :

une couche éventuelle de désolidarisation,
une membrane P4 clouée, recouvrements soudés à la flamme,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère soudée à la flamme, avec recouvrements soudés.

Système (MNs)

Support.
Membrane en bitume fixée mécaniquement à l’aide de clous.
Membrane en bitume polymère soudée à la flamme.

* * *

(MNc) Multicouche / fixation mécanique / sous-couche clouée / couche supérieure collée à froid

On applique successivement sur le support :

une couche de désolidarisation (voile de verre ou natte de polyester),
une membrane P4 clouée, recouvrements collés à froid,
une couche de colle bitumineuse à froid,
une membrane de minimum 4 mm de bitume polymère déroulée dans la colle, avec recouvrements soudés.

Système (MNc)

Support.
Membrane en bitume fixée mécaniquement à l’aide de clous.
Couche de colle à froid.
Membrane en bitume polymère déroulée dans la colle.

Les types de pose des étanchéités synthétiques

Les étanchéités synthétiques sont en général toujours monocouches.

Les étanchéités peuvent être posées sur le support de différentes manières :

en indépendance,
en adhérence totale,
en semi-indépendance,
par fixation mécanique.

La pose des membranes d’étanchéité synthétiques varie selon le produit. Elle doit donc être effectuée conformément aux prescriptions des fabricants et des agréments techniques des produits, par du personnel connaissant la technique de pose. Celle-ci diffère généralement des techniques traditionnellement utilisées pour les membranes bitumineuses.

Application sur le support

Les membranes pourront, suivant leurs types, être :

posées librement sur le support,
collées au support à l’aide de colle de contact,
collées au support à l’aide de bitume chaud modifié ou non,
collées à froid sur le support à l’aide de colle bitumineuse,
collées au support à l’aide de colle spéciale en haut polymères,
fixées mécaniquement au support selon différentes techniques.

Étanchéité des recouvrements

Les recouvrements pourront être :

soudés à l’aide de solvants,
soudés à l’air chaud,
soudés par ondes à haute fréquence,
collés par application de colle,
collés par application de bandes collantes sur le joint ou dans le joint.

L’application de certaines de ces techniques est délicate et nécessite un soin particulier.

Des conditions atmosphériques favorables, et la pose correcte des produits surtout lorsqu’il contiennent des solvants sont indispensables. Certaines membranes ne peuvent être posées lorsqu’il y a trop de vent, trop de poussière ou trop d’humidité, ou lorsqu’il fait trop froid.

Le personnel qui effectue la pose doit donc être très soigneux et très qualifié.

Les systèmes d’accrochage des membranes

Pour contrer les effets de succion dus au vent qui peuvent être très importants, il est nécessaire de maintenir les systèmes d’étanchéité sur leur support.

Cela peut se faire de plusieurs manières :

Lorsque l’étanchéité comprend plusieurs couches, les différentes couches doivent être solidarisées. Elles le sont uniquement par collage ou soudage.

* * *

Lestage

Lorsque l’étanchéité n’est pas fixée au support, on dit qu’elle est posée en indépendance. Il est alors nécessaire de la lester. Le poids du lest doit être déterminé en fonction des contraintes.

Lestage.

Le lestage fait en même temps fonction de protection de la membrane d’étanchéité contre les rayonnements UV du soleil.

Dans le cas de la toiture inversée, l’isolation est posée entre l’étanchéité et le lestage.

Lestage d’une toiture inversée.

La fixation de l’isolant est toujours conseillée, même sous une étanchéité posée en indépendance.

* * *

Fixation mécanique

La fixation mécanique de l’étanchéité est théoriquement possible sur tout support, mais elle est surtout utilisée sur des supports en bois, en béton cellulaire ou en tôles d’acier.

La fixation au support se fait à l’aide de clous ou de vis autoforantes munies de plaquettes de répartition.

Exemple de fixation mécanique.

L’étanchéité est fixée (à travers l’isolant, s’il s’agit d’une toiture chaude) au support. Les fixations sont placées dans les recouvrements ou dans la sous-couche de l’étanchéité à laquelle est ensuite collée la couche supérieure.

Membrane fixée par vis à travers l’isolant.

Le nombre de fixations nécessaires pour résister au vent, dépend de l’étanchéité à l’air du bâtiment, de la situation du bâtiment, de la hauteur du bâtiment, du support de l’étanchéité et de la résistance utile au vent des fixations, ainsi que de la zone de toiture concernée.

* * *

Collage au bitume chaud

La méthode de collage à plein bain de bitume, consiste à déverser sur le support un bitume chaud et liquide et à déposer dans celui-ci le matériau (membrane ou isolant) à faire adhérer.

Collage au bitume chaud.

Le bitume que l’on utilise pour le collage à chaud est le bitume soufflé (aussi appelé bitume oxydé).

Le type recommandé est le 110/30. Il convient pour les pentes supérieures à 5 % et pour les relevés à cause de son point de ramollissement élevé grâce auquel il résiste mieux au fluage.

Ce système convient à tous les supports de toiture sauf aux tôles profilées en acier. Il est parfois nécessaire d’appliquer un vernis d’adhérence sur certains supports avant de couler le bitume.

La quantité dépend du support avec un minimum de 1 Kg/m².

Le bitume doit être suffisamment chaud (± 200°C) pour pénétrer correctement dans le support, mais pas trop pour que la couche de bitume soit suffisamment épaisse.

Les membranes revêtues d’un film thermofusible ne peuvent être collées au bitume chaud.

Les membranes à base de bitume APP ne peuvent être collées au bitume à chaud, car leur point de ramollissement est trop élevé.

* * *

Soudage à la flamme

La méthode consiste à chauffer à la flamme et jusqu’à fusion d’une certaine épaisseur, la face inférieure de la membrane à coller, tout en la déroulant sur le support. La masse bitumineuse fondue fait adhérer la membrane au support.

La membrane est chauffée sur toute sa largeur. Un bourrelet de bitume fondu est poussé par le rouleau que l’on déroule.

Soudure à la flamme.

Cette technique nécessite l’usage de brûleurs spécialement conçus pour l’étanchéité. Il existe des appareils spéciaux avec rampe de brûleurs qui, en répartissant mieux la chaleur, permettent de travailler plus vite tout en assurant une pose plus régulière.

Rampe de brûleurs.

Le rouleau est tiré pour permettre un contrôle visuel permanent de la continuité du collage.

Certaines membranes sont munies en face inférieure d’un film thermofusible destiné à augmenter l’efficacité de la méthode.

Les membranes à souder ont au moins une épaisseur de 3 mm.

* * *

Pose avec colle bitumineuse à froid

La méthode du collage à froid consiste à coller la membrane en la pressant dans une couche de colle bitumineuse froide.

Pose à la colle bitumineuse à froid.

La quantité de colle à utiliser dépend de la qualité du support,de la qualité du matériau à coller et de l’action du vent sur la toiture.

La colle est appliquée sur l’entièreté de la surface du support ou sur une partie de celui-ci, par bandes ou plots.

La pente du support ne peut pas dépasser 15 %.

Les relevés devront toujours être réalisés par soudage à la flamme.

* * *

Pose avec adhésif non bitumineux

La pose de certaines membranes synthétiques fait appel à des colles synthétiques de contact ou à des hauts polymères spéciaux.

Pose à la colle synthétique.

Ces produits doivent être fournis ou agréés par les fabricants des membranes. Les techniques d’application sont définies par le fabricant. Elles sont parfois compliquées et nécessitent une main-d’œuvre spécialisée.

La pose ne peut se faire que lorsque les conditions atmosphériques sont favorables.

Les systèmes d’accrochage des isolants

Pour contrer les effets de succion dus au vent qui peuvent être très importants, il est nécessaire de maintenir les isolants sur le support.
Cela peut se faire de plusieurs manières :

***

Lestage

Lorsque l’isolant n’est pas fixé au support, on dit qu’il est posé en indépendance.

Il est alors nécessaire de le lester (toiture inversée),

Lestage de la toiture inversée.

ou de lester l’étanchéité qui le couvre (toiture chaude).

Lestage de la toiture chaude.

Les matériaux utilisés pour le lestage servent également de protection. Ce sont les protections lourdes.

Le poids du lest doit être déterminé en fonction des contraintes (dimensionnement du système d’accrochage).

La pose en indépendance ne convient pas pour le verre cellulaire (CG).

Attention !
La fixation de l’isolant est toujours conseillée, même sous une étanchéité posée en indépendance.

***

Fixation mécanique

La fixation mécanique de l’isolant est théoriquement possible sur tout support, mais elle est surtout utilisée sur des supports en bois ou en tôles d’acier.

L’isolant est fixé au support à l’aide de clous ou de vis autoforantes munies de plaquettes de répartition.

Vis d’accrochage de l’isolant.

Soit, l’isolant est fixé mécaniquement au support et ensuite l’étanchéité est collée à l’isolant,

Membrane collée à l’isolant
fixé mécaniquement.

soit l’étanchéité est fixée à travers l’isolant au support.

Membrane fixée mécaniquement
à travers l’isolant.

L’isolant doit être suffisamment épais.

Cette méthode ne convient pas pour le verre cellulaire.

***

Collage au bitume chaud

La méthode de collage à plein bain de bitume, consiste à déverser sur le support un bitume chaud et liquide et à déposer immédiatement dans celui-ci l’isolant à faire adhérer.

Isolant collé au bitume chaud.

Le bitume que l’on utilise pour le collage à chaud est le bitume soufflé (aussi appelé bitume oxydé) chauffé à environ 200°C.

Ce système convient à tous les supports de toiture sauf aux tôles profilées en acier. En effet, sur l’acier le bitume refroidit trop vite, surtout par temps froid. De plus, la surface de collage est réduite de par la forme des profilés.

Il est parfois nécessaire d’appliquer un vernis d’adhérence sur certains supports, comme le béton ou l’acier, avant de couler le bitume.

Le verre cellulaire peut être collé au bitume chaud sur des tôles profilées en acier, à condition de tremper les panneaux dans un bac de bitume chaud, et d’adapter l’ouverture des nervures et la rigidité des tôles, à l’épaisseur du verre cellulaire.

***

Pose avec colle bitumineuse à froid

La méthode du collage à froid consiste à coller l’isolant en le pressant dans une couche de colle bitumineuse froide.

La quantité de colle à utiliser dépend de la qualité du support,de la qualité du matériau à coller et de l’action du vent sur la toiture.

La colle est appliquée sur l’entièreté de la surface du support ou sur une partie de celui-ci, par bandes ou plots.

Il est parfois nécessaire d’appliquer un vernis d’adhérence sur certains supports, comme le béton ou l’acier, avant d’appliquer la colle.

La pente du support ne peut pas dépasser 15 %.

La technique du collage à froid n’est pas permise pour le polystyrène expansé (EPS).

En règle générale, il faut s’assurer de la compatibilité de la colle à froid avec l’isolant.

***

Pose avec une colle synthétique

Cette méthode consiste à coller l’isolant en le pressant dans une couche de colle synthétique.

La quantité de colle à utiliser dépend de la qualité du support,de la qualité du matériau à coller et de l’action du vent sur la toiture.

La colle est généralement appliquée sur une partie de la surface du support, par bandes.

Ces produits doivent être fournis ou agréés par les fabricants des isolants. Les techniques d’application sont définies par le fabricant et doivent être respectées.

Posted By : 25 Sep, 2007

Ballasts

A quoi servent les ballasts, les starters et les condensateurs ?

Le fonctionnement des lampes fluorescentes et des lampes à décharge nécessite l’utilisation de ballasts et de starters (pour les lampes fluo) ou d’amorceurs (pour les lampes à décharge).

L’exemple repris ici décrit le mode d’allumage d’un tube fluorescent. Le fonctionnement est identique pour les lampes fluocompactes et pour les lampes à décharge. Pour ces dernières, le brûleur remplace le tube et l’amorceur remplace le starter.

Schéma mode d'allumage d'un tube fluorescent.

Fig. 1, 2 et 3.

Le starter est composé d’un petit tube rempli de gaz et pourvu d’un bilame.

À l’allumage, la mise sous tension provoque un arc électrique au sein du gaz. Celui-ci échauffe le bilame, jusqu’alors ouvert (fig. 1).

Pendant ce temps, un courant circule dans les électrodes du tube. Elles s’échauffent et ionisent le gaz qui les environne, ce qui facilitera l’allumage.

Sous l’effet de la chaleur, le bilame se ferme, l’arc électrique dans le starter disparaît. (fig. 2).

Le bilame se refroidit alors et s’ouvre. Il provoque ainsi une interruption brusque du courant dans le ballast raccordé en série.

Le ballast, composé d’un bobinage de cuivre entourant un noyau de fer (ballast dit inductif ou électromagnétique), va tenter de rétablir ce courant en libérant toute son énergie. Cela provoque une impulsion de tension très élevée entre les électrodes de la lampe (jusqu’à 1 500 V) capable d’allumer le tube fluorescent (fig. 3).

Souvent, cet allumage ne réussit pas en une seule tentative. Si la lampe ne s’est pas allumée, le cycle recommence.

En fonctionnement, la tension aux bornes de la lampe est trop faible pour générer un nouveau cycle d’allumage (40 à 110 V). Le starter se maintient donc en position ouverte et le courant traverse la lampe qui reste allumée.

À partir de cet instant, le ballast joue le rôle de limiteur de courant et empêche la destruction de la lampe.

Lorsque le ballast est électromagnétique, il faudra ajouter un condensateur dans le circuit pour compenser le mauvais cos φ.

Ballast électromagnétique

Starters.

Ballasts électromagnétiques.

Condensateur.

Le ballast électromagnétique (appelé aussi « inductif » ou « conventionnel ») est essentiellement constitué d’un bobinage. Il doit être associé à un starter pour provoquer l’allumage des lampes fluorescentes. Certains ballasts dits « à faibles pertes », ont une consommation nettement plus faible que celle des ballasts conventionnels. Il existe aussi des ballasts « à très faibles pertes » mais ils sont beaucoup plus volumineux.

L’utilisation de ballasts électromagnétiques induit un facteur de puissance relativement bas (cos = 0,5), ce qui peut être pénalisé par le distributeur électrique. Il n’est donc pas rare de devoir ajouter des condensateurs soit en tête d’installation, soit au niveau des luminaires afin de compenser l’effet inductif. On peut aussi insérer des condensateurs (d’une capacité double) dans 50 % des circuits de lampes pour compenser l’effet inductif total. Ceci permet d’économiser un condensateur sur deux.

Exemples de raccordement interne d’un luminaire avec ballast électromagnétique. C = condensateur, S = starter, TL = tube fluorescent
	Circuit inductif à un tube Cos φ= 0,5 (inductif).
	Circuit compensé Cos φ = 0,9.
	Circuit de deux lampes (une capacitive et une inductive). Raccordement en parallèle Cos φ = 0,95.
	Circuit de deux lampes (circuit « duo »). Raccordement en série avec un seul ballast Cos φ = 0,5.

Ballast électronique haute fréquence pour lampes fluorescentes

L’ensemble starter, ballast conventionnel et condensateur de compensation du cos φ peut être remplacé par un ballast électronique avec ou sans préchauffage des cathodes.
Celui-ci alimente les lampes sous haute fréquence (entre 25 et 60 kHz). Il est appelé également ballast HF (haute fréquence).
Son facteur de puissance est proche de 1 et il n’y a donc pas de nécessité de compenser celui-ci par l’utilisation de condensateurs.
Ce système, ne nécessitant pas de starter, présente nettement moins de pertes.

Ballast électronique pour tube fluorescent.

Ballast électronique avec préchauffage (ou cathode chaude)

Le ballast électronique avec préchauffage des cathodes présentent bon nombre d’avantages :

Il a une consommation plus faible qu’un ballast conventionnel.

Il augmente l’efficacité lumineuse et la durée de vie des lampes fluorescentes (jusqu’à 16 000 h).

Il diminue le papillotement des lampes à décharge en alimentant les lampes sous haute fréquence et prolonge ainsi leur durée de vie. La diminution de papillotement diminue aussi la fatigue visuelle provoquée par les tubes fluorescents.

Il coupe automatiquement l’alimentation d’une lampe défectueuse et évite son clignotement en fin de vie.

Son facteur de puissance est proche de 1.

Il diminue le niveau de bruit.

Il a une consommation constante pour une large plage de tension.

Exemple de diminution de la consommation énergétique en fonction de la présence d’un ballast électronique.

Ballast électronique sans préchauffage

Le seul avantage d’un ballast électronique sans préchauffage des cathodes est qu’il consomme moins qu’un ballast conventionnel. Par contre, il n’évite pas, lors de l’allumage du tube, une surtension au travers des cathodes. Cela entraîne un déclin du tube suite à son noircissement au droit des cathodes.

Ballast électronique dimmable

Les ballasts électroniques dimmables permettent de contrôler le flux lumineux des lampes dans une certaine proportion. La plupart ont une plage de dimming de 3-10 % à 100 %. Ce type de ballast permet donc de générer une économie d’énergie vu que la consommation électrique est quasi proportionnelle au flux lumineux sur toute la plage de dimming.

Exemple de ballast électronique dimmable pour lampe fluocompacte à broche.

Le ballast électronique dimmable, raccordé à un simple dimmer, permet d’ajuster le niveau d’éclairement à la demande. On corrige ainsi le surdimensionnement inévitable des nouvelles installations.

Le plus courant des ballasts électroniques dimmables est commandé/géré en 0-10V. On les appelle aussi les ballasts électroniques dimmables analogiques. À l’inverse les ballasts électroniques de type DALI sont numériques et adressables.

Ce ballast sera aussi utilisé lorsque le flux lumineux doit s’adapter à l’apport en éclairage naturel.

Ballast électronique pour lampes au sodium basse pression

Ballast électronique pour lampe sodium basse pression.

L’ensemble starter, ballast conventionnel et condensateur peut être remplacé par un ballast électronique, appelé également ballast HF (haute fréquence). À l’opposé des ballasts électroniques pour lampes fluorescentes, il n’existe qu’un seul type de ballast électronique pour lampes au sodium basse pression.

Les avantages de ce ballast par rapport au ballast conventionnel sont :

Une consommation propre plus faible qu’un ballast conventionnel (75 % en moins).

Il diminue le papillotement des lampes à décharge en alimentant les lampes sous haute fréquence.

Il réduit l’influence de la fluctuation de la tension.

Contrairement au ballast conventionnel, la puissance consommée reste pratiquement constante pendant toute la durée de vie de la lampe.

Il est moins encombrant et se monte plus facilement.

Ballast électronique pour lampes à décharge haute pression

Ballast électronique pour lampe HID.

Il existe un ballast électronique dimmable pour lampe au sodium haute pression et lampe aux iodures métalliques.

Il présente certains avantages par rapport au ballast électromagnétique :

Il réduit l’influence de la fluctuation de la tension et augmente la durée de vie des lampes (15 à 20 %).

Il diminue le clignotement des lampes à décharge, ce qui atténue la fatigue visuelle provoquée par la lampe.

Il est moins encombrant et se monte plus facilement.

Le temps de mise en service est réduit.

Pour certaines marques, ces ballasts électroniques permettent un réamorçage à chaud instantané.

Néanmoins, l’usage de ces ballasts est limité à certaines lampes (certaines puissances et certains types de culots).

Ballast électronique multilampes

Ballast électronique « intelligent ».

Ce type de ballast, grâce à son « intelligence embarquée », est en mesure de reconnaître les différentes lampes fluorescentes T5 uniquement de manière autonome et de les amorcer de façon optimale.

Lors du premier amorçage de la lampe, le microprocesseur du ballast électronique effectue plusieurs mesures des paramètres de la lampe fluorescente et compare celles-ci avec les valeurs de références normalisées enregistrées dans sa mémoire telles que :

le courant de préchauffage,
la tension d’électrode,
l’impédance de l’électrode,
le courant normal de régime,
la tension de service de la lampe.

L’identification terminée, les paramètres de fonctionnement du ballast sont fixés en fonction du type et de la puissance de la lampe fluorescente détectée et enregistrés dans sa mémoire (EPROM).

Lors des amorçages suivants, seul un très court test de vérification est effectué si les paramètres de la lampe n’ont pas changé.

Le ballast multilampes s’adapte en général à différentes gammes de puissances reprises dans le tableau suivant :

Longueur de tube	Puissance des lampes
550 mm	14 et 24 W
850 mm	21 et 39 W
1 150 mm	28 et 54 W
1 450 mm	35, 49 et 80 W

Ballast électronique à commande numérique DALI

Ballast électronique de type DALI.

En mettant à profit les possibilités de l’électroniques, les ballasts électroniques permettent de réaliser (en fonction du modèle) la gradation des lampes fluorescentes ou d’être intégrés dans des systèmes de gestion numérique de l’éclairage tel que, par exemple, le standard d’interface numérique DALI (Digital Addressable Lighting Interface). À partir de cet instant, on peut parler de « réseau adressable d’éclairage » offrant beaucoup d’avantages au niveau de :

la flexibilité et la modularité de l’installation d’éclairage en fonction du zonage des grands espaces,

l’amélioration du confort des utilisateurs et de l’efficacité énergétique.

A contrario, un tel type de réseau engendre des coûts d’installation et d’équipement non négligeables.

Les ballasts à régulation adressable électronique DALI ressemblent aux ballasts électroniques gradables classiques et ne se différentient que par le sigle suivant :

Les ballasts DALI ont les caractéristiques suivantes :

placé en réseau, chaque ballast est adressable séparément en donnant beaucoup de flexibilité à l’installation (moins de problème dans le câblage en conception et en rénovation),

le flux lumineux de la lampe peut être régulé entre 3 et 100 % en assurant une bonne gestion énergétique par rapport à l’occupation des locaux et l’apport de lumière naturelle,

les constructeurs annoncent jusqu’à 60 % d’économie d’énergie (à vérifier !).

les états des ballasts sont analysés en permanence (défaut de lampes, durée de vie, .

Comparaison des ballasts électroniques dimmables analogiques et numériques

Les ballasts électroniques dimmables de type numérique DALI se positionnent entre les systèmes analogiques 1-10 V et les systèmes bus de type EIB (KNX) par exemple.

Les ballasts de type DALI peuvent tout aussi bien gérer des luminaires dans une configuration des plus simples qu’intégrer un sous-système de gestion par bus. Comme le montre le schéma ci-dessus, les ballasts électroniques DALI sont un bon compromis entre la fonctionnalité embarquée et les coûts.

Classification énergétique des ballasts

La directive européenne 2000/55/CE et l’Arrêté Royal du 05 mars 2002 établit des exigences de rendement énergétique des ballasts pour lampes fluorescentes.

Il ressort de la Directive et de l’Arrêté que les classe C et D (ballast électromagnétique à moyennes et fortes pertes) sont dorénavant interdites.

Le CELMA (Fédération des Associations Nationales de Fabricants de Luminaires et de composants Electrotechniques pour Luminaires de l’Union Européenne), quant à lui, va plus loin en proposant une classification énergétique de l’ensemble ballast + lampe; ce qui est plus logique au sens énergétique du terme. Pour en savoir plus : La puissance absorbée par les lampes fluorescentes et leurs auxiliaires (ballast) !

Posted By : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Sonde CO2

Domaine d’application

Le CO₂, dioxyde de carbone, n’est pas un polluant pour les niveaux de concentration rencontrés normalement dans les bâtiments. Il est cependant représentatif du nombre d’occupants et donc, de façon indirecte, des polluants dégagés par les usagers, comme les odeurs. Par contre, il est peu sensible aux émanations de la combustion du tabac.

Le taux de CO₂ constitue donc un paramètre intéressant pour le réglage de la ventilation des locaux à occupation intermittente et variable comme les salles de conférences, de spectacle, d’enseignement… et les locaux où la fumée du tabac n’est pas le principal agent polluant. Dans ce dernier cas, c’est une « sonde de COV » (Composés Organiques Volatiles) ou « sonde de mélange de gaz » qui sera choisie.

A ne pas confondre avec les sondes CO, sondes qui détectent le monoxyde de carbone, principalement utilisées pour la ventilation des garages.

Fonctionnement

La mesure du CO₂ dans l’air est basée sur le fait que ce gaz absorbe le rayonnement infrarouge dans une plage donnée de longueurs d’onde.

L’importance de cette absorption (et donc la teneur en CO₂) est mesurée, soit par l’intermédiaire d’un microphone pour le procédé acoustique, soit par un détecteur infrarouge pour le procédé photométrique.

Le procédé acoustique est similaire. Un rayonnement infrarouge, modulé à quelques centaines de hertz, est émis. Son absorption par le CO₂ échauffe l’air. Les variations de température dans le volume fermé provoquent une variation de pression à la même fréquence. L’amplitude de cette variation de pression est mesurée par un microphone.

Le procédé photométrique consiste à mesurer l’intensité du flux infrarouge après son absorption par le CO₂ contenu dans le volume d’air.

Certains intègrent une petite pompe d’aspiration de l’air à mesurer.

Plage de mesure

Les sondes de CO₂ présentent généralement une plage de mesure de 0-2 000 ppm, satisfaisante pour la mesure des concentrations observées dans les bâtiments :

Parce que la teneur en CO₂ de l’air extérieur est de l’ordre de 400 ppm.
Parce que dès 800 ppm une diminution de la concentration et du confort s’observe déjà chez l’homme.
Parce que les réglementations limitent généralement à 1 000 … 1 500 ppm la teneur maximale dans les bâtiments tertiaires.

Seules, les sondes CO₂ présentes dans l’industrie pour détecter le dépassement des seuils de toxicité dépassent ces plages de mesure. Il s’agit d’assurer la sécurité du personnel dans les zones à risques (zones à pollution spécifique). La concentration maximale à laquelle un être humain peut être exposé pendant 8 h est fixée à 5 000 ppm dans de nombreux pays. Une concentration mortelle pour l’homme est atteinte autour des 200 000 ppm.

Le temps de réponse d’une sonde de CO₂ peut atteindre 5 à 10 minutes. Mais ceci crée un amortissement favorable pour la régulation d’un système de ventilation.

L’erreur de mesure des produits actuels varie entre 10 et 100 ppm.

Lors de la mise sous tension, il faut attendre la stabilisation de l’appareil (généralement 5 minutes, parfois beaucoup plus !).

Output

Elles sont dotées :

Soit d’une sortie analogique (de type 0 – 10 V ou 4 – 20 mA), ce qui permet une action modulante sur un volet d’admission d’air neuf ou sur un ventilateur à vitesse variable.
Soit d’une sortie tout ou rien, provoquant la mise en route d’une hotte de cuisine par exemple.

Mode de pose

Il existe des modèles adaptés à la pose en paroi dans un local, et d’autres prévus pour être placés dans la gaine de reprise. Cette deuxième solution est préférable pour l’homogénéité de l’air mesuré.

Il convient toutefois de prendre quelques précautions. Les sondes ne doivent pas être installées ni trop loin, ni trop près de la grille de reprise de façon à :

éviter les dépôts sur la partie sensible de la sonde,
ne pas augmenter par trop le temps de réponse,
éviter les risques de condensation de vapeur d’eau sur la sonde,
garder un accès aisé.

Dans le cas où la sonde est placée dans le local, on sera attentif à

les éloigner des portes et fenêtres (pour éviter l’influence de l’air extérieur et les courants d’air chauds ou froids),
ne pas placer les sondes de CO₂ trop près des individus et de rayonnement de chaleur (minimum 2 m),
éviter les coins (mauvaise circulation de l’air).

De plus en plus de systèmes disposent de LEDs colorées (verte, orange et rouge) pour indiquer divers seuils de pollutions. Par exemple :

verte < 800 ppm, pas de pollution l’air du local est « sain ».
orange entre 800 et 1200 ppm, la concentration de CO₂ commence à se faire sentir (odeurs), baisse de la concentration, des performances et du confort des occupants.
rouge > 1200 ppm, il est temps d’aérer le local !

Dans ce cas-ci, la sonde CO₂ doit être disposée à hauteur d’yeux.

Il faut aussi s’assurer que les ouvertures d’air du capteur ne sont pas obstruées.

Ces sondes doivent finalement être alimentées en permanence. Une coupure de l’alimentation provoque une longue durée d’indisponibilité de l’information fournie, cette durée de remise en régime est de plusieurs heures. Le raccordement de l’alimentation doit donc être réalisé en vue de minimiser les risques d’interruption.

Coût

Le prix d’une sonde de CO₂ adaptée à la régulation de la ventilation est couramment supérieur à 650…750 €.
Ces sondes sont distribuées par des fournisseurs :

de matériel de régulation,
de matériel de ventilation et de traitement d’air,
d’appareils de mesure.

Maintenance

Les sondes de CO₂ doivent être étalonnées régulièrement. Une périodicité de 12 mois est généralement conseillée.

À défaut, les sondes risquent d’être soumises à des dérives à long terme qui anéantiront les économies recherchées par la régulation de la ventilation « à la demande ».
L’étalonnage est effectué sur place, par comparaison avec un mélange de CO₂ à concentration connue, de l’ordre de 1 000 à 1 500 ppm.

L’étalonnage demande quelques précautions :

Il faut se tenir éloigné de la sonde de façon à ne pas fausser la mesure par ses propres émanations.
Le gaz étalon doit être présenté à la sonde avec une pression proche de la pression atmosphérique car la mesure peut varier en fonction de ce paramètre.
Il faut prendre le temps nécessaire pour cette opération puisque le temps de réponse de certaines des sondes de CO₂ peut atteindre 10 minutes. Elle doit être menée plusieurs heures après la mise sous tension, comme indiqué précédemment.

Découvrez cet exemple d’utilisation de sonde CO2 dans une salle de conférence.

Category Archives: Techniques

Les mousses synthétiques

La mousse de polyuréthanne (PUR)

La mousse de polyisocyanurate (PIR)

La mousse de polystyrène expansé (EPS et EPS-SE)

La mousse de polystyrène extrudé (XPS)

La mousse phénolique (PF)

Autres caractéristiques des mousses synthétiques

Les isolants sous vide

Qu’est-ce qu’un isolant sous vide ?

Les avantages de l’isolant sous vide

Les isolants minces réfléchissants

1. Description et principe

2. L’étude menée au CSTC

3. Mise en œuvre

3.1 Règlements thermiques régionaux

3.2 Les PMR selon diverses configurations

3.2.1 Le PMR comme seule isolation thermique d’un versant de toiture

3.2.2 Le PMR comme complément d’une isolation thermique traditionnelle

4. Conclusions

Principe général

Ventilation d’un local indépendant (système unizone)

Ventilation de plusieurs locaux (système multizone)

Circuits simples avec locaux alimentés en série

Exemple

Solution 1

Solution 2

Conclusion

Circuits ramifiés

Modulation des débits

Combinaison pulsion – extraction

Différents capteurs possibles

Principe

La régulation locale du débit d’air pulsé

La régulation globale de la pression dans le conduit d’air pulsé

La régulation locale du débit d’air repris

La régulation globale de la pression dans le conduit d’air repris

Emplacement des capteurs de pression

Solution 1 : le capteur est placé à l’extrémité du conduit

Solution 2 : le capteur est placé à l’entrée du conduit

Solution 3 : le conduit est placé entre la moitié et les deux tiers du réseau

Solution 4 : placer deux sondes de pression

Le verre trempé

Caractéristiques physiques

La pose

Caractéristiques énergétiques et lumineuses

Le verre durci

Caractéristiques physiques

Caractéristiques énergétiques et lumineuses

Le verre feuilleté

Le verre feuilleté avec film plastique en butyral de polyvinyle (PVB) :

Caractéristiques physiques

Mode de rupture

La nomenclature

La pose

Les vitrages à intercalaire en résine coulée :

Caractéristiques physiques

La nomenclature

Les vitrages à intercalaire en PVB amélioré pour l’acoustique, appelé PVBa :

Le verre armé

L’ imprimante laser

L’ imprimante à jet d’encre

Principe de fonctionnement

Fonctionnement en froid seul

Fonctionnement réversible (froid ou chaud)

A récupération d’énergie (froid et chaud simultanément)

Modulation de puissance

Détails technologiques

Fluide réfrigérant

Unité extérieure

Réseau de distribution et dimensionnement des systèmes

Unités intérieures

Traitement de l’air hygiénique

Autres applications

Boitier de sélection

Régulation

Gestion du système de régulation.

« Froid seul » : les unités intérieures assurent le refroidissement uniquement

« Froid ou chaud » : les unités intérieures sont réversibles

« Froid et chaud » : les unités intérieures travaillent à la demande, avec récupération d’énergie

Compresseurs à pistons, construction semi-hermétique
( ou « hermétique accessible »)