Ventilation simple flux
© Architecture et climat 2023.
- Amenée d’air naturel
- Reprise d’air via grille de transfert
- Extraction mécanique
- Gestion
- Réseau de gainage
- Silencieux
- Ventilateur
Principe
On parle de ventilation simple flux lorsque soit l’amenée d’air (pulsion), soit l’évacuation d’air (extraction) est réalisée grâce à un ventilateur (systèmes B ou C, pour la norme NBN D50-001).
La ventilation « simple flux » la plus rencontrée, consiste à créer un mouvement de circulation de l’air dans le bâtiment de telle sorte que l’air neuf entre naturellement par les locaux « propres » (bureaux, chambres d’hôtel,…) et que l’air soit extrait par un ventilateur dans les locaux « humides » (sanitaires, buanderies,…) ou « viciés » (WC, cuisines,…). L’air chemine ainsi à travers plusieurs locaux par ordre croissant de pollution, en passant sous les portes ou par des grilles de transfert.
Pour que cela se passe effectivement ainsi, il faut :
- Que les locaux humides ou viciés soient mis en dépression par rapport au reste du bâtiment. Des extracteurs d’air (ou ventilateurs d’extraction) aspirent l’air des sanitaires, de la cafétéria, … on parle donc d’évacuation mécanique.
- Que des ouvertures soient placées en façade (grilles dans les fenêtres ou dans les murs), pour diffuser de l’air dans les locaux « propres ».
- Que le transfert de l’air entre les locaux avec alimentation et les locaux avec évacuation soit organisé : fentes sous les portes, grilles dans les portes, transfert par les couloirs,…
Si le bâtiment est important, on le découpera préalablement en zones de ventilation distinctes.
Voici quelques exemples :
|
Amenée d’air |
Transfert |
Évacuation |
| bureaux |
couloirs |
sanitaires, cafétéria |
| chambre d’hôtel |
sanitaires |
|
| salle de sports |
couloirs |
vestiaires |
| salle de restaurant |
cuisine collective, zone fumeurs |
Une telle organisation permet « d’utiliser l’air deux fois », et donc d’avoir des débits importants tout en conservant une consommation limitée.
Certains locaux peuvent aussi avoir un système de ventilation complet et autonome. C’est par exemple le cas d’une pièce qui comprend à la fois des amenées d’air naturelle et une extraction d’air par un ventilateur. L’air extrait est directement rejeté à l’extérieur par un conduit sans passer par une autre pièce.
Exemples
Ventilation de bureaux
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- Air neuf
- Air vicié
- Des grilles sont prévues dans les châssis (une par module ou une par fenêtre).
- Des portes limitent la zone en dépression (y compris la cage d’escalier).
- Des extractions complémentaires peuvent être disposées dans les couloirs si le débit recommandé des sanitaires est inférieur à celui des bureaux.
- Pour un hôtel ou un hôpital, chaque chambre avec sanitaire est autonome au niveau de sa ventilation (extraction dans chaque sanitaire).
Ventilation d’une cuisine collective
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- Restaurant
- Cuisine
- Vers extracteur
- L’air est extrait dans la cuisine par une hotte au-dessus des appareils de cuisson.
- L’air est introduit naturellement dans le restaurant (il pourrait aussi être introduit dans la cuisine même).
Avantages
- La ventilation par simple extraction d’air est simple, et peu coûteuse à l’exploitation.
- Elle demande peu de place utile dans les locaux techniques.
- En général, la présence de faux plafonds peut être évitée, puisqu’il n’y a pas de distribution d’air dans les locaux. Une évacuation par conduit vertical n’est pas non plus nécessaire. Elle s’applique donc très bien à la rénovation.
- Les débits d’air extraits sont contrôlés.
- La mise au point est facile et se limite au réglage des débits extraits au moyen des bouches.
Inconvénients
La ventilation par simple extraction d’air n’est pas adaptée aux bâtiments profonds et de grande hauteur. Pas plus que pour ceux situés dans des environnements bruyants et pollués :
- On rejette directement vers l’extérieur de l’air aux conditions intérieures, ce qui induit des pertes énergétiques importantes.
- L’air neuf n’est pas filtré et les grilles d’amenée d’air peuvent laisser filtrer les bruits extérieurs, ce qui peut être délicat en site urbain ou fortement pollué.
- Les débits réels d’air neuf sont parfois éloignés des valeurs théoriques. En effet, l’air extrait ne provient pas toujours de l’endroit souhaité, c’est à dire des grilles situées dans les locaux dits « propres ». Il suffit que quelqu’un ouvre sa fenêtre pour déstabiliser la distribution des flux, … ou que les portes vers la cage d’escalier restent toujours ouvertes… ! De plus, le vent peut perturber la ventilation en créant une pression différentielle entre les façades. Les façades exposées voient leur débit augmenter et les façades à l’abri voient leur débit diminuer (ou même s’inverser!). Ce système ne s’applique donc qu’aux bâtiments peu élevés et de taille moyenne.
- Les grilles d’ouvertures peuvent engendrer un inconfort, par exemple en plein hiver, sauf si la grille d’ouverture est placée à une hauteur supérieure à 1,80 m par rapport au sol.
- Les ouvertures entre locaux, favorisent le passage de bruits pouvant être très gênants. Un traitement acoustique des grilles doit alors être prévu. Mais en pratique, la présence d’absorbeur acoustique dans une ouverture augmente son épaisseur et sous-entend généralement que la grille doit être placée dans l’épaisseur du mur (et non dans le vitrage ou dans la porte).
- Une simple extraction ne permet pas de réaliser du free cooling, en journée ou la nuit, les débits d’extraction étant généralement très insuffisants.
- Les débits nécessaires pour les sanitaires sont généralement inférieurs à ceux requis pour la ventilation des bureaux. Il faudra soit augmenter les débits dans les locaux sanitaires, soit prévoir des extracteurs supplémentaires dans les espaces de circulation.
- Enfin, les ouvertures dans les façades ne sont pas toujours du goût des architectes !
Régulation
Il est plus qu’utile d’adapter le fonctionnement de la ventilation la nuit et le week-end. Arrêt ? Allure réduite ? Un contrôle du ventilateur par horloge peut être envisagé. Si le bâtiment est à taux d’occupation très variable, le fonctionnement du ventilateur devrait être asservi à la détection d’une sonde COV ou CO2, c’est à dire aux besoins réels d’air neuf ! On parle de ventilation « à la demande ».
Préchauffage de l’air neuf
Ventiler c’est la plupart du temps introduire de l’air frais ou froid à la température extérieur dans le bâtiment. Pour garantir le confort thermique des occupants, il est souvent nécessaire de préchauffer un minimum l’air entrant.
Dans le cas d’une ventilation simple flux par extraction, la solution la plus simple pour le chauffage consiste à placer des corps de chauffe alimentés en eau chaude. Ventilation et chauffage sont alors régulés tout à fait distinctement.
Si, pour des raisons de confort, la ventilation est intégrée dans le corps de chauffe (grille dans le mur en façade au dos du convecteur, par exemple), une précaution anti-gel devra être trouvée :
- par une fermeture automatique de la grille (cher à l’investissement),
- par un maintien d’une température d’eau minimale en période de gel extérieur (cher à l’exploitation, sauf si cela participe au maintien hors gel des locaux),
- par le choix d’un corps de chauffe électrique (cher à l’exploitation suite au prix du kWh électrique).
Dans le cas d’une ventilation simple flux par pulsion, l’air induit dans le bâtiment peut passer par un caisson de traitement d’air où l’air peut être remonté en température grâce à des batteries de chauffe électriques ou à eau chaude.
Récupération de chaleur
Ventiler c’est aussi rejeter à l’extérieur de l’air chaud à température intérieur. Dans un soucis d’économie d’énergie, il est utile de récupérer cette chaleur au maximum.
Cependant, dans le cas de la ventilation simple flux, l’air entrant ne peut être réchauffé par l’air sortant grâce à une récupérateur de chaleur comme dans une ventilation double flux.
Actuellement, le seul moyen de récupérer la chaleur extraite du bâtiment par l’air de ventilation, dans le cas d’un simple flux par extraction, est de placer une pompe à chaleur air/eau sur le conduit d’extraction qui récupéra les calories contenues dans l’air pour chauffer l’eau chaude sanitaire ou de chauffage à basse température. La différence de température entre la source froide et chaude de la PAC étant réduite (par rapport à la température extérieure), le COP n’en sera que meilleur.
Boîte de détente [ventilation]
![Boîte de détente [ventilation]](https://energieplus-lesite.be/wp-content/uploads/2019/03/boite_detente.gif "Boîte de détente [ventilation]")
Principe de fonctionnement
Imaginons que l’on veuille faire passer beaucoup d’air dans une paille, en soufflant. La vitesse de l’air va augmenter. Les forces de frottement aussi. Notre bouche devra donc augmenter le niveau de pression pour y arriver. Et un sifflement va apparaître.
De même, pour diminuer l’encombrement des conduits, on souhaite parfois transporter beaucoup d’air dans de faibles sections. Il faudra que la vitesse augmente. Le ventilateur va augmenter la pression en sortie. Mais il est alors impossible de propulser cet air directement au travers d’une bouche de local, sous peine de créer un sifflement, qui risque d’altérer le confort de travail du personnel.
La boîte de détente est l’élément qui permet de détendre l’air à la sortie d’un réseau de ventilation ou de conditionnement d’air à haute vitesse, avant de le diffuser dans un local.
Si en plus, on souhaite moduler les débits en fonction des besoins du local (VAV), on profitera de la boîte de détente comme organe de régulation. La boîte de détente sera alors au débit d’air ce que la vanne thermostatique est au débit d’eau.
Détails technologiques
Une boîte de détente en VAV est constituée d’un clapet de réglage avec servomoteur et d’un caisson de détente. Celui-ci est réalisé en tôle d’acier galvanisée, tapissé intérieurement d’un matelas de laine minérale (isolation thermique et acoustique).
Chaque boîte remplit deux fonctions
- adapter le débit d’air aux besoins,
- garantir un débit d’air constant.
Malheureusement, la pression n’est pas 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, quelles que soient les variations de pression dans le réseau.
Voici deux exemples :
- Des soufflets, sensibles à la pression existante dans la conduite, seront « 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.
Les servomoteurs peuvent être actionnés par :
- de l’électricité (24 V alternatif),
- de l’air comprimé (source externe),
- l’air du système lui-même.
Le débit de fuite d’une boîte de détente ne peut excéder 3 % de son débit nominal, réglé sous la pression différentielle maximale admissible de la boîte.
Le réglage de la boîte de détente se fait généralement entre 30 et 100 % du débit nominal. En dessous de 30 %, la distribution de l’air froid ne se fait plus correctement (plus d’effet Coanda) et un risque de courant d’air apparaît.
Il existe des boîte dont on peut annuler le débit (fermeture totale), mais leur coût en est nettement plus élevé et est réservé aux zones occupées de façon intermittente et dans lesquelles le conditionnement d’air peut être arrêté.
Bouches de pulsion et d’extraction
Exemples de bouche de pulsion (de gauche à droite) : diffuseur plafonnier multicône circulaire et carré, diffuseur plafonnier à jet hélicoïdal, plafonnier perforé, diffuseur linéaire, buse de soufflage, grille murale à double déflecteur, bouche de sol.
Techniques de diffusion
Les bouches regroupent les ouvertures qui, en ventilation mécanique, permettent de diffuser l’air neuf pulsé dans les locaux ou d’en évacuer l’air vicié. Dans les descriptions qui suivent, l’accent est mis sur les bouches de pulsion car se sont elles qui conditionnent en grande partie le confort obtenu dans le local. De plus, la plupart des bouches de pulsion peuvent également fonctionner en extraction.
Il existe deux techniques de diffusion d’air : la diffusion par mélange et la diffusion par déplacement.
Diffusion par mélange
Ce sont les grilles et les diffuseurs. L’air soufflé est mélangé plus ou moins rapidement avec l’air ambiant par induction, pour obtenir une température et une concentration en polluants homogènes dans le local.
Bouches de pulsion (de gauche à droite) : diffuseur plafonnier multicône carré, diffuseur plafonnier à jet hélicoïdal, plafonnier perforé, diffuseur linéaire, buse de soufflage, grille murale à double déflecteur, bouche de sol.
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Avantages |
Inconvénients |
| Grande variété de matériel. | Difficulté de brassage en grande hauteur (surtout en chauffage). |
| Variété de positionnement possible (plafond, murs, sol). | Sélection spécifique dans le cas d’un système de climatisation VAV à forte variation de débit. |
| Dilution de la pollution avant son évacuation. |
Diffusion par déplacement
Fonctionnement d’une bouche à déplacement.
Ce sont les bouches à déplacement. L’air froid est soufflé à basse vitesse, s’échauffe au contact de sources chaudes (occupants, matériel informatique, éclairage, …), s’élève entraînant les calories et les polluants et est extrait en partie haute du local.
Bouches à déplacement semi-circulaire, encastrable et de contremarche.
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Avantages |
Inconvénients |
| Économie d’énergie, surtout dans les locaux de grand volume ou hauteur, puisqu’on ne traite que la zone d’occupation. | Permet difficilement le chauffage et ne s’applique à la ventilation hygiénique que dans des cas biens spécifiques (salles d’opération, …) |
| Bonne évacuation des polluants, sans dilution (industrie, restaurants, …) | Intégration architecturale à étudier. |
| Peu de risques de courant d’air (faible vitesse d’air). | |
| Convient bien au VAV. | |
| Permet de ne pas tenir compte d’une partie des charges liées à l’éclairage (partie convective) dans l’estimation des charges thermiques à évacuer car celles-ci sont directement évacuées en partie haute sans influencer l’ambiance. | |
| Particulièrement silencieux. |
Les bouches à déplacement s’appliquent particulièrement bien aux locaux à plafond haut, comportant de nombreuses sources de chaleur (usines, salles de réunion, théâtre, cinéma, hall d’hôtel).
Attention cependant, il est fortement déconseillé d’utiliser ces bouches pour y pulser de l’air chaud. Étant donné, la faible vitesse de l’air, celui-ci montera directement au plafond.
| Etude de cas.
Dans un auditoire d’un Institut Supérieur de Liège équipé de bouches à déplacement, les occupants se plaignaient d’un manque permanent de chaleur. Pour diagnostiquer le problème, un fumigène fut placé dans le groupe. On a constaté que, dès la sortie des bouches (placées en bas de l’auditoire), l’air chaud montait au plafond, sans se mélanger à l’air ambiant. Il passait au-dessus de la tête des occupants avant d’être repris par les bouches d’extraction (en haut de la salle). On image très bien le bonheur du marchand de chaussettes norvégiennes qui a élu domicile en face de l’auditoire … En fait, on a simplement choisi ici des bouches prévues pour la pulsion d’air froid pour faire du chauffage. En effet, en mode « refroidissement », l’air frais aurait longé les gradins, se réchauffant au contact des étudiants avant d’être évacué. |
Grandeurs caractéristiques d’une bouche
Le débit
Le débit, exprimé en m³/s ou en m³/h dans leur gamme normale d’utilisation. La plage de débit possible d’une bouche en fonction de la différence de pression entre l’amont et l’aval de la bouche (perte de charge de la bouche) est représentée par sa courbe caractéristique (débit-perte de charge).
Exemple d’abaque reprenant la perte de charge [Δpt] nécessaire en fonction
du débit [q] désiré et la puissance acoustique [LWA] associée.
Dans le cas de diffuseurs à recyclage interne, il sera précisé quel est le débit réaspiré dans le local et mélangé à l’air arrivant du conduit avant son éjection. Cette donnée permet d’envisager l’emploi d’un air plus froid ou plus chaud utilisé comme air primaire, auquel s’ajoutera l’air secondaire repris dans le local.
La puissance acoustique
Les bouches sont caractérisées par une production de bruit due au passage de l’air. Les catalogues reprennent aussi le niveau de la puissance acoustique LWA(en dB(A)) émise par la bouche dans le local en fonction du débit. En association avec les courbes de puissance acoustique, on retrouve aussi parfois dans les abaques relatifs aux bouches, le niveau LWNR (Noise Rating) ou LWNC illustrant le niveau de « confort acoustique » de la bouche (LW signifiant « puissance acoustique », il s’agit de la mesure au niveau même de la bouche et non dans le local).
Certaines bouches intègrent aussi une fonction d’insonorisation par rapport aux bruits véhiculés dans les réseaux de distribution.
La direction du jet d’air
Les différentes bouches de pulsion se caractérisent aussi par la direction du jet d’air :
- Pulsion parallèle au plafond, favorisant l’effet Coanda (grilles, diffuseurs à soufflage horizontal).
- Pulsion hélicoïdale qui est aussi une pulsion parallèle au plafond, mais favorisant le brassage d’air (diffuseurs hélicoïdaux).
- Pulsion directionnelle favorisant la pénétration du jet d’air dans le local (bouche à longue portée).
- Pulsion parallèle au sol pour extraire les polluants au niveau de leur source (diffuseurs à déplacement).
Les grilles de soufflage ou de reprise
En général, les grilles pulsent l’air de façon unidirectionnelle. Elles sont utilisées pour des débits soufflés à faible vitesse car elles se prêtent bien, par leur principe, à la réalisation de bouches de section de passage importante. On distingue :
- des grilles de distribution d’air à ailettes fixes,
- des grilles de distribution d’air à ailettes réglables, en un étage. Ces ailettes peuvent n’être réglées qu’une fois pour toutes, avant ou après montage ou, plus rarement, être réglées par les utilisateurs,
- des grilles à deux étages d’ailettes disposés l’un devant l’autre, dans des directions perpendiculaires afin de pouvoir diriger le jet ou régler la distribution dans n’importe quelle direction,
Grille à deux étages d’ailettes.
- des grilles montées dans un cadre circulaire, à ailettes éventuellement réglables,
- des persiennages à volets pivotant sous l’effet d’une surpression.
Les grilles d’amenée d’air sont de type murale (exemple : dans les retombés des faux plafonds), ou de type plafonnier s’il existe des faux plafonds dans le local. Chaque bouche, avec généralement un plénum de détente, est raccordée au circuit de soufflage par un conduit souple en tête duquel est installé un registre de réglage des débits.
Beaucoup de grilles proposées par les constructeurs conviennent aussi bien à la reprise qu’au soufflage, avec des pressions en général légèrement différentes. Certaines sont cependant spécialement prévues pour la reprise. Elles peuvent comporter des volets de réglage, des grillages de protection, des filtres, …
Les diffuseurs
Le principe du diffuseur est de répartir l’air pulsé de façon plus homogène dans le local (diffusion multidirectionnelle). La frontière n’est pas nette entre les grilles et les diffuseurs, car certaines grilles assurent une diffusion et certains diffuseurs dits « linéaires » ont l’aspect d’une grille.
Diffuseurs à jet rectiligne
Suivant leurs formes, les diffuseurs à jet rectiligne comportent un certain nombre de cônes (ou pyramides) coaxiaux. Les diffuseurs à plusieurs cônes sont parfois prévus pour obtenir une modification du jet par un déplacement relatif de certains cônes.
Géométriquement, on peut les classer en diffuseurs circulaires, carrés, ou linéaires. Tous peuvent être montés en plafonnier. Dans ce cas, ils pulsent généralement l’air parallèlement au plafond par effet Coanda.
Effet Coanda avec un diffuseur plafonnier.
Les diffuseurs linéaires peuvent être montés en paroi ou en allège. On monte parfois en allège des diffuseurs demi-circulaires, ou triangulaires.
Diffuseurs à jet hélicoïdal ou jet torique
Il existe des diffuseurs provoquant un flux d’air hélicoïdal entraînant un mélange rapide entre l’air ambiant et l’air pulsé et donc une homogénéisation des températures : le fort taux d’induction de la bouche réduit la portée du jet d’air tout en permettant des grands taux de renouvellement d’air, avec peu de courant d’air.
Diffuseur hélicoïdal favorisant le mélange rapide entre l’air pulsé et l’air ambiant.
Diffuseurs à recyclage interne
Il existe des diffuseurs à recyclage interne. La disposition des cônes crée un effet d’aspiration par induction de l’air du local qui est mélangé à l’air amené par le conduit : si le rapport de mélange est de 0,5, on peut ainsi souffler dans une ambiance de 20°C de l’air à 15°C obtenus par mélange avec un air primaire arrivant à 10°C ou de l’air à 25°C à partir d’air primaire à 30°C, ce qui permet d’augmenter le débit d’air neuf, par exemple pour réaliser du free cooling diurne, sans créer de différences de températures élevées entre ambiance et soufflage.
Pulsion et extraction combinée
Il est aussi possible de pulser et d’extraire au travers d’un même diffuseur. Certains diffuseurs circulaires sont ainsi prévus pour évacuer dans leur partie centrale l’air repris dans le local et l’envoyer dans un circuit en dépression. Ce système donne une bonne homogénéisation des ambiances et permet de juxtaposer les gaines de pulsion et de reprise.
Extraction combinée à l’éclairage
L’extraction et l’éclairage peuvent aussi être combinés. L’intérêt de ces systèmes est de capter une partie du dégagement de chaleur (partie convective) de l’éclairage à sa source et de l’évacuer directement.
Luminaire avec extraction intégrée vers un plenum.
Luminaire pour tubes T5 avec extraction sur les bords.
Les bouches à déplacement
Le principe des bouches à déplacement est d’augmenter fortement la surface de diffusion de l’air pour permettre de souffler des débits importants à très faible vitesse sans inconfort dans la zone occupée (tant au niveau des vitesses d’air que de la puissance sonore). Elles sont principalement utilisées dans la pulsion d’air refroidi. Elles fonctionnent mal avec la ventilation purement hygiénique car les débits sont trop faibles et ne fonctionnent pas en chauffage car l’air chaud à basse vitesse monte directement vers le plafond.
Elles sont constituées de panneaux en tôle perforée ou de manchon en matériaux poreux (« chaussette »), placés soit en plafond soit contre les murs.
Manchon poreux permettant une diffusion d’un débit d’air important à très faible vitesse
(agroalimentaire, salles propres, …) .
Lorsqu’un panneau mural ou une bouche au sol pulse lentement de l’air plus froid que l’air ambiant, cet air neuf va se répartir au sol. Les sources de chaleur (machines, appareils électriques, personnes, …) vont le réchauffer. L’air va alors s’élever et être évacué en partie haute du local, en évacuant avec lui les polluants. La faible vitesse de l’air élimine toute sensation de courant d’air.
Fonctionnement d’une bouche à déplacement.
L’emplacement des bouches par rapport aux sources de chaleur est important. En effet, si de trop nombreuses sources de chaleur se succèdent (bureaux en rangées), les plus éloignées de la bouche risquent de ne pas profiter de l’air frais.
Les diffuseurs à déplacement sont aussi utilisés dans le cas de ventilation dite « à flux laminaire ». Dans ce cas, ils prennent la forme de plafond ou de panneau soufflant spécialement conçus pour les applications de diffusion à basses vitesses, inférieures à 0,6 m/s (certains ateliers, laboratoires, hôpitaux).
La faible vitesse de soufflage de ces diffuseurs engendre un flux sans turbulence et donc limite fort le mélange entre l’air neuf et l’air ambiant environnant. Une barrière dynamique de protection est ainsi créée entre la zone ventilée et son environnement.
Flux laminaire dans une salle d’opération : pulsion verticale à faible vitesse au dessus de la table d’opération
Flux laminaire au passage d’un scialytique
dans une salle d’opération.
Les différents plafonds soufflants se distinguent par leur vitesse de soufflage (inférieure à 0,1 m/s, entre 0,18 et 0,25 m/s, entre 0,3 et 0,6 m/s), par le débit d’air traité, par l’uniformité et la stabilité du flux, par la présence en périphérie du plafond soufflant d’un rideau d’air complémentaire permettant d’augmenter l’effet de barrière dynamique.
Les panneaux en tôle perforée peuvent également convenir pour la reprise. Il faut être attentif à leur facilité de nettoyage, principalement s’ils sont de couleur claire.
| Etude de cas.
Dans un auditoire d’un Institut Supérieur de Liège équipé de bouches à déplacement, les occupants se plaignaient d’un manque permanent de chaleur. Pour diagnostiquer le problème, un fumigène fut placé dans le groupe. On a constaté que, dès la sortie des bouches (placées en bas de l’auditoire), l’air chaud montait au plafond, sans se mélanger à l’air ambiant. Il passait au-dessus de la tête des occupants avant d’être repris par les bouches d’extraction (en haut de la salle). On image très bien le bonheur du marchand de chaussettes norvégiennes qui a élu domicile en face de l’auditoire … En fait, on a simplement choisi ici des bouches prévues pour la pulsion d’air froid pour faire du chauffage. En effet, en mode « refroidissement », l’air frais aurait longé les gradins, se réchauffant au contact des étudiants avant d’être évacué. |
Les fentes de diffusion
Alors que les grilles les plus allongées ont un rapport longueur/hauteur inférieur à 10, il existe des diffuseurs étroits et longs conçus pour souffler une lame d’air très mince pouvant même être parallèle à la surface sur laquelle ils sont posés. Une application type de ces fentes de soufflage est la pulsion le long de vitrages pour éviter des condensations en hiver : la vitesse d’éjection choisie fixe la perte de charge. Si elle est de 8 m/s, elle sera de 40 Pa environ si l’entrée dans la fente est correctement dessinée.
Ce type de bouche convient aussi pour la reprise.
Les bouches orientables à vitesse de soufflage élevée
Buse de soufflage à longue portée.
Les mouvements d’air sont créés par des jets de faible diamètre soufflant à des vitesses comprises entre de 10 et 20 m/s. La grande vitesse de pulsion induit un brassage important entre l’air ambiant et l’air pulsé, ce qui homogénise rapidement les températures. On utilise ces bouches dans les grands halls quand la distance entre le diffuseur et la zone de travail est grande (atrium, halls de sport, de stockage, …). Le fait que le jet soit orientable permet en outre de les prévoir dans des installations complexes où il est difficile de préjuger des mouvements d’air. En général, il faut éviter la position verticale. En effet, en pulsion froide, cela risque de provoquer une chute d’air froid et en pulsion chaude, le jet risque d’être freiné. Une position proche de l’horizontale est généralement conseillée, tout en tenant compte que la différence de température entre l’air soufflé et l’air ambiant dévient le jet soit vers le haut (air chaud), soit vers le bas (air froid).
Leurs débits s’échelonnent de 80 à 3 000 m³/h sous des pressions statiques de 50 à 200 PA pour des diamètres d’orifice de 100 à 400 mm.
Il existe également des manchons souples perforés dont chaque trou fait office d’une buse à haute vitesse et donc forte induction.
Manchon perforé permettant la pulsion d’un débit d’air important à très haute vitesse (chaque trou sert de buse de soufflage).
La vitesse élevée de sortie assure un mélange rapide avec l’air ambiant par induction (ventilation des grands halls).
Les systèmes de réglage
Ajustage manuel au montage
Certaines bouches possèdent des persiennes ou volets réglables par déformation ou pivotement pour ajuster les débits en intensité et direction, mais ne possèdent pas de commande extérieure de ce réglage.
Lorsque le réglage direct de la bouche n’est pas possible, il existe aussi des bouches combinées à un registre placé en amont qui permet un ajustement des débits.
Registre réglable disposé en amont d’un diffuseur.
Le réglage du registre est accessible au travers du diffuseur.
Réglage par commande manuelle en cours de fonctionnement
La bouche peut comporter un levier ou un bouton modifiant la perte de charge par action sur des volets. La commande peut être séparée de la bouche et agir à distance par câble ou par commande électrique. Les volets réglables sont parfois montés dans le plénum ou le conduit alimentant la bouche.
Dans un ensemble tertiaire, il n’est cependant pas souhaitable que l’utilisateur puisse changer le débit de la bouche de son local. En effet, il risque de dérégler tous les débits de l’installation, phénomène que l’on rencontre lorsque l’on régule les débits de ventilation en fonction de la demande dans un système de ventilation multizone.
Les bouches automatiques
La gestion des débits de ventilation en fonction des besoins locaux demande l’utilisation soit de registres motorisés à l’entrée de chaque local, soit de bouches permettant un réglage en fonction d’une grandeur représentative (sous le contrôle d’un détecteur de présence, d’un thermostat, d’un hygrostat ou d’une horloge).
On peut répertorier 4 types de bouches (aussi bien en extraction qu’en pulsion) :
- Les bouches régulées en tout ou rien
- Les bouches évaluant le nombre de présences
- Les bouches hygroréglables
- Les bouches autoréglables
Les bouches régulées en tout ou rien
Certaines bouches intègrent directement un registre motorisé. Celui-ci peut être commandé en tout ou rien au départ d’une sonde de présence ou tout autre capteur représentatif des besoins de ventilation (signal 0-10 V).
Certaines bouches possèdent directement leur propre détecteur infrarouge.
Il est également possible de régler manuellement le débit de la bouche en position ouverte, en fonction du nombre de personnes moyen se trouvant généralement dans le local
Les bouches évaluant le nombre de présences
Il existe des bouches intégrant un comptage du nombre de personnes présentes dans un local.
détecteur infrarouge compte le nombre de mouvements dans une pièce : chaque fois qu’une personne passe d’un segment de détection à un autre, le système comptabilise un mouvement. Le programme interne de l’appareil convertit ce nombre de mouvements en nombre de personnes et donc en débit d’air à fournir. Des repères disposés sur la face de la bouche indiquent le débit fourni par l’appareil.
Les bouches hygroréglables
Les bouches hygroréglables possèdent un volet mobile dont l’ouverture est commandée par un élément sensible au taux d’humidité ambiant (tresse en nylon). La variation de débit est ainsi proportionnelle à l’humidité ambiante. Ces bouches s’utilisent donc principalement pour l’extraction dans les locaux humides tels que toilettes, salle de bain ou cuisine.
Certaines bouches possèdent également une commande (électrique ou mécanique) court-circuitant l’élément hygroréglable et permettant un débit de pointe durant une période minutée.
Cette technologie est également appliquée dans des grilles d’amenée d’air naturelle.
Les bouches autoréglables
Lorsque, dans un système de ventilation mécanique, il est possible de faire varier l’ouverture des bouches en fonction des besoins, des variations de pression et de débit apparaissent inévitablement au niveau des bouches restées ouvertes.
Pour éviter l’augmentation de débit et donc de bruit avec l’augmentation de pression, il existe des bouches autoréglables. Elles contiennent une membrane souple disposée dans le flux d’air qui ajuste automatiquement l’ouverture en fonction de la vitesse de l’air : lorsque la pression dans les conduits augmente, la membrane se gonfle. Elle réduit ainsi la section de la bouche et maintient le débit nominal.
Fonctionnement de la membrane de régulation
en fonction de la pression dans le conduit de distribution.
Le débit pulsé ou repris par ces bouches reste ainsi constant sur une large plage de pression.
Débit d’air fourni par une bouche autoréglable
en fonction de la pression.
La membrane de régulation peut aussi être insérée dans le conduit en amont de la bouche.
Évacuations d’air naturelles
Évacuations d’air naturelles : définition
Une évacuation d’air naturelle est définie dans la norme NBN D 50-001 relative à la ventilation des locaux d’hébergement comme :
Une « ouverture d’évacuation d’air réglable » ou « OER »
Les évacuations d’air naturelles ne comprennent pas de ventilateur. Elles sont obligatoirement composées de grilles ou bouches réglables disposées dans les locaux d’où l’air vicié est évacué, de conduits d’allure verticale et de débouchés en toiture.
Cette définition exclut tout autre mode courant d’évacuation utilisé tel que les fenêtres, les portes, les grilles en façade, les vasistas,… . En effet aucun de ces systèmes ne donne la garantie que l’air sera réellement évacué. Par exemple, il est possible qu’une grille disposée dans un façade en surpression (face aux vents dominants) ne puisse pas évacuer l’air naturellement vers l’extérieur.
Ces systèmes ne sont utilisés que pour la ventilation transversale de locaux spéciaux comme des greniers ou des garages.
Ouvertures d’évacuation
Les ouvertures d’évacuation naturelles sont des ouvertures disposées dans les locaux d’où l’air vicié doit être évacué. Elles sont raccordées à des conduits verticaux débouchant en toiture.
Il existe de simples grilles ou des bouches profilées.
La section libre de l’ouverture doit au minimum être de 140 cm² (70 cm² dans un WC) et pouvoir être réglée (en continu ou en 3 positions intermédiaires) entre la position complètement ouverte et la position complètement fermée.
En position complètement fermée, une bouche d’évacuation naturelle doit encore laisser passer un certain débit de fuite. Pour cela, il faut que la section nette résiduelle en position fermée soit égale à 3 .. 5 % de la section en position complètement ouverte.
Conduits verticaux
Les conduits d’évacuation naturelle doivent présenter un tracé le plus vertical possible. Ils ne peuvent comprendre de déviations brusques, de fortes courbes ou encore des élargissement ou des rétrécissements soudains. Des angles de maximum 30° par rapport à la verticale sont cependant admis.
Raccordements possibles de plusieurs bouches d’évacuation sur un même conduit vertical.
Un même conduit peut desservir plusieurs locaux superposés ou adjacents, soit directement, soit via des conduits secondaires, soit via des évacuations shunt. Les deux dernières solutions sont obligatoires si la hauteur du dernier plancher par rapport au plancher de l’entrée principale est supérieure à 13 m, ceci pour éviter les risques de refoulement de local vers l’autre.
Les conduits secondaires doivent aussi avoir un tracé aussi vertical que possible. Le tracé ne peut être incliné de plus de 30° par rapport à la verticale sur un tronçon de plus d’un mètre. Le raccord avec le conduit principal doit être le plus régulier possible.
La section des conduits doit être supérieure à 2,8 cm² par m³/h de débit évacué.
Débouchés en toiture
Les conduits d’évacuation naturelle doivent déboucher en toiture sans qu’il y ait de risque de refoulement ni de grande modification du tirage quelles que soient la direction et la force du vent.
Débouché de toiture anti refoulant.
L’évacuation ne peut être gênée par la pente de la toiture ou par des bâtiments élevés avoisinants.
Les zones autorisées pour l’emplacement d’un débouché de toiture dépendent des obstacles avoisinant le bâtiment concerné et de la toiture elle-même.
Vue en plan horizontal : un bâtiment voisin est considéré comme un obstacle
s’il est compris dans un angle de plus de 15° par rapport au débouché de cheminée.
Vue en plan vertical : le débouché de cheminée doit avoir une hauteur minimum
en fonction de la pente de la toiture et de la distance au faîte.
Pente de toit < 23°.
Pente de toit < 23°.
Zone autorisée pour le placement d’un débouché
de cheminée (h1) en fonction des obstacles avoisinants (h2).
Ventilation double flux
© Architecture et climat 2023.
- Air neuf
- Air rejeté
- Prise d’air extérieur
- Bouches de pulsion
- Reprise d’air via grille de transfert
- Réseau de gainage
- Bouches d’extraction
- Silencieux
- Ventilateur
- Récupérateur de chaleur
- Filtres
Principe
La ventilation « double flux » (système D, pour la norme NBN D50-001) consiste à organiser :
- la pulsion mécanique d’air neuf, filtré, dans les locaux,
- l’extraction mécanique d’air vicié des locaux.
On peut pulser l’air neuf dans les locaux dits « propres » (bureaux, séjour, …) et extraire l’air dans les locaux « humides » ou « viciés » (sanitaires, cuisines).
En général, la ventilation double flux est centralisée ce qui permet de n’avoir qu’un seul groupe de pulsion/extraction pour le bâtiment ou partie de bâtiment. Toutefois, chaque local peut aussi disposer d’une pulsion et d’une extraction propres, on parle alors de ventilation double flux décentralisée. Des systèmes existent même depuis peu qui permettent de pulser et d’extraire l’air au niveau d’une pièce grâce à un seul appareil à insérer au niveau du châssis ou dans le mur.
Les locaux produisant des odeurs ou ayant des exigences sanitaires sont généralement maintenus en dépression de telle sorte que l’air vicié ne s’en échappe pas !
La pulsion se distribue via un réseau de conduites verticales et horizontales dans les faux plafonds. Les conduits verticaux d’évacuation d’air sont semblables aux conduits des systèmes « simple flux » et peuvent être disposés parallèlement aux conduits verticaux d’amenée d’air.
Les bouches d’amenée d’air sont de type murale (par exemple, dans les retombés des faux plafonds), ou de type plafonnier s’il existe des faux plafonds dans le local. Chaque bouche, avec généralement un plénum de détente, est raccordée au circuit de soufflage par un conduit en tête duquel est installé un registre de réglage des débits.
Grille murale et diffuseur plafonnier.
Plusieurs compléments peuvent apparaître :
- une récupération de chaleur par échange entre l’air extrait et l’air neuf
- un traitement en température et en humidité, pour assurer un confort optimal
- un recyclage partiel de l’air, dans le cas où l’air de ventilation assure également le chauffage des locaux, le refroidissement, …
Mais on entre alors dans des techniques propres au conditionnement d’air, dont la ventilation n’est qu’un des objectifs …
Exemples
Pulsion et extraction dans chaque local
© Architecture et climat 2023.
- Air neuf
- Air rejeté
Pulsion dans le local et extraction sanitaire
- Une gaine de pulsion est prévue dans le faux plafond des couloirs.
- Des extractions complémentaires peuvent être disposées dans les couloirs si le débit recommandé des sanitaires est inférieur à celui des bureaux.
- Les locaux de bureaux sont maintenus à l’équilibre pulsion-extraction. Souvent, un léger excédent est donné à la pulsion pour maintenir les locaux en surpression et empêcher ainsi tout courant d’air par infiltration.
- Pour un hôtel ou un hôpital, chaque chambre avec sanitaire est autonome au niveau de sa ventilation (pulsion dans la chambre et extraction dans chaque sanitaire).
- La pulsion se fera dans une salle de sports et l’extraction dans les vestiaires… afin que l’odeur des baskets y reste confinée !
Avantages
- C’est le système le plus « maîtrisable ». Quelles que soient les conditions climatiques extérieures (vent, température), il est possible de :
- capter l’air extérieur à un endroit « sain »,
- filtrer cet air,
- contrôler les débits de pulsion et d’extraction, indépendamment des influences externes,
- mettre à volonté certains locaux en surpression ou en dépression.
- Il permet de prétraiter l’air pour l’amener dans des conditions de température proches de celles des locaux, ce qui évite tout inconfort.
- De plus, il permet la récupération de la chaleur (et éventuellement du froid en été) contenu dans l’air extrait pour préchauffer l’air neuf pulsé.
- L’organisation d’un recyclage de l’air est possible si les conditions d’hygiène le permettent et que les conduits de pulsion et d’extraction sont proches l’un de l’autre.
- Si les conduites de distribution sont bien étudiées, les problèmes de transmission de bruit venant de l’extérieur sont limités (absence d’ouverture directe en façade).
Inconvénients
- C’est un système coûteux à l’investissement en euros et en place ! Les conduits de soufflage doivent généralement trouver place dans des faux-plafonds et les gaines techniques verticales.
- La pulsion de l’air dans les locaux peut engendrer du bruit, notamment au niveau des bouches de diffusion. Il faudra y être attentif dans le cahier des charges.
- C’est un système très « maitrisable », mais au préalable il faut pouvoir l’équilibrer correctement et pouvoir réguler les débits afin de s’assurer les renouvellements d’air requis.
- En outre, il est nécessaire de contrôler et limiter les entrées d’air parasites : infiltrations et ventilation. Il faudra donc veiller à ce que l’étanchéité à l’air du bâtiment soit suffisamment performante et à ce qu’il n’y ai pas d’ouvertures de fenêtres intempestives, ce qui n’est plaît pas toujours aux usagers…
Régulation
Il est plus qu’utile d’adapter le fonctionnement de la ventilation la nuit et le week-end. Arrêt ? Allure réduite ? Un contrôle du ventilateur par horloge peut être envisagé. Si le bâtiment est à taux d’occupation très variable, le fonctionnement du ventilateur devrait être asservi à la détection d’une sonde COV ou CO2, c’est à dire aux besoins réels d’air neuf ! On parle de ventilation « à la demande ».
Préchauffage de l’air neuf
Dans la configuration « ventilation pure », un préchauffage de l’air neuf en hiver (au moyen d’une batterie à eau chaude ou d’une batterie électrique) est presque indispensable pour rapprocher la température de l’air soufflé de la température ambiante et éviter toute sensation de courant d’air. En été, l’air neuf soufflé ne doit pas être traité et est introduit à la température extérieure.
Dans ce cas, la ventilation et chauffage du local sont dissociés et régulés tout à fait distinctement. Ceci est logique puisque le débit d’air neuf hygiénique est souvent beaucoup plus faible que le débit nécessaire pour transporter de la chaleur et du froid. Pour assurer simultanément la ventilation et le chauffage (ou le refroidissement), il faut donc surdimensionner les équipements nécessaires au transport de l’air et un recyclage partiel de l’air doit dès lors être organisé.
Cette différence de débit s’amenuise lorsque le bâtiment est très bien isolé. Dans ce cas on peut combiner chauffage et ventilation, soit avec des batteries terminales au niveau des bouches de pulsion, soit en traitant l’air de façon centralisée.
| Exemple.
Prenons un bureau au sein d’un immeuble. La largeur de façade du bureau est de 4 m , pour une hauteur de 3 m. La profondeur du local est de 5 m. Le bureau est entouré (au-dessus, en dessous et sur les côtés d’autres bureaux. La façade est composée de vitrages sur une hauteur de 2 m et de maçonnerie pour le mètre restant. La température intérieure de consigne est de 20°C. Le débit d’air neuf recommandé est de 2,9 m³/h.m², soit pour ce bureau de 60 m³, 58 m³/h ou un renouvellement d’air de 1 vol/h. En imaginant que la température de l’air pulsé soit au maximum de 35°C, la puissance calorifique maximum transportée par l’air de ventilation est de : 0,34 [W/(m³/h).K] x 58 [m³/h] x (35 [°C] – 20 [°C]) = 296 [W]
On voit que pour un bâtiment non isolé, il faut multiplier le débit d’air hygiénique par 5 si on veut combiner chauffage et ventilation. Une majoration de moins de 50 % est seulement nécessaire pour des bâtiments bien isolés. |
|||||||||||||||
Récupération de chaleur
L’ air neuf de ventilation, après avoir été porté à la température de confort à l’intérieur du bâtiment, est rejeté à l’extérieur alors qu’il possède un niveau énergétique supérieur à l’air extérieur que l’on introduit. Au contraire de la ventilation simple flux, une récupération de chaleur via un récupérateur à chaleur est possible avec la ventilation double flux grâce au croisement du flux entrant avec le flux sortant : l’air extérieure pulsé est réchauffé par l’air intérieur extrait. On peut ainsi arriver à une récupération de 50 .. 90 % du budget de chauffage de l’air de ventilation.
La ventilation double flux décentralisée
En générale, la ventilation double flux est centralisé sur l’entièreté ou une partie du bâtiment. Mais il est également possible de décentralisé la ventilation au niveau d’un local ou d’un groupe de pièce restreintes (une chambre d’hôpital et sa salle de bain, par exemple). Il n’y a donc pas de transfert d’air depuis des locaux où il y a pulsion vers des locaux d’extraction.
La ventilation double flux décentralisée peut se réaliser soit grâce à un groupe de ventilation « classique propre » à la pièce soit grâce à un ou plusieurs groupe de ventilation « miniaturisé » disposé dans le mur ou au dessus d’une fenêtre comme une grille de ventilation naturelle. Ce dernier système joue donc un rôle de grille de ventilation complexe comprenant un système de pulsion et d’extraction ainsi qu’un récupérateur de chaleur et une variation des débits sur 5 niveaux. Il n’y a donc plus aucun conduit.
Avantages
- La récupération de chaleur reste possible.
- La décentralisation du système permet de réduire l’encombrement dû au conduits. Les conduits peuvent être réduits en taille (diamètre) puisque directement adaptés au débit d’une seule pièce et en longueur si les prises et rejets d’air se font directement à la sortie du local. La limitation des conduits permet aussi une installation plus aisée et une diminution de la taille des faux-plafonds et gaines. Moins de conduits c’est également moins d’entretien !
- L’équilibrage des débits se fait uniquement en fonction de la pièce, il n’y a pas besoin de calibration.
- La gestion des débits se fait également directement en fonction des conditions de la pièce (CO2, COV, humidité, …) sans avoir d’impact sur toute la régulation du réseau et des débits voulus dans les autres pièces.
- Le système de double flux décentralisé au niveau de la fenêtre ou du mur de façade permet aussi de réduire la place prise par le groupe de ventilation.
Inconvénients
- L’encombrement des conduits est réduit mais il y a autant de groupes de ventilation que de pièces. L’investissement est donc plus important et cela en fait un système énergétiquement moins performant qu’un système double flux centralisé idéal.
- Pour les systèmes « miniaturisés », plus la taille et les débits demandés de la pièce augmente, plus le nombre de module à installer sera important (au dessus des fenêtres ou dans le mur de façade). Dans le cas d’un système au-dessus de fenêtres, il faut en plus réduire d’environ 15 cm la hauteur du châssis pour placer le système et s’assurer de la bonne étanchéité à l’air de la pièce. Ce système interrompt la continuité châssis-isolation !
- Les bruits restent importants à haut régime.
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.
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 »…
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;
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.
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.
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.
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 |  |
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| Été |  |
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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) :
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 :
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.