Régulation du taux d’air neuf dans les installations “tout air”

Principe

Un taux d’air neuf minimum est requis pour assurer l’air hygiénique aux occupants.
Mais ce débit d’air est coûteux, tout d’abord en chauffage et en refroidissement de l’air extérieur !

Il importe donc d’adapter à tout moment le débit d’air neuf adéquat. On peut parler d’une véritable gestion de l’air neuf, puisque

• Le débit d’air neuf sera minimal en plein hiver et en plein été.
• Le débit sera maximal lorsqu’il est préférable d’utiliser de l’air extérieur “gratuit” que de traiter l’air intérieur.
• Le débit sera nul en période de relance du bâtiment (pas d’occupants).
• Le débit sera maximal si l’on souhaite refroidir le bâtiment durant la nuit par de l’air frais extérieur (free cooling)

De plus, si autrefois on ne pouvait faire que du “minimal-maximal”, l’apparition sur le marché de nombreux “capteurs” (détecteurs de présence, sonde de qualité d’air,…) permet aujourd’hui de moduler les registres d’air neuf en fonction du nombre de personnes effectivement présentes dans le bâtiment.

L’exemple de la gestion du débit d’air neuf dans un auditoire (analysé par le COSTIC en France) est parlant à ce sujet.

Quand on sait qu’un bureau d’études dimensionne une installation sur plan, sur base d’un nombre présumé de personnes présentes, on comprend qu’un réajustement peut avoir lieu…

Mais le débit d’air est aussi coûteux en énergie électrique de ventilateurs. Le développement du variateur de vitesse ouvre maintenant de nouvelles perspectives pour adapter les régulations de manière à ce que la vitesse des ventilateurs et donc leur consommation soit toujours minimale en fonction des besoins d’air.

Un premier mode de régulation consiste à agir sur la quantité d’air recyclée de manière à ajuster le taux d’air neuf aux justes besoins hygiénique et thermique. Dans ce cas on optimalise la consommation de chaleur et de refroidissement, malheureusement, tout en gardant une consommation électrique de ventilateurs constante.

Généralement, la modulation du volet d’air neuf en fonction des besoins réels du local se fait via une sonde de qualité d’air placée dans le conduit d’air extrait. Le groupe d’extraction ne doit concerner qu’une seule salle ou qu’un ensemble de locaux homogènes dans leur utilisation.

Mais parfois, il est plus judicieux de placer une sonde de qualité d’air dans le local même :

Quelle régulation ?

Le principe est simple : définir la loi de correspondance entre la mesure de la sonde et l’ouverture du volet d’air.

Par exemple, pour une sonde CO₂, le volet d’air neuf est fermé pour une teneur inférieure à 900 ppm de CO₂, et totalement ouvert au-delà de 1 400 ppm (soit une bande proportionnelle de 500 ppm).

Mais en pratique, d’autres critères peuvent apparaître

• On peut vouloir réaliser du free cooling (rafraîchissement nocturne du bâtiment grâce à la température de l’air extérieur plus fraîche que celle de l’air intérieur).
• Également, une valeur minimale du débit d’air neuf est souvent demandée.

Elaborons par étapes la régulation qui permet d’atteindre ces différents objectifs :

Étape 1

Le régulateur de température R₁ définit la demande thermique du local par comparaison entre température ambiante et consigne, et en tenant compte d’une température limite basse de soufflage en sortie de gaine. Suivant le cas, il actionne l’ouverture des voies trois voies de la batterie de chauffe et de la batterie froide. Une zone neutre est ménagée autour de la consigne (de 2 à 3°C). Pour la clarté du schéma, la régulation en fonction de l’humidité, la protection anti-gel,.. n’ont pas été indiquée ici.

Étape 2

Le régulateur de ventilation R₂ commande l’ouverture des volets d’air neuf, suite à l’évolution de la température dans le local. Le débit sera minimum en hiver. En mi-saison, après la demande de chauffage du matin, ce sont les apports gratuits qui font monter la température intérieure. Pour répondre à ces besoins c’est d’abord l’air neuf extérieur qui est pulsé. Puis, la charge devenant trop élevée, l’air neuf est ramené en valeur minimale et l’installation de froid prend le relais.

Étape 3

La fermeture des registres, lors de la montée en température dans le local, ne doit se faire que lorsque la température extérieure est supérieure à la température intérieure. C’est dans ce but qu’une comparaison est faite entre température d’air repris et température extérieure et que l’information est répercutée vers le régulateur de ventilation afin qu’il déplace le point de fermeture des registres vers le débit minimal. Mieux : ce sont les deux niveaux d’enthalpie qui seront comparés.

L’ouverture en tout air neuf la nuit (free cooling) est alors également possible via cette régulation. Attention, si l’installation est totalement arrêtée la nuit, la sonde de température extérieure doit être située à l’extérieur et non dans la gaine de prise d’air neuf (arrêt de la circulation d’air, donc sonde non fidèle de la température extérieure).

Étape 4

L’information de la sonde de qualité de l’air influence encore le servomoteur du clapet d’air neuf :

• La position “minimale” est affinée en fonction du nombre de personnes effectivement présentes, ce qu’atteste la sonde de qualité d’air (CO₂, COV, humidité,…).
• En zone neutre, on choisit la demande d’ouverture maximale entre celle provenant de la sonde de qualité d’air et celle du régulateur de température.

Transporter de l’énergie thermique via un réseau de ventilation coûte cher en consommation de ventilateurs. Dès lors, on peut se poser la question de la nécessité de maintenir en permanence le débit maximum quels que soient les besoins en air neuf, en chauffage ou en refroidissement. Le développement des variateurs de vitesse dans les groupes de traitement d’air permet d’envisager de nouveaux algorithmes de régulation encore plus économiseur d’énergie.

Un exemple est repris ici mis en œuvre dans un bâtiment existant (source : Bureau d’études MATRIciel sa, 2010). D’autres peuvent être envisagés, chacun guidé par la question “comment minimiser la vitesse des ventilateurs et ensuite le recours à la production de froid en fonction des besoins ? ”

Descriptif de l’installation

L’installation assure le chauffage, le refroidissement et la ventilation de bureaux. Le chauffage principal est assuré par des convecteurs statiques, la ventilation et le refroidissement par un groupe de ventilation avec roue hygroscopique de récupération, boite de mélange, batteries chaude et froide, humidificateur vapeur et ventilateur à vitesse variable.

Principe de régulation

Objectif : minimiser d’abord la consommation électrique des ventilateurs en favorisant un fonctionnement à basse vitesse et ensuite le recours aux batteries chaudes et froides, tout en garantissant un débit d’air neuf hygiénique et une température de pulsion minimaux.

En hiver (Text < Tnon chauffage) :

En journée, le chauffage est assuré par les convecteurs avec une température d’eau réglée par courbe de chauffe au niveau des chaudières et une régulation locale par vannes thermostatiques.

Le groupe de ventilation travaille en tout air neuf. La vitesse du ventilateur est minimale et correspond au besoin hygiénique. L’air de pulsion est à température neutre, réglée au moyen de la batterie chaude. La récupération de chaleur sur l’air extrait est maximale.

L’humidification est commandée par une consigne d’humidité relative mesurée dans la reprise commune.

La nuit et le week-end, l’ensemble des installations est mis à l’arrêt avec contrôle d’une température ambiante minimale.

La relance matinale est optimisée et s’effectue obligatoirement sans air neuf.

En mi-saison (Text < Tnon chauffage et < Tintérieure) :

Les circuits convecteurs et batterie chaude sont mis à l’arrêt.

En journée, le refroidissement éventuel est assuré par le groupe de ventilation. La température de pulsion de l’air est régulée grâce à une cascade entre la modulation de la roue de récupération, la batterie froide et enfin la vitesse du ventilateur. Le taux d’air neuf du groupe reste maximal.

La nuit, les installations sont à l’arrêt.

En plein été (Textérieure > Tintérieure) :

Les circuits convecteurs et batteries chaudes sont mis à l’arrêt.

En journée, le refroidissement est assuré par le groupe de ventilation. La température de pulsion de l’air est régulée grâce à une cascade entre la batterie froide et ensuite la vitesse du ventilateur. La récupération de chaleur reste maximale et le taux d’air neuf du groupe est adapté en fonction de la vitesse du ventilateur pour que le débit global corresponde au besoin hygiénique.

La nuit, si les conditions extérieures le permettent, le groupe de ventilation est activé, à vitesse maximale, sans traitement d’air ni récupération de chaleur.

Algorithme de régulation associé

Légende :

• Text  = température extérieure
• Text_cons_NC  = température extérieure de non chauffage (arrêt du besoin de chauffage du bâtiment) – Paramétrable (par défaut : 15°C)
• Text_cons_FC = température extérieure de libération de la ventilation intensive de free cooling – Paramétrable (par défaut : 16°C)
• ONOFF_FC = libération manuelle de la ventilation intensive de free cooling – Paramétrable (par défaut : OFF)
• %AN = taux d’air neuf de la boite de mélange (0% = sans air neuf, 100% = tout air neuf)
• %ANmin = taux d’air neuf minimale de la boite de mélange permettant un débit hygiénique voulu lorsque Hzvent = 50 Hz – Paramétrable (par défaut : 30%)
• Hzvent = fréquence d’alimentation des ventilateurs de pulsion et d’extraction (liés)
• Hzvent_min = fréquence d’alimentation minimale des ventilateurs de pulsion et d’extraction (liés) correspondant au débit de ventilation hygiénique théorique – Paramétrable (par défaut : 15 Hz)
• Tpuls_dalle = température de pulsion de l’air dans les bureaux et la cafétéria, mesurée à la sortie des dalles actives
• Tpuls_dalle_min_hiver = consigne de température de pulsion minimale de l’air dans les bureaux et la cafétéria en hiver, à la sortie des dalles actives – Paramétrable (par défaut : 16°C)
• Tpuls_dalle_min_été = consigne de température de pulsion minimale de l’air dans les bureaux et la cafétéria en été à la sortie des dalles actives – Paramétrable (par défaut : 16°C)
• Tpuls_GP = température de pulsion mesurée à la sortie du GP
• Treprise = température de l’air mesurée dans la reprise commune vers le GE
• Treprise_cons_été = consigne de température de reprise en été – Paramétrable (par défaut : 25°C) (Toujours : Treprise_cons_été > Tamb_cons_jour + 2°C)
• %HR reprise = humidité relative mesurée dans la reprise
• %HR reprise_cons = consigne d’humidité relative mesurée dans la reprise – Paramétrable (par défaut : 40%)
• Vroue = vitesse de la roue de récupération de chaleur sur l’air extrait (de 0% = sans récupération, 100% = récupération maximale)
• Tamb_moy = température ambiante (moyenne des 4 sondes ambiantes)
• Tamb_min = température ambiante minimale (minimum des 4 sondes ambiantes)
• Tamb_max = température ambiante maximale (maximum des 4 sondes ambiantes)
• Tamb_cons_jour = température de consigne ambiante de jour – Paramétrable
• Tamb_cons_max_FC = température de consigne maximale de gestion de la ventilation intensive – Paramétrable (par défaut : 23°C)
• Tamb_cons_min_FC = température de consigne minimale de gestion de la ventilation intensive – Paramétrable (par défaut : 20°C)
• Tamb_cons_nuit = température de consigne ambiante de nuit et de week-end – Paramétrable (par défaut : 15°C)
• DTamb_ext = écart de température entre intérieur et extérieur commandant l’enclenchement du free cooling – Paramétrable (par défaut : 6°C)
• Teau_chaudière = température de départ des chaudières
• Teau_chaudière_cons _max = consigne de température de départ des chaudières en phase de relance – Paramétrable (par défaut : 70°C)

En hiver

  En mi-saison

En été

Impact énergétique

L’impact énergétique de cet algorithme de régulation par rapport à une régulation traditionnelle du recyclage a été évalué par simulation thermique dynamique au moyen du logiciel TRNsys 17 : la consommation électrique des ventilateurs est réduite de 70% et la consommation en énergie primaire de l’ensemble de l’installation est réduite de 50% par rapport à une régulation traditionnelle du taux d’air neuf par action sur les volets de mélange.

Avec régulation à vitesse variable des ventilateurs

Avec régulation simple des volets de mélange

Certaines contraintes peuvent amener des auteurs de projet à mettre en place un free cooling mécanique pour rafraîchir le bâtiment en été.

Dans ce cas, le réseau de ventilation hygiénique est surdimensionné pour assurer un débit de refroidissement suffisant. Une gestion est donc nécessaire pour adapter le débit en fonction de la saison : un débit minimum hygiénique en hiver et un débit augmentant en été en fonction des températures intérieure et extérieure.

Comme dans une installation VAV traditionnelle, la gestion individuelle de l’ambiance peut se gérer par action sur des clapets modulants, le ventilateur modulant sa vitesse de manière à maintenir une pression constante dans le réseau. La consommation du groupe de ventilation est alors plus ou moins proportionnelle au débit pulsé.

L’étrangeté de ce mode de régulation apparaît par exemple en hiver. Dans ce cas il y a de fortes chances que l’ensemble des clapets de zone soit fermé en position minimale, générant une perte de charge que le ventilateur doit vaincre pour assurer le débit hygiénique. L’idéal énergétique voudrait plutôt que, pour le même débit pulsé, tous les clapets soient ouverts en grand et que le ventilateur réduise encore plus sa vitesse. Cela paraît simple lorsque toutes les zones du bâtiment demandent le débit minimal, mais cela se complique si, en été, les demandes de débit varient entre les zones. Dans ce cas, il convient de trouver un moyen de régulation qui permet au ventilateur de travailler toujours non seulement à son débit minimal, mais aussi à sa pression minimale. Ce sera le cas si la gestion de l’ensemble du système “clapets modulants – ventilateur” fait en sorte que quel que soit le besoin, au moins un clapet dans l’installation est en position totalement ouverte.

Un tel mode de régulation existe de façon intégrée chez certains fabricants de systèmes de ventilation. Il peut également être composé au départ de composants indépendants.

Descriptif de l’installation

L’installation est alors composée de :

• Clapets modulants (ou boites VAV) sur la pulsion et l’extraction de chaque zone. Ces clapets ont la caractéristique de permettre une lecture digitale du débit et de la pression.
• Groupe de ventilation à vitesse variable, avec batteries chaude et froide et roue de récupération
• Régulateur digital

Principe de régulation

Régulation estivale

La température de consigne d’été sera contrôlée par action en cascade sur :

• La température de pulsion : si la température de reprise du groupe dépasse la température de consigne d’été, une commande en cascade modulera la vitesse de la roue de récupération puis l’enclenchement de la batterie froide de manière à adapter la température de pulsion jusqu’à une température de pulsion minimale de confort. La température de pulsion est sera également limitée si la température d’une des zones descend en dessous d’une valeur minimale de confort paramétrable.
• Puis l’ouverture des clapets de zone : si la température de pulsion minimale est atteinte, les clapets de zone s’ouvriront, entraînant l’augmentation de la vitesse des ventilateurs du groupe. Les clapets sont alors commandés par une mesure de température locale : la vitesse des ventilateurs et leur hauteur manométrique seront réglées en fonction de la position des clapets de zone. Le système de régulation connaît le débit de chaque registre et optimise la vitesse de la centrale de traitement d’air de manière à ce qu’au moins un registre soit totalement ouvert (les ventilateurs adaptent leur vitesse jusqu’à ce qu’un des débits locaux devienne inférieur à sa consigne).

Régulation hivernale

Durant la saison de chauffe, la centrale de traitement d’air est réglée à une valeur correspondant au débit d’air hygiénique minimal. Ici aussi, les clapets de zones sont automatiquement réglés afin qu’au moins un registre soit totalement ouvert de manière à optimaliser la pression du réseau.

La roue de récupération fonctionne à sa vitesse maximale et la température de pulsion est maintenue à une valeur de consigne.

Algorithme de régulation associé (extrait)

La température de consigne de pulsion de l’air dépend de la température extérieure. Par exemple : si Text < ou = 0°C, Tpuls = 19 °C ; si Text > 18 °C, Tpuls = 16 °C, modulation linéaire entre ces 2 points.

Pour chaque zone (chaque clapet modulant), une courbe définit un débit d’air de consigne en fonction de la T° ambiante, avec une plage morte entre le débit minimal en mode chauffage (T ambiante = 21 °C) et l’augmentation du débit en mode refroidissement naturel (Tambiante > 24 °C).

Les signaux 0-10 V d’entrée et sortie des boîtes VAV sont convertis en débit d’air (m³/h) en fonction du débit maximum voulu. Un signal de 30 % (3 V) correspond ainsi au débit de ventilation hygiénique, un signal de 100 % (10 V) au débit maximal de free cooling. Un signal de 0 % (0 V) correspond alors à la mise à l’arrêt du système (par exemple, fermeture complète des boîtes suivant un horaire programmé).

Le signal de sortie 0-10 V d’une boîte VAV est envoyé à la GTC. Il permet de lire le débit réel de la boîte.

L’écart entre la consigne de débit et le débit mesuré est calculé pour chaque boîte VAV (en pulsion et en extraction). La valeur minimale de cet écart pour les différentes boîtes est envoyée à un régulateur PID qui module la vitesse du groupe de pulsion pour la maintenir à une valeur de consigne (par exemple “-50 m³/h”). Cela signifie qu’au minimum une boîte est en demande permanente et donc se retrouve en position complètement ouverte et le ventilateur fonctionne toujours à sa vitesse minimale.