février 2014 : fusion des pages 11075 (Concevoir le conditionnement d’air d’un immeuble de bureaux  et 11073 (La climatisation des bureaux : le choix parmi les systèmes « air-eau ») – Geoffrey.

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Auteur : les anciens

Eté 2008 : Brieuc.

Notes : 24.02.09

  • Winmerge : ok – Sylvie
  • Mise en page [liens internes, tdm, en bref !, passage général sur la mise en page de la feuille] – Sylvie

Solution 1 : réseau « tout air neuf » à un conduit, à débit d’air constant

Le principe de base d’une installation « tout air » est double : fournir aux occupants de l’air neuf hygiénique et assurer le traitement thermique des locaux. L’air est donc préparé en centrale et distribué dans les différents locaux.

Un tel système est bien adapté au traitement d’une grande salle unique (salle de réunion, salle de conférence, …) mais s’adapte mal à un ensemble de bureaux dont les charges thermiques et les occupations peuvent être très différentes, notamment parce qu’ils seraient sur des façades d’orientations différentes.
A priori, ce n’est donc pas une bonne solution pour des immeubles de bureaux présentant beaucoup de locaux distincts.
De plus, l’encombrement apporté par les gaines est fort important.

1ère amélioration

Pour réduire l’encombrement, on peut réaliser des variantes à « haute pression » : on réduit les sections, on augmente la vitesse, la pression délivrée par le ventilateur augmente, … le bruit aussi ! L’insertion d’un caisson absorbeur acoustique s’impose.

Mais la consommation relative à l’énergie motrice (ventilateur) déjà élevée, en est encore augmentée puisque le débit d’air est véhiculé avec des pertes de charge accrues.
De plus, un problème majeur subsiste : dans les solutions ci-dessus, c’est toujours de l’air neuf qui est traité et pulsé dans les locaux. Une consommation énergétique importante en résulte !

2ème amélioration

Le recyclage d’air vicié est requis afin d’éviter le gaspillage d’énergie qu’entraîneraient le chauffage et le refroidissement de la totalité de l’air neuf mis en œuvre.

Cette solution est plus économe mais elle entraîne l’inconvénient de mélanger et redistribuer de l’air extrait de locaux différents… Pour des raisons hygiéniques, elle sera exclue en milieu hospitalier par exemple. Dans les immeubles de bureaux, certains disent que le recyclage est à l’origine du « sick building syndrom », c’est-à-dire, en bref, de la propagation du rhume de la secrétaire à l’ensemble du personnel !
Ce qui est certain, c’est que si une telle installation est choisie, elle devra faire l’objet d’un entretien régulier et d’une attention toute particulière au niveau du système d’humidification et de filtration. Si la filtration est de qualité, on pourra bénéficier au contraire d’un air plus pur que celui d’un bâtiment traditionnel, sans conditionnement d’air.

Solution 2 : réseau « tout air  » à un conduit, avec traitement terminal

Pour mieux réguler l’installation en fonction des besoins, une solution consiste à partir d’une installation monogaine (air globalement prétraité en centrale) sur laquelle des batteries finales ajustent la température de pulsion requise par zone ou par local individuellement. Mais si les besoins des bureaux ne sont pas globalement homogènes, on risque de « détruire de l’énergie » (par exemple, préparer de l’air froid en centrale, air qui sera ensuite réchauffé dans le caisson terminal…).

Le recyclage entraîne un mélange de l’air provenant de différentes ambiances…
Pour l’éviter une autre solution est envisageable : l’air de chaque local peut être partiellement recyclé à l’entrée du caisson terminal.

Mais ce n’est pas très performant.
Par exemple, imaginons la situation en été : de l’air est préparé à 16°C en centrale, il est mélangé à l’air du local à 24°. Une température moyenne résultante de 22°C en résulte, par exemple. La batterie de froid sera moins bien exploitée que si elle avait été mise directement en contact avec l’air à 24°C. Autrement dit, la batterie de froid devra être surdimensionnée légèrement. Autant séparer les fonctions : l’air du local est traité dans le caisson et de l’air neuf est apporté séparément au local. C’est finalement ce que réalise l’installation par ventilo-convecteurs de la famille « air + eau ».
Pour plus de détails, on peut consulter les installations « tout air » à débit constant monogaine.

Solution 3 : réseau « tout air  » à deux conduits

Pour assurer le traitement individuel, on peut également préparer et distribuer l’air via deux réseaux parallèles : un réseau d’air chaud et un réseau d’air froid (système à débit constant double gaine, ou « Dual Duct »). Chaque local (ou zone de locaux) sera alimenté via une boîte de mélange sous dépendance d’une sonde de température ambiante. Ce système est contraignant à plusieurs niveaux : financièrement (investissement), énergétiquement (risque de « détruire » de l’énergie à l’exploitation) et spatialement (encombrement dans les faux plafonds).

Ce type d’installation ne serait envisageable que si l’on peut regrouper les locaux en quelques zones homogènes, mais en pratique il ne s’installe plus aujourd’hui. On le rencontre encore dans des installations réalisées il y a une  vingtaine d’années.
Pour plus de détails, on peut consulter les installations « tout air », à débit constant, à double gaine.

Solution 4 : réseau « tout air  » à un conduit à débit variable

Reste des cas où l’installation « tout air » se justifie par la nécessité d’apporter beaucoup d’air aux locaux : un immeuble avec une large zone centrale, de larges plateaux intérieurs, de nombreuses salles de réunion, … Ce sont des zones à alimenter en air hygiénique et à refroidir toute l’année. C’est là que la climatisation par pulsion d’air froid se justifie le mieux, notamment parce que l’air froid sera distribué « gratuitement » durant une bonne part de l’année en utilisant l’air extérieur (free cooling).
Si l’on pressent que la présence des personnes sera fluctuante dans le temps, on pourra valoriser la technologie d’aujourd’hui qui adapte le débit d’air aux besoins : cette fois, la température de l’air est maintenue d’une manière uniforme toute l’année (par exemple 16°C) mais on fait varier le débit d’air introduit dans chaque local en fonction de ses besoins thermiques. Cet ajustement des débits est réalisé au moyen de boites terminales VAV (variable air volume) sous la dépendance des thermostats d’ambiance.

Les dimensions de la centrale de traitement d’air seront réduites par rapport à un système à débit d’air constant car on va profiter de la non-simultanéité des charges et des occupations des locaux qui se trouvent sur des façades différentes.
Mais des défauts résident :

  • dans la lourdeur technologique des équipements (clapet d’air, ventilateur à débit variable, …) et de leur régulation,
  • dans la mise au point de l’installation qui ne semble pas évidente
  • dans le coût d’investissement initial qui est élevé.
  • dans l’encombrement des conduits (comme tous les systèmes « tout air »),
  • dans le manque de souplesse pour répondre à des besoins variables à l’intérieur d’une même zone; la température de pulsion étant uniforme au sein d’une zone, si un local est à refroidir au sein d’une zone à chauffer… problème ! Or qui peut prévoir l’avenir de l’occupation des locaux ?

Cependant, si le système « tout air » est choisi pour la climatisation d’un immeuble de bureaux, le VAV est assurément la meilleure solution sur le plan énergétique, dans la mesure où le coût du transport est optimalisé (on ne transporte que le débit d’air nécessaire) et dans la mesure où la capacité de refroidissement de l’air extérieur est valorisée, tant en journée (free-cooling diurne en hiver et en mi-saison) que durant la nuit (free-cooling nocturne pour décharger le bâtiment durant la nuit en été). Les coûts d’exploitation seront donc réduits.
Le chiffre de 20 % d’économie thermique et électrique (ventilateur) est couramment cité, entre un VAV simple (sans réchauffage terminal) et un système unizone à débit constant.
Les locaux périphériques devront être équipés d’éléments chauffants pour assurer les besoins de chauffage durant les périodes froides de l’hiver : un réseau de radiateurs peut être prévu en façade ou des batteries de chauffe terminales peuvent compléter le réseau d’air.

Exemple d’une bonne application du VAV dans les bureaux

Si différentes salles de réunion sont prévues, l’architecte les disposera de telle façon qu’elles soient alimentées sur un même réseau de préparation d’air (par exemple une par étage, raccordée par une trémie verticale commune). L’ingénieur prévoira une climatisation à débit d’air variable, avec dans chaque local une bouche de pulsion commandée par détecteur de présence. Le ventilateur travaillera à vitesse variable en fonction de la demande réelle. Le groupe de préparation sera dimensionné avec un facteur de simultanéité (défini de commun accord avec le Maître d’Ouvrage) pour tenir compte du fait que toutes les salles ne seront pas occupées en même temps.

Pour plus de détails, on peut consulter :

Concevoir

Le choix du conditionnement d’air des « locaux intérieurs ».

Concevoir

Choisir une installation « tout air ».

Techniques

La technologie des installations à débit d’air variable.

Techniques

 

La technologie des installations à débit d’air constant monogaine.

 

Techniques

 

La technologie des installations à débit d’air constant à double gaine.

 

Solution 5 : le ventilo-convecteur

Parmi la famille « air-eau », le ventilo-convecteur est sans aucun doute le système le plus fréquemment utilisé.

Des avantages incontestables

  • Une souplesse d’adaptation aux variations de la charge dans les locaux, puisqu’il permet une régulation local par local. Un arrêt de l’équipement est même possible localement, chose difficile à faire avec une installation par éjecto-convecteur ou plafonds froids, arrêt volontaire ou forcé (un contact d’ouverture de fenêtre peut imposer l’arrêt).
  • Une large gamme de puissance (par opposition aux systèmes par plafonds froids rayonnants qui sont limités à ce niveau).
  • Une bonne adaptation aux exigences actuelles en matière de découpage des zones périphériques des bâtiments à structure répétitive (un appareil par module de façade, par exemple). Mieux, rien n’empêche d’installer initialement un appareil pour deux modules et, moyennant les réservations nécessaires sur les collecteurs hydrauliques, de pouvoir ultérieurement greffer un échangeur supplémentaire si la puissance frigorifique augmente ou si une cloison est créée.
  • Un faible encombrement, permettant notamment aux appareils de prendre facilement la place des radiateurs en cas de rénovation du bâtiment.
  • Une possibilité de libérer le sol s’il est accroché au plafond ou intégré dans le faux plafond.
  • Un coût modéré à l’investissement, même si les exigences de qualité attendues en matière de régulation peuvent parfois faire augmenter les budgets.
  • Un coût modéré à l’exploitation, du moins s’il est comparé aux systèmes « tout air ». Il est toutefois battu sur ce plan par les installations par plafonds froids, par exemple, notamment suite aux fonctionnements des ventilateurs.
  • Une possibilité de valoriser la performance d’une chaudière à condensation en hiver puisque le réseau d’eau chaude peut fonctionner à très basse température.

Comme inconvénient, on notera :

  • L’impossibilité du ventilo-convecteur de contrôler le taux d’humidité de la pièce, mais ce n’est généralement pas un critère gênant pour un immeuble de bureaux puisqu’on peut réaliser cet objectif à partir de l’air hygiénique.
  • Le niveau de bruit qui est directement lié à la vitesse du ventilateur et à la surface du ou des batteries d’échange (il faut être très strict dans le niveau de bruit à imposer au cahier des charges).
  • La difficulté de réaliser une bonne intégration dans l’habillage et vis-à-vis de la grille de pulsion.
  • La difficulté d’assurer un confort thermique correct, notamment sans courants d’air dans la zone de travail,…
  • Les débits d’air hygiéniques sont constants et limités à 1 ou 2 renouvellements horaires du local. Il est donc impossible de réaliser du free cooling sur l’installation, c’est-à-dire de profiter de l’air frais et gratuit extérieur.

Solution 6 : le plafond rafraîchissant

De l’eau froide circule dans des conduites fixées sur le faux plafond métallique du local.

Des avantages appréciés

  • Le confort est meilleur que dans les systèmes traditionnels (par ventilo-convecteurs par exemple) :
    1. Parce que l’apport de froid par rayonnement est plus stable (inerte) et mieux réparti spatialement que l’apport de froid par air. L’impression d’avoir « la tête au frais » est agréable.
    2. Par la diminution des courants d’air froid et des déplacements de poussières dans les locaux, puisque le débit d’air est limité au débit hygiénique. À noter que ce débit d’air neuf est souvent augmenté (doublé) pour pouvoir contrôler l’humidité en période estivale. Ce qui exige un soin tout particulier dans la façon de distribuer l’air.
    3. Par l’absence de bruit : fonctionnement statique, sauf débit hygiénique.
  • La préparation d’eau glacée à une température « élevée » de 15°C environ permet la sélection d’une machine frigorifique avec un excellent coefficient d’efficacité frigorifique (ou « COP frigorifique »). Cette propriété n’est effective que si une machine frigorifique est spécifiquement prévue pour l’alimentation en eau froide des plafonds. Elle est en partie perdue si la même machine frigorifique est utilisée pour préparer l’air neuf déshumidifié …
  • Cette température élevée permet d’imaginer, durant une bonne partie de l’année, un refroidissement direct de l’eau glacée soit dans un aéro-refroisseur, soit dans une tour de refroidissement en toiture, en by-passant ainsi la machine frigorifique. Cette technique est généralement appelée « free-chilling« . La consommation liée au froid se résume à l’alimentation des pompes de circulation ! La présence d’une source d’eau froide naturelle peut également être mise à profit (rivière, lac, …).
  • Le confort apporté par le rayonnement froid au dessus des occupants permet une augmentation de 2°C de la consigne de température ambiante des systèmes traditionnels (température max = 26°C ou 27°C, au lieu des 24 ou 25°C habituels pour des ventilos ou des poutres froides, par exemple). Il s’en suit une légère réduction de la puissance frigorifique nécessaire (entre 4 et 10 %) mais surtout une augmentation des capacités de travailler en free cooling nocturne puisque l’on peut davantage profiter de l’effet « tampon » du local qui peut démarrer sa journée à 21° et la terminer à 27°C.
  • Les coûts d’exploitation énergétiques sont plus faibles que dans le cas des systèmes traditionnels (ventilo-convecteurs par exemple). Une étude de cas réalisée par Tractebel Development Engineering précise ce facteur. On épargne la consommation des ventilateurs des ventilo-convecteurs, mais on augmente un peu la consommation des pompes de distribution de l’eau puisque qu’un delta T° aller-retour de 2 à 3 K est réalisé contre 5 à 6 K pour les ventilos.
  • La régulation est en partie auto-adaptative : une augmentation des charges du local provoque une augmentation de sa température et donc une augmentation de la puissance de refroidissement.
  • L’entretien est réduit.
  • L’encombrement au sol est nul, ce qui peut être également le cas avec des ventilos-convecteurs en plafond, mais ils génèrent alors nettement plus d’inconfort lié à la pulsion d’air.
  • Le traitement des zones internes par ce système est moins encombrant que par ventilo-convecteurs.

Des inconvénients qui peuvent limiter l’application des plafonds froids :

  • La puissance frigorifique reste très limitée par rapport aux systèmes à ventilo-convecteurs : de l’ordre de 90 W/m² de plafond actif. Si ce système doit vaincre des apports internes importants (bureautique, éclairage, occupants), la réserve disponible pour les apports solaires n’est que de l’ordre de 25 W/m². Ceci sous-entend que les apports solaires des vitrages soient limités :
    • soit par la conception du bâtiment créant des ombres portées,
    • soit par la mise en place de protections solaires extérieures,
    • soit par le placement de stores intérieurs clairs combinés à des vitrages performants,
    • soit par la configuration des lieux (bureaux paysagers, salles profondes).
  • Le coût d’installation est plus élevé que le système des ventilo-convecteurs, surtout en rapport à la puissance frigorifique fournie.
  • Ce coût est notamment lié à la régulation que l’on rend parfois assez sophistiquée pour éviter tout risque de condensation. Ce risque doit cependant être évalué à sa juste mesure.
  • Par rapport au ventilos, le chauffage en hiver reste à imaginer. Plusieurs solutions sont possibles :
    • soit un chauffage de l’air pulsé (mais les débits ne permettent de couvrir que peu de déperditions, le bâtiment doit donc être fort isolé au départ),
    • soit le chauffage par le plafond (mais inconfortable),
    • soit un chauffage par le plafond limité aux premiers panneaux situés en façade (plus confortable, mais limité en puissance),
    • soit un chauffage traditionnel par radiateur (solution généralement appliquée en rénovation puisque l’on peut récupérer l’installation existante).
  • Le système requiert une hauteur de faux plafond disponible, mais limitée (par exemple 160 mm). Les conduits d’air d’un diamètre de 150 mm (max) posent nettement moins de problèmes qu’avec un système « tout air ».
  • L’inconnue sur la tenue dans le temps de ce type de produit (problèmes hydrauliques, manque de performance dans les circuits mal éventés, …) diminue progressivement, l’expérience étant maintenant d’une bonne dizaine d’années. Ce risque peut être limité par un suivi de réalisation rigoureux.

Solution 7 : la poutre froide

Le complément aux plafonds froids…

Généralement, le plafond froid est perçu comme l’installation de grand confort. Mais la faible puissance spécifique est un frein majeur… Lors du dimensionnement, cela « coince » au niveau du local d’angle suite à l’ensoleillement sur 2 façades. C’est à ce moment que des poutres sont proposées en supplément du plafond, pour augmenter l’effet frigorifique (le fait que ces équipements travaillent à même régime de température d’eau est d’ailleurs un avantage).

… ou le système de refroidissement à part entière

Il est possible de prévoir le refroidissement complet du local uniquement par poutres froides, qu’elles soient statiques ou dynamiques

Des avantages

On retrouve beaucoup de qualités du plafond froid :

  • La préparation d’eau glacée à une température de 15°C environ qui permet la sélection d’une machine frigorifique avec un excellent coefficient d’efficacité frigorifique (ou « COP frigorifique »).
  • Durant une bonne partie de l’année, le refroidissement direct de l’eau glacée dans un aéro-refroidisseur ou dans une tour de refroidissement en toiture, en by-passant ainsi la machine frigorifique (« free-chilling« ).
  • L’encombrement au sol est nul !

Le prix est généralement très compétitif, surtout pour la poutre statique, bien sûr.

Des inconvénents

Le confort apporté par les poutres froides est objet à discussion

  • La poutre statique génère une « coulée » d’air froid très désagréable sur les personnes situées sous les poutres. Elle ne peut a priori se placer que dans les locaux de grande hauteur.
  • Par contre, la poutre dynamique semble plus confortable car elle induit un mélange avec l’air ambiant plus élevé et donc une température de l’air plus homogène.
  • Cependant, à l’intersection entre les flux d’air créés par deux poutres voisines parallèles, les deux flux d’air risquent de tomber sur la tête d’un utilisateur !

L’utilisation de poutres froides demande donc une plus grande vigilance que les plafonds froids en matière de vitesses d’air résiduelles et d’inconfort lié aux turbulences.

Il faut se rendre compte qu’avec une poutre dynamique on peut brasser jusqu’à 6 à 8 fois le volume d’air du local. Cela génère beaucoup de difficultés de distribution de l’air, amplifiées par la position de l’échangeur en plafond. Des astuces doivent être trouvées pour que l’air « coule » le long des parois avant de gagner le cœur du local. Mais on ne sait pas toujours quel sera le meuble placé le long de la paroi, ni si la paroi elle-même ne sera pas déplacée un jour…
De là, les solutions d’intégration au dos d’une armoire, sur le mur opposé à la fenêtre. C’est certainement une belle solution technique mais figée une fois pour toutes et donc peut-être démodée dans quelques années…?

En fait, la poutre dynamique développe la même configuration rigide que l’éjecto. C’est le débit d’air neuf qui va induire l’air du local et la puissance frigorifique lui sera liée. Pas de possibilité d’augmenter ultérieurement cette puissance comme on l’a avec les ventilos.
Puisque l’air neuf est le moteur du système dynamique, et que l’air neuf est indispensable au local, le système ne peut jamais être arrêté, ce qui est un inconvénient par rapport aux ventilos qui peuvent profiter d’une plage neutre.
Le taux d’air neuf varie entre 1 et 2,5 Volume/heure, ce qui génère des consommations supplémentaires de chauffage de l’air capté à la température extérieure en hiver.
Tout cela cadre mal avec la mobilité de plus en plus recherchée dans les bureaux actuels.

Solution 8 : la pompe à chaleur sur boucle d’eau

Le principe consiste à placer une boucle d’eau dans l’ensemble du bâtiment. Cette eau évolue à une température de l’ordre de 30 à 35°C.
Dans chaque local, une machine frigorifique réversible est greffée sur le circuit.
Si le local demande du refroidissement, elle fonctionnera en machine frigorifique et l’eau évacuera la chaleur du condenseur. Si le local demande à être chauffé, la machine travaillera en pompe à chaleur et refroidira la boucle d’eau.
S’il y a égalité entre les locaux en demande de chaud et de froid, c’est parfait, la boucle d’eau effectuera le transfert entre locaux. S’il y a excès de chaleur à extraire des locaux, un échangeur en toiture refroidira l’eau de la boucle. Si au contraire, la majorité des locaux sont en demande de chaleur, une chaudière traditionnelle fournira le complément.
Ce système est évidemment avantageux lorsque l’on pressent des demandes très variables et opposées dans le bâtiment. Mais en pratique, ce cas ne se rencontre qu’une petite partie de l’année. Le reste du temps, la performance globale ne semble pas très élevée. L’investissement initial reste très élevé. Et le coût d’exploitation reste élevé en hiver suite à l’énergie thermique électrique.
Une part de la mauvaise performance est liée à cette température intermédiaire de la boucle : 35°C, c’est finalement une température élevée pour un condenseur à eau, alors qu’en hiver ou en mi-saison l’air extérieur permet des températures plus faibles.
En pratique, on rencontre ce type d’installation dans les galeries commerciales : la boucle d’eau et les installations extérieures sont disposées en base, et chaque commerçant installe son propre équipement. Il est facile de répartir les consommations entre locataires.
Pour un immeuble de bureaux à charge très variable, avec souhait de récupération d’énergie entre locaux, la climatisation par Débit de Réfrigérant Variable (variante avec 3 tubes) apportera très certainement une solution plus souple.