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Auteur : les anciens

Eté 2008 : Brieuc.

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Évaluer l’efficacité du réseau de distribution

Qualité générale de l’installation

Pour évaluer l’efficacité générale d’un système de ventilation, plusieurs paramètres du réseau peuvent être observés :

  • L’adéquation des débits en fonction des besoins,
  • Les pertes de charges du système,
  • L’étanchéité à l’air des conduits,
  • Le rendement du ou des ventilateur(s).

Ce sont donc ces paramètres qui vont influencer la consommation finale des ventilateurs. Mais la consommation des ventilateurs par m³/h transporté peut être très différente d’un ventilateur à un autre. Voici une classification qualitative des systèmes de ventilation en fonction de leur consommation (source : Swedish Indoor Climate institute).

Puissance d’un ventilateur par m³/h transporté

Efficacité énergétique

0 < puissance < 0,4 W/(m³/h) bonne
0,4 < puissance < 0,7 W/(m³/h) moyenne
0,7 < puissance < 1,1 W/(m³/h) mauvaise

Inversément, on peut situer la consommation des ventilateurs existants dans ce tableau pour évaluer la qualité énergétique générale de l’installation, c’est-à-dire la qualité du groupe et du réseau de distribution.
L’évaluation de l’efficacité générale du système de ventilation passe donc par plusieurs mesures :

Mesure de la consommation

La mesure de la consommation électrique du ventilateur peut s’effectuer grâce à un compteur électrique classique ou grâce à une pince ampèremétrique.

Compteur électrique intégré dans le tableau électrique.

La puissance moyenne délivrée s’obtient en divisant la consommation électrique mesurée sur une période représentative du fonctionnement normal par la durée de la mesure.
Attention, lorsque la mesure est effectuée via une pince ampèremétrique, cela nécessite le relevé sur la plaque signalétique, du cos φ de l’installation.

Mesure des débits

La mesure du débit pulsé par le ventilateur est effectuée grâce à un anémomètre dans le conduit de pulsion ou encore grâce au manomètre différentiel équipant les filtres.

Mesure de débit dans une gaine.

Mesure des pertes de charge

Il est également possible de répartir les pertes liées au réseau de distribution en mesurant la répartition des pressions au niveau des groupes de pulsion ou d’extraction. Il en ressort souvent que plus de 50 % de l’énergie du groupe sont créés par les pertes de l’ensemble moteurtransmissionventilateur.

Points de mesure de pression nécessaires à la détermination des pertes du système

Objectifs de qualité

On peut aussi se fixer des objectifs de qualité pour réduire les consommations liées à la distribution, comme le font les Suisses dans les exigences SIA (Société suisse des ingénieurs et architectes)  :

Exigences selon SIA V382/3 de base accrues
Pertes de charge totales maximum (pulsion et extraction) < 1 200 Pa < 900 Pa

Débit d’air neuf maximum

Fumeurs < 70 m³/h/pers < 50 m³/h/pers
Non fumeurs < 30 m³/h/pers < 25 m³/h/pers

Rendement global minimum au point de fonctionnement :

15 000 m³/h > 65 % > 70 %
10 000 m³/h > 60 % > 65 %
5 000 m³/h > 55 % > 60 %

Adéquation des débits

La quantité d’air à transporter et donc les débits va influencer la consommation finale du système de ventilation. Plus les débits augmentent, plus la consommation sera grande. Ainsi assure une adéquation des débits en fonction des besoins en ventilation d’un bâtiment permet de garantir une consommation « minimale » et donc une efficacité accrue du réseau complet.
Comme ce fut présenté dans l’évaluation de la qualité de l’air ambiant, on peut dans un premier temps vérifier par mesure si les débits réels ne sont pas supérieurs aux recommandations. C’est souvent le cas pour les anciennes installations de ventilation.
Ensuite, dans les locaux dont l’occupation varie fortement, on peut se demander si la modulation des débits en fonction des besoins réels peut apporter des économies substantielles. Il faut donc voir si

  • La ventilation est permanente 24h/24 alors que seule une ventilation diurne est nécessaire.
  • Certains locaux sont ventilés en journée alors qu’ils sont inoccupés.

Il faut également être attentif aux périodes de relance des installations de chauffage. La relance se faisant avant l’arrivée des occupants, un apport d’air neuf n’est pas nécessaire et constitue une charge thermique complémentaire à vaincre. Or on constate souvent sur le terrain que toutes les installations (chauffage, ventilation, humidification, …) démarrent en même temps à 6h du matin, alors que la ventilation, elle, ne devrait démarrer qu’à 8h30 (démarrage des ventilateurs, ouverture des volets d’air neuf). Par exemple, dans une installation de climatisation tout air, la relance du chauffage doit se faire en total recyclage, sans apport d’air neuf.
Les exemples suivants illustrent les économies potentielles pour quatre situations différentes.

Exemple 1 :

Un immeuble de bureaux est occupé 5 jours par semaine de 8h30 à 17h30 (250 jours par an). Or, le système de ventilation fonctionne tous les jours de la semaine pendant 24 heures, avec un débit de 1 000 m³/h (= 0,28 m³/s) d’air neuf.

Sans horloge, la

consommation pour le chauffage de l’air neuf durant la saison de chauffe (soit 5 800 h/an) s’élève à :

0,34 [Wh/m³K] x 1 000 [m³/h] x (16 [°C] – 6 [°C]) x 5 800 [h/an] / 0,7 =
28 161 [kWh/an]

Avec une horloge qui coupe la ventilation en dehors des heures de bureau, elle s’élève à :

0,34 [Wh/m³K] x 1 000 [m³/h] x (18 [°C] – 8 [°C]) x 1 530 [h/an] / 0,7 =
7 433 [kWh/an]

où,

  • 16 [°C] est la température moyenne intérieure sur 24 h tenant compte des apports gratuits de chaleur et du ralenti nocturne,
  • 18 [°C] est la température intérieure diurne de consigne compte tenu des apports de chaleur gratuits (soleil, ordinateur, …Apportent 2 [°C]),
  • 6 [°C] est la température extérieure moyenne de la saison de chauffe,
  • 8 [°C] est la température extérieure moyenne diurne durant cette même période,
  • 0,7 est le rendement de l’installation de chauffage.

Soit, une économie de 20 728 kWh/an.

L’économie réalisée sur la

consommation électrique est imputable à la mise à l’arrêt des ventilateurs de pulsion et d’extraction pendant 2 190 h en dehors de la saison de chauffe et à la mise à l’arrêt du ventilateur d’extraction pendant 4 270 h durant la saison de chauffe. Durant cette dernière période, l’économie réalisée sur la consommation du ventilateur de pulsion est déjà, en grande partie, comptabilisée dans l’économie de chauffage.

0,28 [m³/s] x 1 500 [Pa] x 2 190 [h/an] / 0,65 = 4 243 [kWh/an]

+

0,28 [m³/s] x 500 [Pa] x 4 270 [h/an] / 0,65 = 2 758 [kWh/an]

où :

  • 1  500 [Pa] (pulsion + extraction) et 500 [Pa] (extraction) sont des valeurs courantes de perte de charge d’un réseau de distribution de qualité moyenne,
  • 0,65 est le rendement global de l’installation de ventilation.
Exemple 2 :

Le bureau d’un représentant commercial est effectivement occupé durant 2 jours par semaine pendant 8 heures. Or le système de ventilation fonctionne tous les jours de la semaine pendant 10 heures (de 8 h à 18 h), avec un débit de 30 m³/h d’air neuf.

L’économie de chauffage réalisée en coupant la ventilation du bureau inoccupé est estimée à :

0,34 [Wh/m³K] x 30 [m³/h] x (18 [°C] – 8 [°C]) x (1700 [h/an] – 544 [h/an]) / 0,7 = 168 [kWh/an]

L’économie électrique sur la consommation des ventilateurs s’élève à une vingtaine de kWh/an.

Exemple 3 :

Le système de ventilation double flux d’un auditoire de 200 places délivre un débit d’air neuf de 4 000 m³/h (= 200 x 20 m³/h) pendant 40 heures par semaine. En fait, cet auditoire n’est occupé que 2 jours par semaine pendant 8 heures par 100 personnes en moyenne.

Si la ventilation est ajustée en fonction du nombre de personnes, le système fournira seulement 2 000 m³/h (= 100 x 20 m³/h) pendant 16 heures par semaine.

La consommation actuelle de chauffage est donc de :

0,34 [Wh/m³K] x 4 000 [m³/h] x (18 [°C] –
8 [°C]) x 1 360 [h/an] / 0,7 = 26 423 [kWh/an]

Grâce à la nouvelle régulation, on consommera :

0,34 [Wh/m³K] x 2 000 [m³/h] x (13 [°C] –
8 [°C]) x 544 [h/an] / 0,7 = 2 642 [kWh/an]

Où :

  • 18  [°C] est la température moyenne intérieure durant la semaine tenant compte des apports gratuits de chaleur dus aux 100 personnes présentes 2 jours par semaine,
  • 13  [°C] est la même température intérieure, mais sur les 2 jours par semaine d’occupation.

Soit une économie de 23 781 kWh/an pour le chauffage.

On sait en outre que la consommation d’un ventilateur varie comme le cube de sa vitesse (règles de similitude) donc de son débit. L’économie potentielle réalisable en adaptant la vitesse du ventilateur d’extraction aux besoins s’élève donc à (rappel : le gain de consommation du ventilateur de pulsion est déjà comptabilisé dans les économies de chauffage) :

0,2 [W/(m³/h)] x 4 000 [m³/h] x (1 360 [h/an] – 544 [h/an]) = 653 [kWh/an]
(arrêt du ventilateur d’extraction pendant 3 jours)

+

0,2 [W/(m³/h)] x 4 000 [m³/h] x 544 [h/an] x (7/8) = 381 [kWh/an]
(diminution de la vitesse en période d’occupation : division par 2 de la vitesse de rotation et donc division par 8 de la consommation, on économise donc 7/ 8 de la consommation de départ).

où 0,2 [W/(m³/h)] est la consommation d’une extraction performante (règle de bonne pratique).

Exemple 4 :

Un bureau paysager disposant de 4 places de travail est occupé en moyenne à 40 % de sa capacité pendant 5 jours par semaine. Le système de ventilation délivre un débit d’air constant de 120 m³/h durant 10 heures par jour (de 8h00 à 18h00).

Si on équipe ce bureau d’une bouche de ventilation avec détection de présence et estimation du nombre de personnes présentes, le débit moyen de ventilation sera ramené à 48 m³/h.

On pourrait donc s’attendre à une économie de chauffage de :

0,34 [Wh/m³K] x (120 [m³/h] – 48 [m³/h]) x
(18 [°C] – 8 [°C]) x 1 700 [h/an] / 0,7 = 594 [kWh/an]

et à une économie d’électricité pour le ventilateur de 28 kWh/an.

Dans un premier temps, il faut donc examiner si les horaires de ventilation respectent les horaires d’occupation. Une simple horloge peut soit couper les ventilateurs, soit les faire fonctionner en vitesse réduire, par exemple pour maintenir un minimum d’extraction dans les sanitaires.
Dans un deuxième temps, on peut aussi repérer les locaux à occupation importante et fortement variable (salle de réunion, bureau paysager, auditoire, …). en effet, ceux-ci peuvent éventuellement faire l’objet d’une gestion en fonction de la présence des occupants.

Pour qu’une telle régulation soit possible, il faut que les bouches de pulsion et d’extraction puissent être automatiquement fermées en fonction d’un détecteur de présence, d’une sonde CO2, d’une sonde d’humidité, …  Dans le même temps, pour que l’économie électrique soit effective, il faut que le débit du ventilateur soit régulé en fonction de la fermeture des bouches ou que le ventilateur soit déclenché par un contact d’horloge.

Financièrement, la gestion des débits de ventilation a un impact encore plus important si l’air pulsé est chauffé électriquement

Gérer

Comment gérer les débits d’air, cliquez ici !

Pertes de charge

Dans un réseau de distribution, l’air est déplacé sous l’impulsion des ventilateurs de pulsion ou d’extraction. La consommation électrique de ceux-ci dépend de la résistance du réseau de distribution, c’est-à-dire des pertes de charge.
Exemple.
Soit un réseau de pulsion de 12 600 m³/h :

La pression fournie par le ventilateur permet de vaincre la résistance du réseau le plus défavorisé (de la prise d’air extérieure A à la bouche de pulsion a). Le dimensionnement de ce réseau montre que la perte de charge à vaincre se répartit comme suit :
Conduites rectilignes (35 m) 33 [Pa]
Coudes, tés, changements de section 39 [Pa]
Filtre 45 [Pa]
Prise d’air 40 [Pa]
Bouche de pulsion 50 [Pa]

On constate dans cet exemple que les conduites rectilignes ont peu de poids dans les pertes de charge totales du réseau. Par exemple, Si on considère que la perte de charge d’une conduite est d’environ 1 Pa/m (valeur courante), une bouche de pulsion (perte unitaire de 50 Pa) a une perte de charge équivalente à 50 m de conduite. Dans le même ordre d’idée, un coude a une perte de charge équivalente à 4 .. 8 m de conduite rectiligne.
Les pertes de charge dépendent donc :

du diamètre des conduits

Par exemple, réduire de moitié la section des conduits pour diminuer leur encombrement et l’investissement double la vitesse de l’air et multiplie par quatre la puissance électrique du ventilateur pour vaincre leur résistance.
De plus, les conduits rectangulaires ont une perte de charge plus importante que les conduits circulaires (plus grand périmètre pour une même section) : si on passe d’une gaine circulaire à une gaine rectangulaire dont la rapport des côtés est égal à 4, la perte de charge, donc la puissance est augmentée d’environ 30 %.

du tracé des conduites

Plus le tracé comporte des coudes, des tés, des variations de section, plus les pertes de charge seront importantes. Ce sera d’autant plus le cas si les changements de direction sont brusques et non équipés d’ailettes directionnelles.
Exemples de tracé de conduites.

>>

Pavillon à la prise d’air.

>>  

Changement progressif de section.

>> 

Placement des batteries dans des sections rectilignes suffisamment longues.

>>

Ailettes directionnelles dans les coudes.

>>

Coudes arrondis.

>>  

Bifurcation arrondie.

>>

Pas de brusque changement de direction aux abords du ventilateur.

Pas de bifurcation directement à la sortie du ventilateur.

du choix et de l’entretien des filtres

Les filtres constituent des pertes de charge non négligeables dans l’ensemble d’un réseau de ventilation. Utiliser un filtre trop performant par rapport aux besoins risque d’augmenter cette perte de charge singulière et donc la puissance du ventilateur nécessaire pour obtenir le débit souhaité.

En ventilation des bâtiments tertiaires, des filtres F7 sont généralement suffisant, les préfiltres grossiers (EU 3) n’apportent quant à eux pas d’augmentation de vie des filtres mais augmentent fortement les pertes de charge.

Lorsqu’on rentre dans une zone propre ou en environnement maîtrisé apparenté, le niveau de filtration doit être nettement plus fin tel que les filtres HEPA H13. Les pertes de charge deviennent importantes même en début de vie (250 Pa nouveau et 600 Pa en final).

Exemple.

Un filtre EU 7 a une perte de charge initiale d’environ 50 Pa, tandis que celle d’un filtre EU 8 est proche de 150 Pa Pour un débit de 36 000 m³/h (10 m³/s), le filtre EU 8 entraînera une puissance absorbée du ventilateur de :

Puissance = débit x perte de charge/rendement

= 10 [m³/s] x 150 [Pa] / 0,65 = 2 285 [W]

(0,65 = rendement global du ventilateur)

pour seulement 772 W pour le filtre EU 7.

Après un certain temps de fonctionnement (environ 3 000 heures), la perte de charge d’un filtre augmente rapidement du fait de son colmatage, ce qui a pour conséquence une diminution du débit pulsé et une diminution de la puissance absorbée par le ventilateur. On consomme donc moins, mais le débit de l’installation peut chuter en dessous d’un minimum admissible.

Lorsque le débit de ventilation doit être maintenu constant (cas des hôpitaux où une pression relative entre locaux doit être maintenue), l’encrassement des filtres va entraîner une augmentation de la consommation électrique des ventilateurs.

Exemple.

La perte de charge d’un filtre fin est de :

Filtre propre 100 Pa
Filtre sale (après 6 mois) 500 Pa

Après 4 mois de fonctionnement, la perte de charge du filtre est de 370 Pa. Si on décide de remplacer le filtre à ce moment et non pas lorsque sa perte de charge finale est atteinte, on peut réaliser une économie d’énergie de (pour un débit de 15 000 m³/h (soit 4,2 m³/s)) :

4,2 [m³/s] x ((500 [Pa] – 370 [Pa]) / 2) x 840 [h] /0,65 =  353 [kWh]

où :

  • (500 Pa – 370 Pa) / 2 = la perte de charge moyenne du filtre avec une utilisation allant de 4 à 6 mois
  • 840 h = un fonctionnement de 14 h/jour pendant 60 jours
  • 0,65 = rendement global de l’installation de ventilation 

L’économie réalisée peut être comparée au prix d’un filtre neuf.

Une gestion efficace du remplacement des filtres doit comporter un manomètre mesurant en permanence la perte de charge des filtres. Lorsque la perte de charge maximum admissible par le fabricant du filtre est atteinte, le filtre doit être changé. En outre, pour des questions d’odeur, un filtre doit être changé au minimum tous les ans.

Pertes de charge d’un filtre à poches en fonction de sa durée d’utilisation.

du dimensionnement de la prise d’air extérieure

Un sous-dimensionnement de la prise d’air extérieure sera synonyme de pertes de charge plus importantes.
Dans une installation existante, on peut repérer une prise d’air extérieure sous-dimensionnée si une quantité importante de neige, de pluie et de feuilles sont entraînées à l’intérieur de l’installation du fait de la trop grande vitesse d’air. On peut ainsi retrouver de la neige dans les filtres.

Étanchéité des conduits

Les conduits de distribution doivent être suffisamment étanches à l’air pour éviter d’insuffler de l’air inutilement dans les espaces techniques ou dans les couloirs.
Des mesures réalisées sur plusieurs bâtiments ont montré que la qualité des conduits et de leur mise en œuvre laissait fortement à désirer et ne respectent pas les critères de la norme européenne Eurovent :

Évaluation des fuites du système de ventilation de 23 bâtiments, la classe A de la norme EUROVENT étant la plus mauvaise en terme d’étanchéité
(source : Improving ductwork. A time for tighter air distribution systems. FR Carrié, J Andersson, P Wouters, AICV, UK 1999)

Il en résulte qu’en moyenne 20 % du débit d’air pulsé par un ventilateur n’arrive pas dans les locaux de destination.

Conséquences de fuites dans les réseaux aérauliques

Si le ventilateur ne compense pas les fuites :

Si le ventilateur compense les fuites :

Débits dans les locaux non respectés. Débits dans les locaux respectés mais avec des difficultés d’équilibrage.
Problèmes de qualité d’air et/ou de confort thermique non atteint. Pas d’effet sur la qualité de l’air.
Risque de gaspillage énergétique par destruction de chaud et de froid. Surconsommation du ventilateur
Surconsommation de combustible/d’électricité du groupe frigorifique.
Aspiration possible de polluants (CO, fibre de verre, …) dans les gaines d’extraction et pulsion possible de ceux-ci dans les locaux si recyclage de l’air.
Perte de performance des échangeurs de récupération par dilution de l’air extrait.

Pourtant, il existe actuellement sur le marché des produits qui garantissent une meilleure performance.
La mesure de l’étanchéité à l’air des conduits s’effectue facilement lors du montage du système de distribution d’air. Une mesure ultérieure est toujours envisageable mais des problèmes d’accessibilité se posent souvent (démontage des faux plafonds, etc.) même si, en principe, un accès doit être préservé pour la maintenance du système.

Comment évaluer l’étanchéité des conduits ?

Qualitativement : Rechercher les fuites dans un réseau en surpression (pulsion) est relativement facile. Il suffit de déposer un produit moussant sur les joints suspects.

Des traces de poussières aux raccords sont aussi des signes d’inétanchéité.

Lorsque le réseau est en dépression (extraction), il faut boucher les diffuseurs et mettre les conduits en surpression pour pouvoir appliquer la méthode précédente.

Quantitativement : La mesure consiste à isoler la partie du système à tester en obturant les différentes connexions vers les autres parties du système ou vers les locaux (bouches, …). Les conduits sont alors mis en surpression ou en dépression à l’aide d’un ventilateur. La mesure simultanée du débit de fuite (= débit fourni par le ventilateur) et de la pression dans les conduits permet de déterminer le taux de fuite du système. Cette procédure est décrite en détails dans la norme EUROVENT 2/2.

Améliorer

Rénovation partielle : amélioration du réseau de distribution.

Rendement des ventilateurs

On a vu que l’on pouvait estimer par mesure la répartition des pertes d’un système de ventilation et donc le rendement de l’ensemble moteurtransmissionventilateur. En général, plus de 50 % de l’énergie consommée sert à lutter contre les pertes de ce dernier. C’est donc un poste sur lequel il s’agit d’être attentif si l’on désire obtenir une installation énergétiquement efficace.
Cinq éléments vont déterminer la qualité énergétique du groupe de ventilation :

  • la qualité du moteur,
  • la qualité de la transmission,
  • la qualité du ventilateur,
  • la qualité du raccordement du ventilateur au réseau,
  • la qualité du mode de réglage des débits.

Il est difficile d’évaluer qualitativement un groupe de ventilation. Voici cependant quelques pistes :

  • A priori les ventilateurs à aubes recourbées vers l’arrière ont des rendements maximum supérieurs aux ventilateurs à aubes recourbées vers l’avant. Ceci ne veut cependant pas dire que tous les ventilateurs à aubes recourbées vers l’avant doivent être remplacés par leur homologue à aubes arrière. L’utilisation d’aubes profilées en aile d’avion et d’aspirations profilées permet les meilleurs rendements et un bruit minimum par rapport à de simples tôles pliées.

Roue de ventilateur à aubes arrière profilées en aile d’avion.

  • Une trop grande différence de section entre l’ouïe de sortie de ventilateur et le conduit dans lequel il débite entraîne des pertes de charge importante qui se traduisent par une surconsommation, ce sera le cas notamment si la sortie du ventilateur est libre dans un caisson.
Exemple.

Voici trois exemples de ventilateur débitant dans un même circuit. On voit la hauteur manométrique (image de la puissance absorbée) nettement plus importante que doit avoir un ventilateur dont l’orifice de refoulement est trop petit par rapport à la section du conduit, même lorsqu’on l’équipe d’un divergent de longueur correcte.

La surconsommation du troisième cas par rapport au premier est de 11 %.

  • Une transmission de ventilateur par courroies à un plus mauvais rendement qu’une transmission directe. Elle entraîne une perte de rendement de l’ordre de 10 %. Le rendement de transmission étant d’autant réduit que les courroies sont démultipliées, que les poulies sont petites et que la tension est mal réglée.
    On peut procéder à deux types de vérification sur un entraînement par courroies : l’alignement des poulies et la tension des courroies.
    Un défaut dans l’entraînement par courroies peut aussi se repérer par la présence d’une quantité importante de poussière de courroie dans l’installation.

Vérification de l’alignement des poulies

Vérification de la tension des courroies.

Perte de transmission avec un système de courroies.

  • Les ventilateurs avec un moteur à rotor extérieur ont également un plus mauvais rendement.
  • On a vu que la gestion des débits d’air en fonction des besoins permet une économie de chauffage/refroidissement importante. Par contre, tous les modes de réglage n’apportent pas la même diminution de la consommation électrique. Le réglage par by-pass entraîne quant à lui une augmentation de la puissance absorbée par le ventilateur. Voici l’incidence des différentes mesures visant à diminuer le débit des ventilateurs sur la puissance absorbée par le ventilateur.

Ces courbes ont été établies pour un type particulier de ventilateur. Elles ne sont donc qu’indicatives pour les autres ventilateurs. Remarquons en outre que l’utilisation d’un transformateur n’est possible que pour les moteurs bobinés.

Améliorer

Rénovation partielle : amélioration du ventilateur.