Choisir un système de refroidissement tout air

Deux situations sont possibles :

• soit les besoins des locaux sont relativement constants dans le temps, auquel cas un système à débit d’air constant sera retenu ;
• soit ces besoins sont variables et le choix d’un système VAV sera fait.

Différents systèmes à débit d’air constant sont envisageables :

• Système monogaine
  • unizone
  • multizones
• Système double-gaines multizones (avec boîtes de mélange).

Lorsque les locaux présentent des occupations et des charges thermiques variables, il reste à affiner le choix parmi les différentes technologies de VAV : découpage du bâtiment en zones homogènes, modulation du débit par local ou groupe de locaux, choix du niveau de pression.

Choix du débit d’air constant “monogaine” ou “double-gaines” (dual duct)

Si une seule zone est à traiter, ce choix ne se pose pas : la régulation du caisson de traitement d’air permettra de s’adapter aux variations de la demande. C’est ce que l’on fera pour une salle de conférences, pour une salle d’opération dans un hôpital, pour un grand hall, …

Par contre, si plusieurs zones sont à traiter, le système doit pouvoir s’adapter à des besoins différents : locaux situés sur des façades différentes, salles de réunion différemment utilisées,…

Comment, à partir d’un même caisson de traitement d’air, produire des températures différentes ? C’est là que le choix existe entre 2 systèmes :

Soit un système mono-gaine, multi-zones

Mais ce système risque fort d’être destructeur d’énergie (préparation d’air chaud, refroidi par la suite…). Aussi, il ne peut être imaginé en pratique que sur base d’une centrale préparant de l’air frais (16°, par exemple) et les unités terminales apportent le complément uniquement via une batterie de chauffe terminale.

Mais comment gérer les besoins variables en été ? Le local exposé au soleil souhaitera un air plus froid que celui qui est au Nord. On risque donc de refroidir l’air en centrale et de le réchauffer à l’entrée des locaux au Nord…

On constate ici que la centralisation du traitement génère un manque de souplesse total. On préférera se diriger soit vers une installation “tout air” à débit d’air variable, soit vers une solution “air-eau”.

Soit un système double gaines, dit “dual duct”

Deux réseaux parallèles : un réseau d’air chaud et un réseau d’air froid. Une sonde de température ambiante commande le réglage d’une boîte de mélange. 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).

On ne l’installe plus aujourd’hui car il est très énergivore (on détruit de l’énergie pour obtenir la température souhaitée). On tente plutôt de le démanteler dans les anciens bâtiments où il est installé.

Conclusions

Il nous semble que le système “tout air – à débit constant” ne peut raisonnablement s’appliquer aujourd’hui que pour le traitement d’une seule zone, c’est-à-dire un ou plusieurs locaux homogènes, commandés par une seule sonde d’ambiance commune. C’est là une limitation très importante, qui explique le succès des systèmes à volume d’air variable, beaucoup plus souples que ceux à débit constant.

Cas particulier pour les locaux occupés de façon sporadique

En présence de locaux à chauffage très intermittent (comme des salles de réunion, de spectacles,…), une variante avec système de chauffage complémentaire par radiateurs permet d’assurer un chauffage de base entre 12 et 15°C en période de non-occupation, et une mise en confort très rapide dès l’arrivée des personnes (ou par horloge).

Ce système est économique et supprime la surchauffe des locaux en période de forte occupation grâce aux possibilités de ventilation et de rafraîchissement, et à la faible charge des parois.

Systèmes VAV : Un découpage du bâtiment en zones homogènes

Puisque la température de pulsion de l’air au départ d’un groupe de préparation sera uniforme pour l’ensemble de la zone traitée, le bâtiment sera découpé en zones homogènes pour lesquelles on souhaite avoir une modulation du débit distincte. Par exemple, la façade Nord, la façade Sud et l’ensemble des locaux intérieurs peuvent constituer 3 zones avec un groupe distinct et une température de départ distincte (une zone intérieure demande toujours du refroidissement alors que la zone Nord demande majoritairement du chauffage).

La taille de l’installation impose parfois le découpage également : les débits d’air sont couramment de 6 (jusqu’à 10) renouvellements du volume des locaux par heure ! L’encombrement impose parfois un découpage en zones distinctes.

Mais le dimensionnement de la centrale profite lui au contraire de l’effet de foisonnement entre locaux dont les besoins sont différents : si façade Est et façade Ouest sont sur une même centrale, il ne faudra jamais cumuler les 2 puissances puisque le soleil ne peut être des 2 côtés simultanément.

À l’intérieur d’une zone, chaque local peut avoir sa bouche modulante et donc un débit modulé en fonction des besoins. La régulation est alors très souple,… mais l’installation est chère !

À noter l’inconvénient de ce type d’installation à air (par rapport au système air-eau) : le manque de souplesse dans la modification future du réseau (démontage des faux plafonds). On a dès lors intérêt à prévoir de nombreuses bouches, afin d’anticiper un découpage différent des locaux dans le futur (ajout d’une cloison).

Pour mémoire : le choix du nombre de conduits

Il est théoriquement possible de prévoir un système VAV à deux conduits : une centrale prépare simultanément de l’air froid et de l’air chaud, les deux fluides étant distribués en parallèle et mélangés dans une boîte de détente à l’entrée de chaque zone.

Il s’agit ici d’un système hyper flexible, pouvant répondre avec souplesse à des besoins variables et opposés.

• Dans la version “usine”, un premier clapet motorisé fait passer soit l’air chaud, soit l’air froid. Un second module ensuite le débit.

• Dans la “full options”, la boîte de réglage est équipée de deux volets de réglage progressif. Une zone neutre sépare les plages d’ouverture des conduits d’air chaud et d’air froid.

En principe, il n’existe aucun mélange possible entre chaud et froid au niveau du diffuseur, même si les deux conduits cohabitent toute l’année dans les gaines techniques…

Le coût d’investissement est vraiment très important. On cite parfois comme application les grands navires de plaisance : pour le confort des passagers, on souhaite leur fournir une souplesse totale de régulation, même lorsque le bateau vire de bord et que la face ensoleillée change ainsi brutalement… !

Aujourd’hui, pour atteindre un tel objectif de confort, on choisira plutôt une installation de ventilos-convecteurs à 4 tubes ou une installation à fluide réfrigérant variable, très souples également lorsque les besoins fluctuent fortement.

Seule application éventuelle : la réhabilitation d’un système classique à deux conduits à débit constant en système à débit variable.

Les systèmes mono gaine sans réchauffage terminal

On ne pulse que de l’air froid en été (entre 12 et 18°C) et de l’air chaud en hiver (entre 25 et 40°C). L’air est préparé en centrale et, dans le cas d’une installation VAV, chaque local régule le débit d’air juste nécessaire en fonction de la température souhaitée, avec un débit minimum ajusté :

• soit au débit d’air hygiénique,
• soit à un débit plus élevé parce qu’une bonne distribution de l’air dans le local l’oblige,
• soit à un débit plus élevé parce que les besoins de chauffage apporté par l’air l’obligent (si régulation à une sortie).

Le plus simple est d’avoir une consigne fixe pour chaque saison et le passage d’une consigne à l’autre est réalisé par un thermostat extérieur : il y a basculement pour une température extérieure de + 15°C, par exemple. Mais cette régulation peut être affinée.

Le système est très économique (surtout à l’exploitation), notamment parce qu’on ne fait jamais du chaud et du froid simultanément. Mais il ne convient que pour les locaux dont les charges thermiques sont homogènes. Il sera par exemple impossible de refroidir un local intérieur et de réchauffer simultanément un local périphérique traité par le même groupe …

Les systèmes monogaine avec réchauffage terminal

Cette variante s’applique aux bâtiments qui comportent des zones dont les besoins sont différents. On pense tout particulièrement aux grands immeubles de bureaux dont les zones centrales ont en permanence des besoins d’évacuation de la chaleur (charge stable) et dont les zones périphériques (locaux en façades) ont des besoins de chauffage en hiver, par grands froids (charge variable).

L’idée est alors de prévoir un circuit d’air froid pour tous les locaux, à débit variable, complété par des batteries de chauffe pour les locaux périphériques

En fait, il s’agit d’un “vrai” VAV pour la zone interne (alimentée en froid toute l’année), et d’un VAV complété d’une variation de température pour les locaux périphériques. On comprend qu’une telle installation soit très souple à l’usage !
Trois principes sont possibles :

1. Soit l’apport de chaleur est réalisé par des corps de chauffe traditionnels (radiateurs, convecteurs)

Généralement, ces corps de chauffe sont placés en périphérie du bâtiment, le long des façades, pour vaincre les déperditions par les parois. Le système VAV refroidit le cœur du bâtiment en hiver, refroidit tout le bâtiment en été et assure la ventilation hygiénique toute l’année. On sera attentif à ne pas “casser de l’énergie” par un fonctionnement simultané du froid et du chaud dans les mêmes locaux. Ainsi, une plage neutre doit être réservée entre chauffage et refroidissement (par exemple, les vannes thermostatiques de radiateurs sont réglées sur 21°C et l’ouverture du débit d’air froid ne commence qu’à 23°C). en-dessous de 23°C, la boîte VAV fonctionne sur son débit minimum préréglé.

C’est la solution sans doute la plus économique à l’investissement et à l’exploitation. Problème : bloquer les vannes thermostatiques sur 21°C n’est pas toujours bien accepté par l’occupant…

À défaut d’un recyclage de l’air (pour des raisons hygiéniques ou parce que les conduits ne sont pas situés l’un près de l’autre, un récupérateur de chaleur peut être prévu entre conduits d’extraction et de pulsion.

2. Soit les batteries de chauffe sont placées en série sur la boîte VAV

Une régulation spécifique est nécessaire :

Par exemple, si la sonde d’ambiance détecte une température inférieure à 21°C, la vanne de chaud est ouverte à 100 % et le débit d’air est réduit au seuil minimal préréglé. Lorsque la température intérieure approche de 23°, la vanne chaud se ferme progressivement. Lorsque la température dépasse 23°, la vanne chaud est fermée et le débit d’air frais augmente progressivement jusqu’à atteindre le débit maximal pour la charge maximale et maintenir 24°C dans l’ambiance. Ici encore, l’insertion d’une zone neutre entre chaud et froid sera énergétiquement obligatoire.

On perçoit le défaut de ce système : le chauffage est assuré sous un débit d’air minimal… La puissance de chauffe ne pourra être très élevée ! et l’on risque d’augmenter en permanence le débit d’air minimum préréglé uniquement pour des besoins de chauffage.

Cela montre la limite du VAV lorsque l’on veut aussi traiter des locaux ayant des besoins de chauffage.

En pratique, la batterie de chauffe est souvent intégrée dans la boîte de détente. Elle est alimentée en eau chaude, ou remplacée par une résistance électrique (dont la consommation doit être soigneusement étudiée vu le coût du kWh électrique).

Une gestion de ces résistances électriques est utile :

• démarrage en Heures Creuses (fin de nuit) lors de la relance,

• délestage possible de certaines résistances lors de la pointe de puissance quart-horaire.

Pour un bon fonctionnement de la boîte VAV, une gestion de la pression du réseau en amont est nécessaire.

À noter que la présence de batteries de chauffe va augmenter les pertes de charge à vaincre par le ventilateur, hiver (admettons…) comme été (là, c’est plus dommage puisque cette batterie est à l’arrêt !). Mais on parle ici d’une perte de charge de 40 Pa au débit max, soit 10 Pa au débit moitié, ce qui reste faible à comparer au 1 500 PA de l’ensemble du réseau.

A nouveau, à défaut d’un recyclage de l’air, un récupérateur de chaleur peut être prévu entre conduits d’extraction et de pulsion.

3. Soit les batteries sont placées en parallèle par rapport au local

Le schéma suivant est théoriquement possible :

La régulation est complétée par l’enclenchement du ventilateur d’air recyclé lorsque le chauffage est enclenché :

Chaque batterie chaude voit son débit modulé en fonction du thermostat d’ambiance de la zone qu’elle alimente.
Il s’agit d’une solution qui présente plusieurs avantages par rapport à la solution “série”

• Le débit de pulsion d’air chaud est tout à fait indépendant de l’installation. Par rapport à la solution précédente, un tel fonctionnement en “circuit fermé” permet d’augmenter la puissance de chauffe puisque le débit d’air est plus élevé.

• En période de relance (avant l’arrivée des occupants), le chauffage peut fonctionner en circuit fermé, sans apport d’air frais extérieur.

• En été, il n’y a pas de perte de charges supplémentaires générées par le passage de l’air dans la batterie de chauffe.

Mais cette solution est très chère et sophistiquée. On peut penser alors à une solution plus simple :

• pulsion d’un débit d’air hygiénique constant,

• complété par des unités terminales à recyclage, équipées de batteries de chaud et de froid dans les zones périphériques et d’une batterie de froid dans la zone centrale.

Mais c’est alors une installation “air-eau” avec ventilo-convecteurs ou MTA (Module de Traitement d’Air) !

Choix du régime de pression

L’air peut être distribué à des vitesses variant de 5 à 15 m/s.
À débit égal, doubler la vitesse de l’air dans les gaines permet de diminuer par deux la section nécessaire. Le bureau d’études cherchera donc parfois à augmenter la vitesse pour réduire l’encombrement des conduits.  Mais un air pulsé à haute vitesse circule à haute pression. Il doit dès lors être “détendu” à l’entrée du local. C’est le rôle de la boîte de détente.

Un autre inconvénient des hautes vitesses est que les frottements de l’air sur les parois des gainages sont proportionnels au carré de la vitesse. Et donc le ventilateur doit vaincre des pertes de charges beaucoup plus élevées, variant de 500 à 1 500 Pa.

De plus, à ces hautes pressions, des précautions sérieuses sont à prendre en matière acoustique, notamment au niveau des appareils terminaux (amortisseur de bruit).

Aussi, pour différentes raisons, on a tout intérêt à limiter les vitesses et donc en tout cas à ne pas dépasser une perte de charge de 1 000 Pa pour le dimensionnement du réseau.

À noter que si autrefois les bouches à débit variable exigeaient une pression minimale élevée pour un bon fonctionnement, ce critère n’est pratiquement plus d’application aujourd’hui.

>  pour un réseau à basse vitesse (à basse pression) :

• la vitesse de déplacement de l’air varie entre 2 m/s (au droit des bouches) et 7 m/s (au départ de la conduite principale).

• le groupe de reprise d’air (= GE = Groupe d’Extraction) est dimensionné entre 150 et 300 Pa, ce qui entraîne une puissance de 250 à 500 W au moteur, pour 1 m³/s.

• le groupe de pulsion d’air (= GP = Groupe de Pulsion) est dimensionné entre 450 et 600 Pa, ce qui entraîne une puissance de 750 à 1 000 W au moteur, pour 1 m³/s.

  >  pour un réseau à haute vitesse (à haute pression) :

• le groupe de pulsion d’air (= GP = Groupe de Pulsion) est dimensionné entre 1 200 et 2 400 Pa, ce qui entraîne une puissance de 1 600 à 3 000 W au moteur, pour 1 m³/s.

Il est généralement utile d’équiper les ventilateurs d’un moteur à deux vitesses afin de réduire la puissance motrice en situation d’occupation réduite.

Si le régime Haute Pression est malgré tout choisi, il est clair qu’il ne faudrait jamais dépasser les 15 m/s, pour limiter la consommation et aussi le bruit produit dans les boîtes de détente.

Une diminution des dimensions de la centrale de traitement d’air par rapport au système à débit constant

Comparons les systèmes :

• Avec un système à débit d’air constant, chaque local est dimensionné avec un débit d’air permettant de répondre à la charge frigorifique extrême; dans le caisson de traitement d’air central, on devra traiter (en permanence !) le total des débits maximaux de tous les locaux.

• Par contre, avec le système VAV, on va tenir compte du fait que le soleil tourne autour du bâtiment et que la charge maximale de la façade Ouest survient lorsque la façade Est est à faible demande; la centrale de préparation sera dimensionnée sur base du cumul instantané possible entre tous les locaux,… ce qui est déjà nettement plus raisonnable ! De même, si ce sont des bureaux, des locaux de réunion, … dont on peut prévoir qu’ils ne seront pas tous occupés en permanence, on peut tabler sur un certain foisonnement de la puissance totale de l’installation.

Il en résulte une économie du coût d’investissement de la centrale, par rapport à un système à débit constant. Mais encore faut-il que la taille de la centrale ne soit pas trop importante (n’oublions pas que l’on travaille avec des débits horaires correspondants à 6…8 renouvellements horaires !), que la localisation de la centrale, que les distances par rapport aux trémies verticales, … permettent un tel regroupement. Peut-être devra-t-on répartir les locaux par zones et perdre l’intérêt du regroupement ? Peut-être est-ce la régulation qui va imposer le découpage par zones distinctes ?

On constate ici toute l’importance qu’il faut attacher à définir correctement avec le Maître d’Ouvrage la configuration des zones homogènes et le coefficient de simultanéité d’occupation des locaux de chaque zone.

Température de l’air

Une température de pulsion minimale de 14° est tout à fait possible, parfois même 12°C. Suite à un fort effet d’induction, cet air se mélange à l’air ambiant, si bien que l’on développe une veine d’air à 19°C.

Attention, ceci suppose une T° de sortie de batterie froide de 11 à 12°C, suite aux apports du ventilateur (2K) et des gaines dans le bâtiment (1K). Ce qui signifie que, lors du free cooling, pour pouvoir assurer son effet refroidissant à 14°C dans le local, l’air extérieur doit également être à 11° ou 12°C ! D’où une diminution de l’énergie frigorifique gratuite.

Dans le local, la T° prise pour l’ambiance est une valeur de 25°C. Le Delta T° de travail de l’air froid dans le local est donc de (25-14) = 11 K.

Débits

On rencontre un débit maximal de 15 à 46 m³/h par m² traité. Soit avec une hauteur sous plafond :

• De 2,7 m : un taux de brassage de 5,5 à 17 ren/h
• De 3 m : un taux de brassage de 5 à 15 ren/h

Soit une puissance frigorifique de 150 à 190 W/m² !

Le débit minimal (pour assurer un brassage d’air et un taux d’induction suffisant) est de l’ordre de 9 m³/h par m² traité. Soit avec une hauteur sous plafond :

• De 2,7 m : un taux de brassage de 3,3 ren/h
• De 3 m : un taux de brassage de 3 ren/h

Ce qui est donc bien un équivalent de 3 x le débit hygiénique… sauf dans les salles de réunions.

La sélection des équipements terminaux

Il importe de sélectionner le matériel de telle sorte que le registre ait une bonne autorité sur le débit d’air qu’il contrôle.

On sera attentif à la bonne distribution de l’air dans les locaux en fonction des différents régimes de débits d’air. Il est possible de demander au fabricant de la bouche prévue un profil de distribution d’air dans le local aux différentes vitesses.

Actuellement, la régulation par vitesse variable sur des moteurs asynchrones des ventilateurs ne pose plus de problème.

Il faut être attentif au débit de limite basse admissible par l’appareil. On sait que le débit minimum est ajusté :

• soit au débit d’air hygiénique,
• soit à un débit plus élevé, pour les besoins d’une bonne distribution de l’air dans le local,
• soit à un débit plus élevé pour les besoins de chauffage du local (si régulation “à une sortie”).

C’est ce qui entraîne, par exemple, un débit minimum égal à 30 % du débit nominal dimensionné pour l’été. Or ce débit minimum doit être le plus faible possible pour limiter la consommation de l’installation. On veillera donc tout particulièrement à ne pas surdimensionner les besoins en chauffage des locaux. Idéalement, on intégrera, avec l’accord du Maître d’Ouvrage, l’idée que les apports internes vont participer au chauffage des locaux et que donc l’installation peut être diminuée d’autant. Lors de la relance du matin de l’installation, l’arrivée d’air neuf sera stoppée et le bâtiment montera en température par recyclage de l’air intérieur.

À noter que pour la climatisation des zones internes, on dimensionne le débit minimum pour éliminer de toute façon la charge d’éclairage, puisque l’on sait qu’elle sera toujours présente.

Enfin, on sera attentif au fait que ce n’est pas forcément le bilan d’été qui entraînera les puissances frigorifiques maximales. Le Sud pourrait être plus pénalisant à certains moments de la mi-saison.

Critères acoustiques

Le niveau sonore généralement souhaité dans les bureaux (NR 35 ou 40 dB(A) environ) suppose une étude acoustique sérieuse de l’installation, surtout si le régime Haute Pression est adopté.

Il faut savoir que le respect des critères acoustiques est traité (par le bureau d’études) après le dimensionnement des réseaux.

Attention dès lors à ne pas imposer un niveau acoustique trop faible dans les locaux (parfois non justifié, suite à l’existence de bruits provenant des autres équipements ou des occupants par exemple), car le concepteur va avoir pour réflexe d’augmenter l’importance du silencieux à la sortie du groupe de préparation. Or le silencieux crée des pertes de charges supplémentaires et la consommation du ventilateur en sera augmentée toute sa vie durant !

Par contre, c’est la boîte de détente (à l’entrée de laquelle est placée le clapet de réglage) qui doit être suffisamment grande, celle-ci jouant le rôle de plénum de détente acoustique.

Mise en œuvre du groupe de traitement d’air

La surface sur laquelle repose le groupe de traitement d’air doit être suffisamment rigide pour éviter la mise en vibration d’éléments de la structure du bâtiment.

Il est conseillé de placer le groupe de traitement d’air sur une dalle flottante placée sur des plots antivibratiles, surtout si le groupe est placé au-dessus de locaux sensibles que ce soit en toiture ou en local technique.

Afin d’éviter la transmission de vibrations à la structure du bâtiment, on raccorde les caissons du groupe et les gaines avec des manchettes souples.

Les parois sont à double enveloppe en tôle d’acier galvanisé ou peint. Un isolant acoustique et thermique de 25 mm d’épaisseur minimale est fixé entre les deux tôles.

On constate que la prise d’air peut être aussi bruyante que la pulsion. On placera dès lors un silencieux dans la gaine de prise d’air neuf et sur la gaine de pulsion d’air. De même, en toiture, il faut toujours éloigner les groupes de traitement d’air des grilles de rejet d’air vicié, car le bruit du groupe de traitement d’air pourrait se transmettre, vers les locaux occupés, via la gaine de rejet d’air.

Tout particulièrement, les boîtes de mélange des systèmes “dual duct” seront sources de bruit et demanderont un traitement spécifique.

Dans les réseaux à Haute Pression, les boîtes de détente seront insonorisées pour amortir le bruit.