Grandes familles de systèmes de refroidissement

Souvent on distingue 3 grandes familles de systèmes de climatisation en fonction du mode de transport de l’énergie frigorifique. Le rafraîchissement des locaux peut se faire :

1. Par l’intermédiaire d’un réseau d’air,
2. par l’intermédiaire d’un réseau d’eau froide ou d’eau glacée,
3. par contact direct entre l’air à refroidir et l’évaporateur de la machine frigorifique (“détente directe”).

Famille 1 : les installations centralisées “tout air”

Puisque de l’air hygiénique doit de toute façon être apporté aux occupants, la première idée consiste à profiter du réseau de distribution d’air pour fournir la chaleur ou le froid demandés par les locaux.

Mais pour un bureau le débit d’air hygiénique entraîne un renouvellement du volume d’air du local :

Par contre le transport de la chaleur et du froid entraîne des débits d’air nettement plus importants : on atteint des débits correspondant à 4 … 10 renouvellements du local, chaque heure, …

Le réseau d’air devient alors fort encombrant !

Aussi, la consommation électrique des ventilateurs peut devenir très élevée : dans les anciennes installations (installées il y a 30 ans), le coût de l’énergie électrique des ventilateurs peut atteindre 50 % du coût total de l’énergie consommée par le conditionnement d’air de tout l’immeuble !

De plus, en “tout air neuf”, le coût de fonctionnement de l’installation est très élevé puisque le chauffage est assuré, en plein hiver, par de l’air extérieur qu’il faut réchauffer à grands frais.

Pour diminuer les coûts d’exploitation d’une installation “tout air”, une bonne partie de cet air doit être recyclé.

Cette solution est plus économique, mais on reproche alors au système les risques de contamination que peut entraîner ce recyclage, … qui mélange l’air provenant de tous les locaux !

Pour limiter les coûts énergétiques sans risque de contamination, on place alors un récupérateur de chaleur sur l’air extrait.

Autrefois à la mode à toutes les sauces, on réserve généralement les centrales “tout air” aux locaux où les besoins en air neuf sont très importants, c’est à dire des locaux à grande densité d’occupation : des salles de réunion, des salles de conférences, … Un autre cas de figure est celui des bâtiments où les besoins de refroidissement sont faibles et bien maitrisés (par des superficies vitrées réduites, des protections solaires extérieures,…)

Dans ces cas, le débit de ventilation hygiénique se rapproche du débit thermique nécessaire …

De plus, la technique du “débit d’air variable” permet aujourd’hui de limiter le coût du transport de l’air et surtout d’adapter le débit en fonction des besoins de chaud ou de froid nécessaire.

Gros avantage du “tout air” sur le plan énergétique : pour les locaux qui doivent être refroidis en mi-saison et éventuellement même en hiver, de l’air frais extérieur gratuit est disponible. On parle alors de “free cooling mécanique”.

Famille  2 : les installations décentralisées “sur boucles d’eau”

Ici, les fonctions sont séparées :

• L’air neuf hygiénique est traité en centrale, puis apporté dans les locaux au moyen d’un réseau de conduits.
• La chaleur et le froid sont apportés vers des unités de traitement terminales situées dans les locaux, via une boucle d’eau chaude et une boucle d’eau froide ou d’eau glacée.

Comme unités terminales, on retrouve les ventilo-convecteurs, les pompes à chaleur sur boucle d’eau, les plafonds rafraîchissants, …
Trois problèmes sont résolus

1. Seul de l’air neuf est véhiculé, limitant ainsi le risque hygiénique lié au recyclage partiel de l’air vicié (en quelque sorte, il s’agit d’une ventilation “double flux”, améliorée par un traitement central en température et humidité).
2. L’encombrement est limité puisque l’eau transporte de la chaleur (ou du froid) avec 3 000 fois moins de volume que l’air. De simples tuyauteries suffisent. En rénovation de bâtiments, on évite ainsi le percement des parois pour insérer des gainages d’air de grandes dimensions…
3. Le transport de la puissance frigorifique ou calorifique se fait par l’eau, au moyen d’une pompe dont la consommation sera nettement moins consommatrice que le ventilateur correspondant au système “tout air”.

Cette séparation entre la ventilation et l’apport thermique au local est de plus un gage de bonne régulation.

Le mode de régulation de la température peut se faire local par local et est très accessible à l’utilisateur, ce qui est un confort apprécié. Une liaison par bus de communication des différentes unités terminales est possible, ce qui permet une régulation et une gestion globale de qualité par la GTC (Gestion Technique Centralisée).

Famille 3 : les appareils travaillant en “détente directe”

On retrouve dans cette famille les climatiseurs, armoires de climatisation, roof-top,… mais ces appareils ne peuvent résoudre qu’un problème de climatisation limité à un ou quelques locaux : la climatisation d’une salle informatique, d’une cafétéria, d’un hall d’atelier, … par exemple. On les retrouve dans des bâtiments qui ne sont pas munis de production centrale de froid, dans des ajouts de locaux ou dans les cas où il faut assurer en secours du froid pour une fonction vitale (ex : central téléphonique).

La consommation spécifique de ces appareils est plus élevée que dans une unité terminale d’une installation centralisée (ventilo-convecteurs, par exemple), suite au fait qu’ils travaillent avec une température d’évaporation très basse, entraînant une consommation parasite par déshumidification exagérée de l’air. Par contre, ils ne demandent pas le maintien de réseaux d’eau froide durant tout l’été et la mi-saison, ce qui est appréciable.

Un seul type de système peut climatiser l’ensemble d’un immeuble de bureaux, c’est le système dit “à Débit Réfrigérant Variable” (ou DRV). Il est souvent connu par les appellations VRV ou VRF, selon les constructeurs. Sa particularité est de véhiculer du fluide frigorigène dans les différents locaux et d’alimenter directement des échangeurs situés en allège ou en faux plafond. Suivant les besoins du local, l’échangeur peut fonctionner en mode froid (il est l’évaporateur de la machine frigorifique) ou en mode chaud (il est le condenseur de celle-ci). À noter le faible encombrement qu’il entraîne, puisqu’aucune chaufferie n’est ici nécessaire.

Il n’utilise aucun fluide intermédiaire (air ou eau). De là, le terme d’appareil à “détente directe” : l’échangeur “froid” est parcouru directement par le fluide frigorigène. Cette caractéristique est performante au niveau énergétique puisque le coût du transport de l’énergie frigorifique est évité. De plus, les systèmes à fluide réfrigérant variable permettent de récupérer la chaleur entre les zones chaudes et les zones froides du bâtiment.

Comme dans les systèmes air-eau, le mode de régulation de la température se fait local par local et est très accessible à l’utilisateur (généralement une télécommande).

Le problème du traitement de l’air hygiénique subsiste : il n’existe pas de chaudière ou de groupe frigorifique disponibles en centrale pour préparer l’air hygiénique. Des solutions décentralisées sont possibles avec un moindre confort.

La solution “standard” : le ventilo-convecteur

• Partons du système le plus utilisé pour un immeuble de bureaux : le ventilo-convecteur sur une boucle d’eau froide et une boucle d’eau chaude (système appelé “ventilo-4 tubes”).Il a pour avantages :
  • une très grande souplesse de réaction face aux variations de charges,
  • un faible encombrement,
  • une possibilité d’accepter des charges différentes d’un local par rapport à un autre,
  • une séparation entre l’apport d’air frais hygiénique et l’apport thermique, ce qui supprime tout recyclage de l’air hors du local,
  • un prix d’investissement limité grâce à un équipement fabriqué en grande série.On sera attentif à la qualité lors de sélection du matériel et lors de la réalisation de la distribution d’air neuf (confort thermique et acoustique).
• Si le bâtiment est très homogène dans ses besoins (“quand c’est l’hiver, c’est l’hiver pour tous les locaux”) on se contentera d’un “système à 2 tubes”, moins coûteux : un seul réseau de tuyauterie véhicule alternativement de l’eau chaude en hiver et de l’eau froide en été. Mais cette solution devient de plus en plus difficile à appliquer : l’enveloppe du bâtiment étant de mieux en mieux isolée, certains locaux plus chargés en apports internes seront demandeurs de froid, même en hiver.
• En rénovation, pour vaincre des charges d’équipements devenues inconfortables, on peut greffer une installation 2 tubes froids (“Hydrosplit”), sur la production de chauffage existante.

Le plafond froid

• La technique des plafonds froids apporte un confort thermique et acoustique inégalé (moyennant un éventuel supplément de prix) : le froid est apporté par rayonnement au-dessus de la tête des occupants et aucun ventilateur ne vient perturber l’ambiance. Mais la puissance de refroidissement des plafonds est limitée. Cette technique ne s’appliquera dès lors qu’avec des bâtiments dont la conception limite les apports solaires : bâtiments avec ombre portée, stores extérieurs, stores intérieurs combinés à des vitrages performants,…
• Le plafond froid sera d’ailleurs facilement intégré lors de la rénovation d’un bâtiment existant dont les charges sont légères et qui dispose déjà d’une installation de chauffage.
• On pourra utiliser des poutres froides complémentaires si la puissance frigorifique souhaitée n’est pas atteinte, mais au détriment du confort aéraulique comme souvent dans les solutions dynamiques (risque de courants d’air froid).
• Reste le problème de l’apport de chaleur en hiver. En construction nouvelle, si le bâtiment est bien isolé, la demande de chaleur en hiver est limitée.
  Il est envisageable d’apporter cette chaleur :
  • soit en alimentant en eau chaude les plafonds situés près des façades (près des baies vitrées),
  • soit via un circuit de radiateurs complémentaire,
  • soit grâce à des batteries terminales placées sur le conduit de ventilation hygiénique (si le débit de celui-ci est suffisant).

La solution spécifique pour les locaux à forte occupation : la centrale “tout air” à débit variable (VAV)

Le problème se pose tout autrement si une présence humaine nombreuse est prévue. Alors que l’on prévoit 12 m² par personne dans un bureau individuel ou 8 m²/pers dans un bureau paysager, ce ratio descend à 2 à 4 m²/pers dans une salle de réunion, voire 1 à 2 m²/pers dans une salle de conférence. Puisque chaque personne nécessite 30 m³/h, un réseau d’air neuf important sera nécessaire. On pense dès lors à profiter de ce réseau pour apporter les calories et frigories requises.
Un bilan s’impose :

• Si le bâtiment présente des besoins limités (bien isolé du froid extérieur et bien protégé des apports solaires), le débit d’air hygiénique élevé pourra apporter les besoins thermiques. On parle d’un système “tout air”.

• Dans le cas où le local est soumis à des apports solaires supplémentaires, les débits nécessaires pour les besoins thermiques dépasseront de loin le débit d’air hygiénique, l’encombrement sera très important, un recyclage de l’air devra être organisé… Le système “tout air” devient inadapté.

Vu le coût d’exploitation du transport par air (coût de fonctionnement des ventilateurs), un système d’adaptation du débit d’air aux besoins réels sera prévu (système VAV, Volume d’Air Variable). Le débit maximal ne sera pulsé que dans les situations extrêmes. Mais ce système est coûteux et la mise au point de sa régulation est plus délicate.

Un grand avantage pourtant de ce système “tout air” est de pouvoir profiter d’un refroidissement gratuit par de l’air extérieur en mi-saison (free cooling diurne).

Un outsider possible pour certains bâtiments : le DRV, Débit de Réfrigérant Variable

Quelques réflexions peuvent se faire :

• Le souci de modularité dans la construction des bâtiments nouveaux entraîne faux plafond, cloisons légères, … Cette caractéristique de construction sans inertie, alliée à la présence généralisée de moquette au sol, entraîne une très grande variabilité des besoins dans le temps : il faut réchauffer le bâtiment au matin, mais le fonctionnement de la bureautique et le premier rayon de soleil entraîne un besoin de refroidissement à midi !
• Les bâtiments nouveaux sont parfois confrontés à des besoins simultanés de chaud et de froid :
  • exemple 1 : en hiver, chauffage des locaux en périphérie et refroidissement du cœur du bâtiment,
  • exemple 2 : en mi-saison, au matin, chauffage des locaux à l’Ouest et refroidissement des locaux à l’Est déjà soumis au rayonnement solaire,
  • exemple 3 : chauffage de l’air hygiénique et refroidissement des locaux.
    Il est dommage de voir simultanément des chaudières fonctionner, ne fut-ce que pour préchauffer l’air hygiénique, et des condenseurs évacuer dans l’air extérieur la chaleur excédentaire des locaux refroidis…
• Pourquoi passer par un fluide intermédiaire (eau ou air) et ne pas travailler directement avec le fluide frigorigène qui peut apporter chaleur ou refroidissement par simple inversion du cycle ?

Par ailleurs, la technique du “fluide réfrigérant variable” semble performante pour des locaux dont les besoins sont très variables entre eux et dans le temps. Par exemple, en hiver, un échangeur dans le faux plafond devient évaporateur lorsqu’il est placé dans un local central et condenseur lorsqu’il est dans un local en façade. Et ce même échangeur bascule en évaporateur en été.

Reste le problème d’apport de l’air neuf hygiénique et le contrôle du taux d’humidité en hiver. Ce système ne le prévoit pas.
Il faut alors :

• Soit prévoir un caisson de préparation de l’air indépendant, mais on ne dispose pas de source de chaleur puisque pas de chaudière…
• Soit intégrer l’air neuf dans les échangeurs intérieurs et laisser à l’unité terminale le soin de préparer la température adéquate, mais on ne gère pas le problème de l’humidité de l’air des locaux.

Un avantage de ce type d’installation : c’est une solution “tout électrique”, ce qui simplifie et accélère la construction. On veillera cependant à en limiter la puissance électrique (gestion de la pointe de puissance par délestage ou par stockage de froid la nuit).

Quel que soit le système choisi…

C’est très souvent la qualité du projet qui fait la différence :

• dimensionnement correct (absence de courant d’air, limitation du bruit,…),
• finesse de la régulation des équipements,
• performance des moyens de gestion qui pilotent le tout.

Ce sont les 10 % de budget supplémentaire qui feront souvent la performance globale…