Date : page réalisée sous l’hégémonie Dreamweaver

Auteur : les anciens

Eté 2008 : Brieuc.

Notes : 20.03.09

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

Dans les années 70, pour gérer les particularités locales on a développé un réseau « tout air » double conduit (un d’air chaud et un d’air froid), avec boîte de mélange à l’entrée des locaux : quel coût d’investissement et quel gaspillage énergétique (on « détruit » l’énergie produite lors du mélange) !

Il s’agit donc là d’une technique qui n’est plus guère rencontrée aujourd’hui.

Ce système était utilisé lorsqu’un débit d’air élevé et constant est souhaité, que les besoins des locaux sont extrêmement variables d’une zone à l’autre (on ne souhaite pas la même température par exemple), et que le système doit répondre avec une très grande rapidité aux variations de charges (on n’est pas soumis au même ensoleillement par exemple).

En pratique, il a été peu utilisé dans les bureaux (l’inertie des bureaux ne demande généralement pas une grande souplesse), parfois en secteur hospitalier, plus souvent dans le secteur industriel avec exigences élevées de régulation. On a aussi pu le trouver dans des bâtiments spécifiques tels que des complexes de cinéma.

Principe de fonctionnement

Le système de conditionnement d’air « tout air, à débit constant, double gaine » est un système où deux niveaux de température d’air sont préparés en centrale, puis distribués par deux gaines distinctes vers le/les locaux. On l’appelle également « dual duct ».
En pratique, un caisson central assure un premier niveau de préparation de l’air (par exemple jusque 16°), puis une batterie de post-chauffe et une de refroidissement préparent de l’air chaud et de l’air froid, distribués dans deux gaines différentes. Des boîtes de mélange sont prévues à l’entrée de chaque local, ou zone de locaux ayant des besoins similaires. Chaque registre de mélange est piloté par un thermostat d’ambiance. Ce mélange est destructeur d’énergie. Les réseaux double gaine doivent donc être évités dans une approche URE.
En voici un exemple :

Ce système constitue une branche de la grande famille du conditionnement d’air « tout air » :
– débit constant
– monogaine
– unizone
– basse pression
– haute pression (avec boîte de détente)
– multizone
– basse pression
– haute pression (avec boîte de détente)
  – double gaine multizone (avec boîte de mélange)
– basse pression
– haute pression (avec boîte de détente)

– débit variable
– avec chauffage par radiateurs indépendants
– avec chauffage par batterie à eau chaude
Comme on le voit, il existe de nombreuses variantes !
Expliquons chacun des termes :

>  « tout air »

L’air est le fluide caloporteur de chaleur, de froid, ou d’humidité. Ainsi :

  • si en hiver le local présente des déperditions, l’air sera pulsé à 28°C, par exemple,
  • si en été, le local subit des apports solaires, l’air sera pulsé à 16°C,
  • si, dans la salle de cinéma, le film très suggestif provoque beaucoup de dégagement de vapeur de la part des spectateurs, l’air sera pulsé très sec !

>  « débit constant »

Le débit est fixé par le ventilateur (qui ne dispose que d’une seule vitesse de rotation).
La régulation est réalisée par action sur la température et le taux d’humidité de l’air pulsé.

>  « double gaine »

Les pièces climatisées sont alimentées par deux gaines, par exemple une gaine d’air chaud à 35°C, et une gaine d’air froid à 16°C.

>  « multi-zones »

Le système « double gaine » est forcément multi-zones : on crée plusieurs zones dans le bâtiment, chaque zone pouvant recevoir un air traité spécifiquement en fonction de ses besoins.
Remarque : une zone peut comprendre plusieurs locaux.

> « basse ou haute pression »

On parle de basse pression du ventilateur  :

  • si pression < 800 Pa, ou 80 mmCE
  • si vitesse dans les gaines < 7 m/s

On parle de réseau haute pression si la vitesse dans les conduits atteint de 12 à 16 m/s

Détails technologiques du traitement de l’air

L’air est d’abord pré-traité en centrale : mélange éventuel de l’air neuf et de l’air repris, filtration, préchauffage éventuel de l’air (notamment pour éviter tout risque de gel de la batterie froide) et pulsion dans deux caissons.
Un caisson est équipé d’un échangeur de postchauffe et si nécessaire d’un système d’humidification (généralement un humidificateur à vapeur) : c’est le préparateur du réseau chaud.
Un deuxième caisson est équipé d’une batterie froide, assurant éventuellement la déshumidification : c’est le préparateur du réseau froid.
Le chauffage de l’air est assuré

  • soit par batterie électrique,
  • soit par batterie d’eau chaude préparée en chaufferie.

Le refroidissement de l’air est assuré

  • soit par l’évaporateur d’un groupe frigorifique (système à détente directe),
  • soit par de l’eau glacée préparée par un groupe de production frigorifique.

Les parois des caissons 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.
À l’entrée de chaque local, ou de chaque zone de locaux, les deux flux d’air sont mélangés dans une « boîte de mélange » terminale. Le débit total est donc constant, c’est la proportion d’air chaud et d’air froid qui varie.

Variantes technologiques

Réseau sous haute pression

Pour réduire les sections, on augmente la vitesse de l’air dans les gaines. Les pertes de charge augmentent et obligent à travailler à haute pression au ventilateur. Des dispositifs de détente sont alors associées aux boîtes de mélange.

La pression du ventilateur est généralement >  1 000 PA, ou 100 mmCE et la vitesse dans les gaines > 10 m/s.
A débit égal, doubler la vitesse de l’air dans les gaines (par rapport au système basse pression) permet de diminuer par deux la section nécessaire. Mais 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, pouvant à la limite atteindre 2 000 PA Aussi, actuellement, pour des raisons d’économie d’énergie (et de bruit), on ne dépasse plus 15 m/s, ce qui génère des pressions de ventilateur de 500 à 1 500 PA.
Après passage dans une boîte de détente, l’air est diffusé par les bouches de soufflage.
Les boîtes de détente sont généralement des boîtes insonorisées, comportant un organe déprimogène (tôle perforée par exemple). Un régulateur maintient le débit à valeur constante.

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

Recyclage partiel

En vue de diminuer les coûts d’exploitation, l’air extrait peut être recyclé partiellement. On part de l’idée que l’on ne peut faire du froid et du chaud en même temps et que donc un des 2 échangeurs est à l’arrêt.
Dès lors, en été la batterie froide refroidit et la batterie chaude est à l’arrêt. Dans le réseau chaud circule de l’air mélangé entre l’air recyclé et l’air extérieur (chaud).
En hiver, seule la batterie chaude fonctionne. Et dans le réseau froid circule de l’air mélangé entre l’air recyclé et l’air extérieur (froid).
Et en mi-saison ? Que faire lorsque des locaux ont des demandes différentes ? Astuce : les deux batteries fonctionnent mais la batterie de chaud est alimentée par l’eau de condensation du groupe frigorifique qui produit l’eau glacée !

Récupération de la chaleur sur l’air extrait

Pour récupérer l’énergie contenue dans l’air extrait tout en évitant généralement tout risque de contamination, l’air sortant croise l’air neuf entrant dans un échangeur de chaleur.

Et toute combinaison des variantes précédentes …

Il est bien entendu possible de combiner les différentes variantes reprises ci-dessus.

Avantages

  • Possibilité d’adapter individuellement les ambiances suivant les locaux,
  • rapidité de la réponse du système à la demande des locaux,
  • possibilité d’utilisation d’air extérieur pour le refroidissement gratuit (free cooling),
  • contrôle de l’humidité relative en centrale et de l’empoussièrement.

Inconvénients

  • Le débit d’air est constant. Or il est dimensionné pour la situation extrême, généralement celle de l’été, en période de canicule avec un soleil de plomb ! Conclusions : de tels débits entraînent une consommation élevée des ventilateurs et, dans certains cas, de l’inconfort … toute l’année !
  • La consommation élevée du ventilateur devient très élevée dans le cas des installations haute pression.
  • L’encombrement de la centrale, des caissons de préparation terminaux et du double réseau de gaines (gros débits, section importante des conduites d’air neuf, d’air pulsé et d’air extrait).
Exemple.

Une salle de spectacles est maintenue à 20°C. De l’air chaud est pulsé à 30°C. Les déperditions du local sont de 20 kWatts. Quelle sera la section de la conduite nécessaire ?

La capacité calorifique de l’air étant de 0,34 Wh/m³.K, le débit est donné par :

débit = puissance / 0,34 x DT° (en m³/h).

Ici, débit = 20 000 / 0,34 x 10 = 5 882 m³/h = 1,63 m³/s

Sur base d’une vitesse de 8 m/s, la section devient 1,63 / 8 = 0,2 m², soit une section de 40 cm x 50 cm, ou une conduite circulaire de 0,5 m de diamètre !

La même puissance est transportée par de l’eau dans une tuyauterie de 1,75 cm de diamètre ! (vitesse : 1 m/s)

C’est pour limiter cet encombrement que l’on a recours à une conception de réseau de gaines sous haute pression. L’encombrement est plus limité mais reste toujours plus élevé que pour le système mixte eau + air, par exemple.

  • Intégration obligatoire dès la conception du bâtiment.
  • Coût d’exploitation très important :
    • Risque de « casser » de l’énergie : le réseau de froid prépare l’air à une température correspondant aux besoins du local le plus demandeur (le local informatique, exposé au Sud, par exemple !). Dès lors, tous les autres locaux devront mélanger cet air froid avec de l’air du réseau chaud…!  Une régulation centrale doit piloter le tout « intelligemment », et profiter de l’air extérieur lorsque sa température peut être valorisée, sans quoi les coûts d’exploitation sont catastrophiques ! (à noter qu’un tel système qui ferait du chaud et du froid simultanément est interdit en France, sauf si le fluide chauffant est de récupération, par exemple sur le condenseur de la machine frigorifique).
    • Il n’est pas possible de moduler le débit d’air neuf en fonction de la présence ou non d’occupants dans chacune des zones.
    • Des fuites d’un réseau vers l’autre apparaissent toujours dans la boîte de mélange où de 3 à 10 % du débit total est perdu malgré la fermeture du clapet.
    • Les batteries électriques sont peu coûteuses à l’investissement mais très onéreuses à l’usage, à l’opposé des batteries d’eau chaude qui sont coûteuses à l’investissement (deux tubes).
    • Le recyclage de l’air paraît aléatoire, puisque l’air extrait sera issu d’un mélange, sauf en plein hiver et en plein été… Une étude de rentabilité s’impose !
  • Si la vitesse de déplacement de l’air est augmentée pour diminuer les sections, le niveau de bruit sera nettement plus élevé et demandera un traitement acoustique sérieux.
  • Nécessité d’équipements de plus grande solidité pour résister aux pressions, si variante en haute pression.
  • Enfin, et ce n’est pas négligeable, le coût d’investissement de départ est très élevé !

Très honnêtement, avec de tels inconvénients, y a-t-il encore intérêt à avoir un système avec traitement centralisé ?