Système tout air, à débit constant, mono-gaine

Le système “tout air” a de l’intérêt lorsqu’un débit d’air élevé et constant est souhaité : on pense par exemple aux salles de spectacles où de toute façon on doit apporter de l’air aux personnes …
Le système “tout air – unizone” a de l’intérêt lorsque

• Un seul local est à climatiser, généralement de grand volume : salle de spectacles, salle d’opération, salle de réunion, …
• Il existe plusieurs locaux dont le fonctionnement thermique est similaire et pour lesquels un respect strict des consignes de température n’est pas imposé : plusieurs bureaux similaires sur une même façade, …

• Il y a présence de locaux à chauffage très intermittent comme des salles de réunion, de spectacles,… : dans ce cas, la variante avec système de chauffage complémentaire par radiateurs permet d’assurer un chauffage de base entre 10 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.

Le système “tout air – multizone” a de l’intérêt dans le cas où les charges thermiques varient mais que les locaux peuvent être regroupés en plusieurs zones de fonctionnement thermique similaire (et pour lesquels une modulation limitée des consignes de température est requise) : le placement de batteries terminales permettra alors de répondre plus précisément aux besoins.

Pourrait-on l’appliquer à un complexe de plusieurs salles de cinéma ? Probablement pas puisqu’il faudra chauffer la salle où deux nostalgiques regardent un film de Ingmar Bergmann, et refroidir la salle voisine où 350 personnes regardent avec passion “Titanic : le retour” où le bateau resurgit du fond des mers (tiens, cela me donne une idée…)

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.

L’humidification est réalisée :

• soit par un humidificateur laveur d’air
• soit par un humidificateur à vapeur (dans ce cas, la batterie de postchauffe n’est pas nécessaire).

Un réseau de pulsion distribue l’air traité et un réseau d’extraction en assure la reprise. En général, le débit de pulsion est légèrement supérieur au débit d’extraction afin de maintenir les locaux en surpression.

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.

Réchauffage batteries terminales

Que faire si le bâtiment présente des zones différentes ? Par exemple des bureaux placés sur des façades différentes… Une première solution consiste à placer les batteries terminales en tête des différentes zones pour adapter la fourniture aux besoins.

Généralement, on rencontre soit des batteries alimentées eau chaude, soit des batteries électriques. Ceci ne répond qu’aux besoins variables de l’hiver… À noter qu’il est possible de placer une batterie de froid complémentaire à l’entrée de l’une ou l’autre zone, mais l’avantage d’une centralisation du traitement disparaît progressivement …

Chauffage par radiateurs

Le chauffage peut être assuré indépendamment, par un réseau de radiateurs en allège des fenêtres par exemple. Mais la régulation de la température des ambiances n’est pas toujours simple car il peut y avoir conflit entre les deux systèmes.

Recyclage partiel

En vue de diminuer les coûts d’exploitation, l’air extrait peut être recyclé partiellement.

Des registres motorisés modulent les débits d’air recyclé et d’air rejeté. Le débit d’air neuf peut donc varier mais sans jamais descendre sous le débit minimal d’air neuf hygiénique en période d’occupation.

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.

Humidification par humidificateur à vapeur

Dans ce cas, la batterie de post-chauffe peut être supprimée.

Réseau sous haute pression

Pour réduire l’encombrement, l’air est préparé en centrale dans le caisson de traitement d’air, puis conduit à haute vitesse vers le/les locaux.  On parle alors de système “tout air, à débit constant, mono gaine, uni-zone, haute pression” !

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. En pratique, on évite donc cette technologie aujourd’hui.

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).

Toute combinaison des variantes précédentes

À titre d’exemple, on rencontre ainsi des installations “tout air, à débit constant, mono gaine, multi-zones, haute pression”

• Simplicité globale,
• facilité de dimensionnement,
• régulation simple, fiable et centralisée,
• fonctionnement stable, donc coût de maintenance réduit,
• pas d’alimentation en eau chaude ou froide dans les locaux, sauf si la variante avec batteries de réchauffage en eau chaude est choisie,
• faible niveau sonore, sauf avec les installations haute pression,
• possibilité d’utilisation d’air extérieur pour le refroidissement gratuit (free cooling),
• contrôle de l’humidité relative en centrale et de l’empoussièrement.

• 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 à Haute Pression.

• L’encombrement de la centrale et du 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.

• Si uni-zone, température et humidité de soufflage uniques, d’où, si plusieurs locaux :
  • Un manque de précision dans le respect des consignes.
  • Une surconsommation suite à l’absence de régulation par pièce.

• Si multi-zone :
  • Risque de “casser” de l’énergie : le caisson de préparation primaire refroidit l’air en fonction des besoins de la zone la plus demandeuse et les batteries de post-chauffe des autres zones devront réchauffer l’air par la suite… On détruit donc de l’énergie.
    (À noter qu’un tel système est d’ailleurs 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.
  • Si l’air doit pouvoir être refroidi et réchauffé distinctement dans chaque zone, une batterie de chauffe et un groupe de refroidissement peuvent être ajoutés pour chaque zone, mais le coût d’installation devient prohibitif.
  • Un compromis peut consister à installer une batterie froide terminale uniquement pour la zone la plus demandeuse de froid.
  • 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).

En résumé, il n’y a pas de solution idéale en multi-zone. Une régulation centrale doit piloter le tout “intelligemment”, sans quoi les coûts d’exploitation sont catastrophiques !

• 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.

• Equipements de plus grande solidité pour résister aux pressions, si variante en haute pression.

Citons en exemple le cas de salles de réunion intérieures alimentées par un réseau d’air commun. Comme les salles n’ont pas de surface déperditive, le concepteur n’a envisagé que des batteries froides locales.

La température de pulsion est réglée pour éviter l’inconfort même lorsqu’une salle est peu occupée. Résultat : on chauffe l’air neuf et on refroidit l’ambiance dans les salles à forte occupation. Si une batterie chaude n’est pas installée dans chaque salle, l’algorithme à imaginer pour limiter la destruction d’énergie doit être du type (source : MATRIciel sa, 2010) :

Légende

• Text  = température extérieure
• Text_cons_NC  = température extérieure de non chauffage (arrêt du besoin de chauffage du bâtiment) – Paramétrable (par défaut : 15°C)
• Treprise = température de l’air mesurée dans la reprise commune vers le GE
• Hzvent = fréquence d’alimentation des ventilateurs de pulsion et d’extraction (liés)
• Vroue = vitesse de la roue de récupération de chaleur sur l’air extrait (de 0% = sans récupération, 100% = récupération maximale)
• Tpuls_GP = température de pulsion mesurée à la sortie du GP
• Tpuls_GP_min_hiver = consigne de température de pulsion minimale de l’air dans les salles en hiver, à la sortie du GP – Paramétrable (par défaut : 16°C)
• Tpuls_GP_min_été = consigne de température de pulsion minimale de l’air dans les salles en été à la sortie du GP – Paramétrable (par défaut : 16°C)
• Tamb_min = température ambiante mesurée sur les sondes d’ambiance des salles. Valeur minimale des mesures
• Tamb_cons_hiver = température de consigne ambiante des salles en hiver – Paramétrable (par défaut : 20°C)
• Thors_gel = température de pulsion correspondant à la protection anti-gel des batteries du GP – Paramétrable (par défaut : 5°C)
• Tamb = température ambiante mesurée par la sonde d’ambiance d’une salle
• Tamb_cons_été = température ambiante de consigne maximale à ne pas dépasser dans les salles – Paramétrable (par défaut : 25°C)
• %HR reprise = humidité relative mesurée dans la reprise
• %HR reprise_cons = consigne d’humidité relative mesurée dans la reprise – Paramétrable (par défaut : 40%)

En hiver

Condition générale : Text  < Text_cons_NC et Text  < Treprise + 1°C

Permanent

• Enclenchement chaudière
• Modulation de la température d’eau de départ en fonction de la température extérieure (courbe de chauffe)
• Arrêt groupe de froid
• Arrêt circuit batterie froide

En horaire d’occupation

• Enclenchement GP/GE
• Libération circuit batterie chaude
• Hzvent = 50 Hz
• Vroue = 0%

• Si Tpuls_GP < Tpuls_GP_min_hiver
  Ou Tamb_min < Tamb_cons_hiver
  Ou Tpuls_GP < Thors_gel : cascade avec (chronologiquement) :

1.  Modulation de la récupération de chaleur avec limite Vroue = 100%
2. action sur la batterie chaude du GP

• par salle : si Tamb > Tamb_cons_été : action sur le ventilo-convecteur
• Si %HRreprise < %HR reprise_cons : action sur humidificateur vapeur

En horaire d’inoccupation (nuits et week-ends)

• Arrêt GP/GE
• Arrêt ventilo-convecteurs
• Fermeture vanne batterie chaude, arrêt circulateur (avec protection hors gel)

En période de relance (inoccupation)

Sans objet.

En mi-saison

Condition générale : Text  > Text_cons_NC et Text  < Treprise + 1°C

Permanent

• Arrêt chaudière
• Arrêt circuit batterie chaude
• Arrêt groupe de froid
• Arrêt circuit batterie froide
• Arrêt humidification

En horaire d’occupation

• Enclenchement GP/GE
• Hzvent = 50 Hz
• Vroue = 0%

• Si Tpuls_GP < Tpuls_GP_min_hiver
  Ou Tamb_min < Tamb_cons_hiver
  Ou Tpuls_GP < Thors_gel : Modulation de la récupération de chaleur avec limite Vroue = 100%
• par salle : si Tamb > Tamb_cons_été : action sur le ventilo-convecteur

En horaire d’inoccupation (nuits et week-ends)

• Arrêt GP/GE
• Arrêt ventilo-convecteurs

En période de relance (inoccupation)

Sans objet

En été

Condition générale : Text  > Text_cons_NC et Text  > Treprise + 1°C

Permanent

• Libération groupe de froid
• Arrêt chaudière
• Arrêt circuit batterie chaude
• Arrêt humidification

En horaire d’occupation

• Enclenchement GP/GE
• Libération circuit batterie froide
• Hzvent = 50 Hz
• Vroue = 100%

• Si Tpuls_GP > Tpuls_GP_min_été : action sur la batterie froide du GP
  par salle : si Tamb > Tamb_cons_été : action sur le ventilo-convecteur

En horaire d’inoccupation (nuits et week-ends)

• Arrêt groupe de froid
• Arrêt GP/GE
• Arrêt ventilo-convecteurs
• Fermeture vanne batterie froide, arrêt circulateur

En période de relance (inoccupation)
Sans objet.