Bouches de pulsion et d'extraction

Exemples de bouche de pulsion (de gauche à droite) : diffuseur plafonnier multicône circulaire et carré, diffuseur plafonnier à jet hélicoïdal, plafonnier perforé, diffuseur linéaire, buse de soufflage, grille murale à double déflecteur, bouche de sol.


Techniques de diffusion

Les bouches regroupent les ouvertures qui, en ventilation mécanique, permettent de diffuser l’air neuf pulsé dans les locaux ou d’en évacuer l’air vicié. Dans les descriptions qui suivent, l’accent est mis sur les bouches de pulsion car se sont elles qui conditionnent en grande partie le confort obtenu dans le local. De plus, la plupart des bouches de pulsion peuvent également fonctionner en extraction.

Il existe deux techniques de diffusion d’air : la diffusion par mélange et la diffusion par déplacement.

Diffusion par mélange

Ce sont les grilles et les diffuseurs. L’air soufflé est mélangé plus ou moins rapidement avec l’air ambiant par induction, pour obtenir une température et une concentration en polluants homogènes dans le local.

      

    

Bouches de pulsion (de gauche à droite) : diffuseur plafonnier multicône carré, diffuseur plafonnier à jet hélicoïdal, plafonnier perforé, diffuseur linéaire, buse de soufflage, grille murale à double déflecteur, bouche de sol.

Avantages

Inconvénients

Grande variété de matériel. Difficulté de brassage en grande hauteur (surtout en chauffage).
Variété de positionnement possible (plafond, murs, sol). Sélection spécifique dans le cas d’un système de climatisation VAV à forte variation de débit.
Dilution de la pollution avant son évacuation.

Diffusion par déplacement

Fonctionnement d’une bouche à déplacement.

Ce sont les bouches à déplacement. L’air froid est soufflé à basse vitesse, s’échauffe au contact de sources chaudes (occupants, matériel informatique, éclairage, …), s’élève entraînant les calories et les polluants et est extrait en partie haute du local.

    

Bouches à déplacement semi-circulaire, encastrable et de contremarche.

Avantages

Inconvénients

Économie d’énergie, surtout dans les locaux de grand volume ou hauteur, puisqu’on ne traite que la zone d’occupation. Permet difficilement le chauffage et ne s’applique à la ventilation hygiénique que dans des cas biens spécifiques (salles d’opération, …)
Bonne évacuation des polluants, sans dilution (industrie, restaurants, …) Intégration architecturale à étudier.
Peu de risques de courant d’air (faible vitesse d’air).
Convient bien au VAV.
Permet de ne pas tenir compte d’une partie des charges liées à l’éclairage (partie convective) dans l’estimation des charges thermiques à évacuer car celles-ci sont directement évacuées en partie haute sans influencer l’ambiance.
Particulièrement silencieux.

Les bouches à déplacement s’appliquent particulièrement bien aux locaux à plafond haut, comportant de nombreuses sources de chaleur (usines, salles de réunion, théâtre, cinéma, hall d’hôtel).

Attention cependant, il est fortement déconseillé d’utiliser ces bouches pour y pulser de l’air chaud. Étant donné, la faible vitesse de l’air, celui-ci montera directement au plafond.

Etude de cas.

Dans un auditoire d’un Institut Supérieur de Liège équipé de bouches à déplacement, les occupants se plaignaient d’un manque permanent de chaleur. Pour diagnostiquer le problème, un fumigène fut placé dans le groupe.

On a constaté que, dès la sortie des bouches (placées en bas de l’auditoire), l’air chaud montait au plafond, sans se mélanger à l’air ambiant. Il passait au-dessus de la tête des occupants avant d’être repris par les bouches d’extraction (en haut de la salle). On image très bien le bonheur du marchand de chaussettes norvégiennes qui a élu domicile en face de l’auditoire …

En fait, on a simplement choisi ici des bouches prévues pour la pulsion d’air froid pour faire du chauffage.

En effet, en mode « refroidissement », l’air frais aurait longé les gradins, se réchauffant au contact des étudiants avant d’être évacué.


Grandeurs caractéristiques d’une bouche

Le débit

Le débit, exprimé en m³/s ou en m³/h dans leur gamme normale d’utilisation. La plage de débit possible d’une bouche en fonction de la différence de pression entre l’amont et l’aval de la bouche (perte de charge de la bouche) est représentée par sa courbe caractéristique (débit-perte de charge).

Exemple d’abaque reprenant la perte de charge [Δpt]  nécessaire en fonction
du débit [q]  désiré et la puissance acoustique [LWA] associée.

Dans le cas de diffuseurs à recyclage interne, il sera précisé quel est le débit réaspiré dans le local et mélangé à l’air arrivant du conduit avant son éjection. Cette donnée permet d’envisager l’emploi d’un air plus froid ou plus chaud utilisé comme air primaire, auquel s’ajoutera l’air secondaire repris dans le local.

La puissance acoustique

Les bouches sont caractérisées par une production de bruit due au passage de l’air. Les catalogues reprennent aussi le niveau de la puissance acoustique LWA(en dB(A)) émise par la bouche dans le local en fonction du débit. En association avec les courbes de puissance acoustique, on retrouve aussi parfois  dans les abaques relatifs aux bouches, le niveau LWNR (Noise Rating) ou LWNC illustrant le niveau de « confort acoustique » de la bouche (LW signifiant « puissance acoustique », il s’agit de la mesure au niveau même de la bouche et non dans le local).

Certaines bouches intègrent aussi une fonction d’insonorisation par rapport aux bruits véhiculés dans les réseaux de distribution.

La direction du jet d’air

Les différentes bouches de pulsion se caractérisent aussi par la direction du jet d’air :

  • Pulsion parallèle au plafond, favorisant l’effet Coanda (grilles, diffuseurs à soufflage horizontal).
  • Pulsion hélicoïdale qui est aussi une pulsion parallèle au plafond, mais favorisant le brassage d’air (diffuseurs hélicoïdaux).
  • Pulsion directionnelle favorisant la pénétration du jet d’air dans le local (bouche à longue portée).
  • Pulsion parallèle au sol pour extraire les polluants au niveau de leur source (diffuseurs à déplacement).

Les grilles de soufflage ou de reprise

En général, les grilles pulsent l’air de façon unidirectionnelle. Elles sont utilisées pour des débits soufflés à faible vitesse car elles se prêtent bien, par leur principe, à la réalisation de bouches de section de passage importante. On distingue :

  • des grilles de distribution d’air à ailettes fixes,
  • des grilles de distribution d’air à ailettes réglables, en un étage. Ces ailettes peuvent n’être réglées qu’une fois pour toutes, avant ou après montage ou, plus rarement, être réglées par les utilisateurs,
  • des grilles à deux étages d’ailettes disposés l’un devant l’autre, dans des directions perpendiculaires afin de pouvoir diriger le jet ou régler la distribution dans n’importe quelle direction,

Grille à deux étages d’ailettes.

  • des grilles montées dans un cadre circulaire, à ailettes éventuellement réglables,
  • des persiennages à volets pivotant sous l’effet d’une surpression.

Les grilles d’amenée d’air sont de type murale (exemple : dans les retombés des faux plafonds), ou de type plafonnier s’il existe des faux plafonds dans le local. Chaque bouche, avec généralement un plénum de détente, est raccordée au circuit de soufflage par un conduit souple en tête duquel est installé un registre de réglage des débits.

Beaucoup de grilles proposées par les constructeurs conviennent aussi bien à la reprise qu’au soufflage, avec des pressions en général légèrement différentes. Certaines sont cependant spécialement prévues pour la reprise. Elles peuvent comporter des volets de réglage, des grillages de protection, des filtres, …


Les diffuseurs

Le principe du diffuseur est de répartir l’air pulsé de façon plus homogène dans le local (diffusion multidirectionnelle). La frontière n’est pas nette entre les grilles et les diffuseurs, car certaines grilles assurent une diffusion et certains diffuseurs dits « linéaires » ont l’aspect d’une grille.

Diffuseurs à jet rectiligne

Photo diffuseurs à jet rectiligne.

Suivant leurs formes, les diffuseurs à jet rectiligne comportent un certain nombre de cônes (ou pyramides) coaxiaux. Les diffuseurs à plusieurs cônes sont parfois prévus pour obtenir une modification du jet par un déplacement relatif de certains cônes.

Géométriquement, on peut les classer en diffuseurs circulaires, carrés, ou linéaires. Tous peuvent être montés en plafonnier. Dans ce cas, ils pulsent généralement l’air parallèlement au plafond par effet Coanda.

Effet Coanda avec un diffuseur plafonnier.

Les diffuseurs linéaires peuvent être montés en paroi ou en allège. On monte parfois en allège des diffuseurs demi-circulaires, ou triangulaires.

Diffuseurs à jet hélicoïdal ou jet torique

Il existe des diffuseurs provoquant un flux d’air hélicoïdal entraînant un mélange rapide entre l’air ambiant et l’air pulsé et donc une homogénéisation des températures : le fort taux d’induction de la bouche réduit la portée du jet d’air tout en permettant des grands taux de renouvellement d’air, avec peu de courant d’air.

Diffuseur hélicoïdal favorisant le mélange rapide entre l’air pulsé et l’air ambiant.

Diffuseurs à recyclage interne

Il existe des diffuseurs à recyclage interne. La disposition des cônes crée un effet d’aspiration par induction de l’air du local qui est mélangé à l’air amené par le conduit : si le rapport de mélange est de 0,5, on peut ainsi souffler dans une ambiance de 20°C de l’air à 15°C obtenus par mélange avec un air primaire arrivant à 10°C ou de l’air à 25°C à partir d’air primaire à 30°C, ce qui permet d’augmenter le débit d’air neuf, par exemple pour réaliser du free cooling diurne, sans créer de différences de températures élevées entre ambiance et soufflage.

Pulsion et extraction combinée

Il est aussi possible de pulser et d’extraire au travers d’un même diffuseur. Certains diffuseurs circulaires sont ainsi prévus pour évacuer dans leur partie centrale l’air repris dans le local et l’envoyer dans un circuit en dépression. Ce système donne une bonne homogénéisation des ambiances et permet de juxtaposer les gaines de pulsion et de reprise.

Schéma principe pulsion et extraction combinée.

Extraction combinée à l’éclairage

L’extraction et l’éclairage peuvent aussi être combinés. L’intérêt de ces systèmes est de capter une partie du dégagement de chaleur (partie convective) de l’éclairage à sa source et de l’évacuer directement.

Luminaire avec extraction intégrée vers un plenum.

Luminaire pour tubes T5 avec extraction sur les bords.


Les bouches à déplacement

Le principe des bouches à déplacement est d’augmenter fortement la surface de diffusion de l’air pour permettre de souffler des débits importants à très faible vitesse sans inconfort dans la zone occupée (tant au niveau des vitesses d’air que de la puissance sonore). Elles sont principalement utilisées dans la pulsion d’air refroidi. Elles fonctionnent mal avec la ventilation purement hygiénique car les débits sont trop faibles et ne fonctionnent pas en chauffage car l’air chaud à basse vitesse monte directement vers le plafond.

Elles sont constituées de panneaux en tôle perforée ou de manchon en matériaux poreux (« chaussette »), placés soit en plafond soit contre les murs.

Manchon poreux permettant une diffusion  d’un débit d’air important à très faible vitesse
(agroalimentaire, salles propres, …) .

Lorsqu’un panneau mural ou une bouche au sol pulse lentement de l’air plus froid que l’air ambiant, cet air neuf va se répartir au sol. Les sources de chaleur (machines, appareils électriques, personnes, …) vont le réchauffer. L’air va alors s’élever et être évacué en partie haute du local, en évacuant avec lui les polluants. La faible vitesse de l’air élimine toute sensation de courant d’air.

Fonctionnement d’une bouche à déplacement.

L’emplacement des bouches par rapport aux sources de chaleur est important. En effet, si de trop nombreuses sources de chaleur se succèdent (bureaux en rangées), les plus éloignées de la bouche risquent de ne pas profiter de l’air frais.

Les diffuseurs à déplacement sont aussi utilisés dans le cas de ventilation dite « à flux laminaire ». Dans ce cas, ils prennent la forme de plafond ou de panneau soufflant spécialement conçus pour les applications de diffusion à basses vitesses, inférieures à 0,6 m/s (certains ateliers, laboratoires, hôpitaux).

La faible vitesse de soufflage de ces diffuseurs engendre un flux sans turbulence et donc limite fort le mélange entre l’air neuf et l’air ambiant environnant. Une barrière dynamique de protection est ainsi créée entre la zone ventilée et son environnement.

Flux laminaire dans une salle d’opération :  pulsion verticale à faible vitesse au dessus de la table d’opération

Flux laminaire au passage d’un scialytique
dans une salle d’opération.

Les différents plafonds soufflants se distinguent par leur vitesse de soufflage (inférieure à 0,1 m/s, entre 0,18 et 0,25 m/s, entre 0,3 et 0,6 m/s), par le débit d’air traité, par l’uniformité et la stabilité du flux, par la présence en périphérie du plafond soufflant d’un rideau d’air complémentaire permettant d’augmenter l’effet de barrière dynamique.

Les panneaux en tôle perforée peuvent également convenir pour la reprise. Il faut être attentif à leur facilité de nettoyage, principalement s’ils sont de couleur claire.

Etude de cas.

Dans un auditoire d’un Institut Supérieur de Liège équipé de bouches à déplacement, les occupants se plaignaient d’un manque permanent de chaleur. Pour diagnostiquer le problème, un fumigène fut placé dans le groupe.

On a constaté que, dès la sortie des bouches (placées en bas de l’auditoire), l’air chaud montait au plafond, sans se mélanger à l’air ambiant. Il passait au-dessus de la tête des occupants avant d’être repris par les bouches d’extraction (en haut de la salle). On image très bien le bonheur du marchand de chaussettes norvégiennes qui a élu domicile en face de l’auditoire …

En fait, on a simplement choisi ici des bouches prévues pour la pulsion d’air froid pour faire du chauffage.

En effet, en mode « refroidissement », l’air frais aurait longé les gradins, se réchauffant au contact des étudiants avant d’être évacué.


Les fentes de diffusion

Phot fentes de diffusion.

Alors que les grilles les plus allongées ont un rapport longueur/hauteur inférieur à 10, il existe des diffuseurs étroits et longs conçus pour souffler une lame d’air très mince pouvant même être parallèle à la surface sur laquelle ils sont posés. Une application type de ces fentes de soufflage est la pulsion le long de vitrages pour éviter des condensations en hiver : la vitesse d’éjection choisie fixe la perte de charge. Si elle est de 8 m/s, elle sera de 40 Pa environ si l’entrée dans la fente est correctement dessinée.

Ce type de bouche convient aussi pour la reprise.


Les bouches orientables à vitesse de soufflage élevée

Photo bouches orientables à vitesse de soufflage élevée.

Buse de soufflage à longue portée.

Les mouvements d’air sont créés par des jets de faible diamètre soufflant à des vitesses comprises entre de 10 et 20 m/s. La grande vitesse de pulsion induit un brassage important entre l’air ambiant et l’air pulsé, ce qui homogénise rapidement les températures. On utilise ces bouches dans les grands halls quand la distance entre le diffuseur et la zone de travail est grande (atrium, halls de sport, de stockage, …). Le fait que le jet soit orientable permet en outre de les prévoir dans des installations complexes où il est difficile de préjuger des mouvements d’air. En général, il faut éviter la position verticale. En effet, en pulsion froide, cela risque de provoquer une chute d’air froid et en pulsion chaude, le jet risque d’être freiné. Une position proche de l’horizontale est généralement conseillée, tout en tenant compte que la différence de température entre l’air soufflé et l’air ambiant dévient le jet soit vers le haut (air chaud), soit vers le bas (air froid).

Leurs débits s’échelonnent de 80 à 3 000 m³/h sous des pressions statiques de 50 à 200 PA pour des diamètres d’orifice de 100 à 400 mm.

Il existe également des manchons souples perforés dont chaque trou fait office d’une buse à haute vitesse et donc forte induction.

Photo manchons souples perforés.

Manchon perforé permettant la pulsion d’un débit d’air important  à très haute vitesse (chaque trou sert de buse de soufflage).
La vitesse élevée de sortie assure un mélange rapide  avec l’air ambiant par induction (ventilation des grands halls).


Les systèmes de réglage

Ajustage manuel au montage

Certaines bouches possèdent des persiennes ou volets réglables par déformation ou pivotement pour ajuster les débits en intensité et direction, mais ne possèdent pas de commande extérieure de ce réglage.

Lorsque le réglage direct de la bouche n’est pas possible, il existe aussi des bouches combinées à un registre placé en amont qui permet un ajustement des débits.

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Registre réglable disposé en amont d’un diffuseur.
Le réglage du registre est accessible au travers du diffuseur.

Réglage par commande manuelle en cours de fonctionnement

La bouche peut comporter un levier ou un bouton modifiant la perte de charge par action sur des volets. La commande peut être séparée de la bouche et agir à distance par câble ou par commande électrique. Les volets réglables sont parfois montés dans le plénum ou le conduit alimentant la bouche.

Dans un ensemble tertiaire, il n’est cependant pas souhaitable que l’utilisateur puisse changer le débit de la bouche de son local. En effet, il risque de dérégler tous les débits de l’installation, phénomène que l’on rencontre lorsque l’on régule les débits de ventilation en fonction de la demande dans un système de ventilation multizone.


Les bouches automatiques

La gestion des débits de ventilation en fonction des besoins locaux demande l’utilisation soit de registres motorisés à l’entrée de chaque local, soit de bouches permettant un réglage en fonction d’une grandeur représentative (sous le contrôle d’un détecteur de présence, d’un thermostat, d’un hygrostat ou d’une horloge).

On peut répertorier 4 types de bouches (aussi bien en extraction qu’en pulsion) :

  • Les bouches régulées en tout ou rien
  • Les bouches évaluant le nombre de présences
  • Les bouches hygroréglables
  • Les bouches autoréglables

Les bouches régulées en tout ou rien

Certaines bouches intègrent directement un registre motorisé. Celui-ci peut être commandé en tout ou rien au départ d’une sonde de présence ou tout autre capteur représentatif des besoins de ventilation (signal 0-10 V).

Photo bouche avec détecteur infrarouge.

Certaines bouches possèdent directement leur propre détecteur infrarouge.

Il est également possible de régler manuellement le débit de la bouche en position ouverte, en fonction du nombre de personnes moyen se trouvant généralement dans le local

 Les bouches évaluant le nombre de présences

Photo bouches avec compteur de présences.

Il existe des bouches intégrant un comptage du nombre de personnes présentes dans un local.

détecteur infrarouge compte le nombre de mouvements dans une pièce : chaque fois qu’une personne passe d’un segment de détection à un autre, le système comptabilise un mouvement. Le programme interne de l’appareil convertit ce nombre de mouvements en nombre de personnes et donc en débit d’air à fournir. Des repères disposés sur la face de la bouche indiquent le débit fourni par l’appareil.

 Les bouches hygroréglables

Photo bouches hygroréglables.

Les bouches hygroréglables possèdent un volet mobile dont l’ouverture est commandée par un élément sensible au taux d’humidité ambiant (tresse en nylon). La variation de débit est ainsi proportionnelle à l’humidité ambiante. Ces bouches s’utilisent donc principalement pour l’extraction dans les locaux humides tels que toilettes, salle de bain ou cuisine.

Certaines bouches possèdent également une commande (électrique ou mécanique) court-circuitant l’élément hygroréglable et permettant un débit de pointe durant une période minutée.

Cette technologie est également appliquée dans des grilles d’amenée d’air naturelle.

 Les bouches autoréglables

Photo bouches autoréglables.

Lorsque, dans un système de ventilation mécanique, il est possible de faire varier l’ouverture des bouches en fonction des besoins, des variations de pression et de débit apparaissent inévitablement au niveau des bouches restées ouvertes.

Pour éviter l’augmentation de débit et donc de bruit avec l’augmentation de pression, il existe des bouches autoréglables. Elles contiennent une membrane souple disposée dans le flux d’air qui ajuste automatiquement l’ouverture en fonction de la vitesse de l’air : lorsque la pression dans les conduits augmente, la membrane se gonfle. Elle réduit ainsi la section de la bouche et maintient le débit nominal.

Fonctionnement de la membrane de régulation
en fonction de la pression dans le conduit de distribution.

Le débit pulsé ou repris par ces bouches reste ainsi constant sur une large plage de pression.

Débit d’air fourni par une bouche autoréglable
en fonction de la pression.

La membrane de régulation peut aussi être insérée dans le conduit en amont de la bouche.