Dimensionnement des conduits de ventilation et pertes de pression

Calcul des pertes de pression
et dimensionnement des
conduits de ventilation
Applications résidentielles
Christophe Delmotte, ir
Laboratoire Qualité de l’Air et Ventilation
CSTC - Centre Scientifique et Technique de la Construction
A-t-on besoin d’un professionnel
pour installer un système de ventilation?
Ne suffit-il pas de
connecter ensemble
tous les accessoires
pour obtenir les débits
d’air souhaités dans
chaque local?
Faut-il vraiment
faire des calculs pour
que ça fonctionne
correctement?
23/10/2012
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2
1
Que se passe-t-il dans un
système de ventilation mécanique?
Un ventilateur force l’air
à se mouvoir dans des conduits
 On a besoin d’un ventilateur car les conduits
résistent au passage de l’air (pertes de pression)
L’air suit de préférence le conduit
qui oppose le moins de résistance
 Si on veut plus d’air d’un côté,
il faut réduire la résistance de ce côté
23/10/2012
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Est-ce que les dimensions des
conduits ont vraiment de l’importance?
Les grands diamètres coûtent cher
et prennent beaucoup de place
Les petits diamètres opposent
plus de résistance au passage de l’air
 Et cela nécessite des ventilateurs plus puissants
Il faut trouver un bon compromis
 On a besoin de méthodes de dimensionnement
 On a besoin de professionnels pour les appliquer
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4
2
Calcul des pertes de pression
23/10/2012
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5
Pertes de pression linéaires
Sont provoquées par la viscosité de l’air
 Frottement des molécules
entre elles et le long des parois
Elles prennent naissance lorsqu’il y a
mouvement de l’air et ont lieu sur
toute la longueur des conduits
23/10/2012
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3
Formule de Darcy-Weisbach
Perte de pression linéaire
dans le cas d’un conduit circulaire





 (lambda): coefficient de frottement de Darcy [-]
L : longueur du conduit [m]
D : diamètre intérieur du conduit [m]
(rho): masse volumique de l’air [kg/m³]
v : vitesse moyenne de l’air [m/s]
23/10/2012
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Coefficient de frottement de Darcy
Dépend du régime d’écoulement
Nombre de Reynolds
 v : vitesse moyenne de l’écoulement [m/s]
 D : diamètre intérieur du conduit [m]
  (nu): viscosité cinématique [m²/s]
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4
Exemple de calcul
du nombre de Reynolds
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Caractéristiques de l’air
5
Coefficient de frottement de Darcy
En régime d’écoulement laminaire,
 est indépendant de la rugosité du conduit
 Formule de Poisseuille
 La perte de pression est
proportionnelle à la vitesse de l’air
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Coefficient de frottement de Darcy
En régime d’écoulement turbulent,
 dépend du nombre de Reynolds et
de la rugosité relative (/D) du conduit
 Équation de Colebrook-White
  : coefficient de frottement de Darcy [-]
  (epsilon): rugosité absolue de la paroi interne
du conduit [m]
 D : diamètre intérieur du conduit [m]
 Re : nombre de Reynolds [-]
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Rugosité absolue
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Coefficient de frottement de Darcy
Équation de Colebrook-White
 Pas de solution analytique
 Résolution par itération
Formule de Swamee-Jain
 Bonne approximation
 Résolution directe
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7
Diagramme de Moody
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Formules approchées
8
Nomogrammes
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Règles à calculer
9
Conduits flexibles
La rugosité absolue est généralement donnée
pour leur configuration complètement étirée
(notée « FS » de l’anglais « Fully Streched »)
Il est utile de la corriger en fonction du taux de
compression
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Conduits flexibles
Taux de compression rc
Facteur de correction
Coefficient de correction acor égal à 21 pour les
diamètres de 75 à 500 mm
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10
Pertes de pression singulières
Se produisent quand il y a perturbation de
l’écoulement normal, décollement des parois et
formation de tourbillons aux endroits où il y a
changement de section ou de direction ou en
présence d’obstacles (rétrécissements,
évasements, coudes, clapets, etc.)
La sortie de l’air d’un conduit vers un grand
espace engendre également une perte de
pression singulière
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Pertes de pression singulières
 pj : perte de pression singulière [Pa]
  (zêta): coefficient de perte de pression
singulière de l’élément considéré [-]
 (rho): masse volumique [kg/m³]
 v: vitesse moyenne [m/s]
23/10/2012
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11
Principe de détermination de 
Norme de référence: NBN CR 14378 (2002)
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Principe de détermination de 
Détermination expérimentale
Très grand nombre de familles d’accessoires
 Coudes, tés, élargissements, clapets, bouches...
Très grand nombre de variantes dans une
même famille
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Variabilité des données expérimentales
 Evolution des méthodes de mesure ?
 Géométrie et matériau différents ?
 Dimensions et débit différents ?
Il faut considérer les résultats
des calculs avec prudence
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Exemples de valeurs 
13
Exemples de valeurs 
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Combinaison d’accessoires
23/10/2012
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Ouvrages de référence
23/10/2012
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Ouvrages de référence
Ashrae Duct Fitting Database (CD-Rom)
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Information donnée par les fabricants
 Probablement plus fiable que des valeurs 
générales mais pas vraiment adapté au calcul
automatisé
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Bouches d’air
Principal élément de réglage du
débit en application résidentielle
La perte de pression dépend du modèle
et de l’état d’ouverture de la bouche
23/10/2012
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Bouches de ventilation
Perte de pression maximale
limitée par des critères acoustiques
23/10/2012
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Perte de pression cumulée
La perte de pression cumulée d’un
conduit d’air est égale à la somme
 des pertes de pression linéaires pf
dans les longueurs droites
 et des pertes de pression singulières pj au droit
des éléments particuliers le long d’un même trajet
23/10/2012
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17
Perte de pression cumulée - Exemple
L
Débit = 150 m³/h
2m
D
1m
A
C
B
2m
E
F
1m
Atténuateur
de son
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G
H
1m
Ventilateur
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J
I
35
Perte de pression cumulée - Exemple
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18
Perte de pression cumulée - Exemple
23/10/2012
Centre Scientifique et Technique de la Construction
37
Perte de pression cumulée - Exemple
23/10/2012
Centre Scientifique et Technique de la Construction
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19
Perte de pression cumulée - Exemple
23/10/2012
Centre Scientifique et Technique de la Construction
39
23/10/2012
Centre Scientifique et Technique de la Construction
40
20
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Centre Scientifique et Technique de la Construction
41
Perte de pression cumulée - Exemple
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Centre Scientifique et Technique de la Construction
42
21
23/10/2012
15
Centre Scientifique et Technique de la Construction
43
Perte de charge en Pa
131
10
160
5
Débit en m³/h
0
0
100
200
300
400
500
600
23/10/2012
700
800
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900
1000
44
22
Perte de pression cumulée - Exemple
23/10/2012
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45
Conduits rectangulaires ou oblongs
La formule de la perte de pression linéaire
s’applique à des conduits circulaires
Comment effectuer le calcul avec des conduits
rectangulaires ou oblongs?
23/10/2012
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46
23
Diamètre hydraulique
On peut utiliser la formule générale à condition
de faire appel au diamètre hydraulique
 Dh : diamètre hydraulique du conduit [m]
 Ac : aire du conduit [m²]
 P : périmètre du conduit [m]
 Conduit rectangulaire
23/10/2012
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Diamètre hydraulique
Le diamètre hydraulique d’un conduit de forme
quelconque correspond au diamètre d’un
conduit circulaire fictif engendrant la même
perte de pression linéique, pour une même
vitesse d’air et une même rugosité absolue
(matériau identique)
23/10/2012
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Diamètre hydraulique - Exemple
23/10/2012
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Diamètre hydraulique - Exemple
23/10/2012
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Diamètre équivalent
Comment calculer le diamètre d’un conduit
circulaire réel qui engendrerait la même perte
de charge répartie, pour un même débit d’air et
une rugosité absolue identique?
 Le diamètre hydraulique n’est pas utilisable car il
est défini pour une même vitesse d’air
Utilisation du diamètre équivalent
23/10/2012
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Diamètre équivalent
Formulation générale
 De : diamètre équivalent du conduit [m]
 Ac : aire du conduit [m²]
 P : périmètre du conduit [m]
Conduit rectangulaire de côtés a et b
23/10/2012
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26
Dimensionnement des conduits
23/10/2012
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Dimensionnement des conduits
Détermination la section des conduits et des
accessoires et sélection des organes
d’équilibrage en vue d’obtenir les débits d’air
souhaités dans les différentes branches du
réseau
Recherche d’un compromis entre la section des
conduits et l’énergie nécessaire au déplacement
de l’air
23/10/2012
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Dimensionnement des conduits
Grande section
 Pertes de pression réduites (économie d’énergie)
 Vitesse réduite (limitation du bruit)
Petite section
 Coût du matériel réduit
 Encombrement réduit
23/10/2012
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Méthodes de dimensionnement
Section constante
Vitesse constante
Réduction de vitesse
Pertes de pression linéiques constantes
Regain statique (méthode de conservation de la
pression statique ; uniquement d’application pour
les réseaux de pulsion)
 Méthode des 30% (simplification de la méthode
du regain statique)
 Méthode T (méthode d’optimisation qui vise à
minimaliser les coûts d’installation et de
fonctionnement)





23/10/2012
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28
Méthode de la réduction de vitesse
Consiste, après avoir choisi la vitesse au départ
du groupe, à la réduire graduellement, mais
sans suivre une règle précise, jusqu’aux
tronçons terminaux
23/10/2012
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Méthode de la réduction de vitesse
Choix de la vitesse
 Dépend de la zone concernée
 Tient compte de la limitation
des nuisances acoustiques
Le choix de la vitesse fixe le diamètre
23/10/2012
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29
Sections de conduits disponibles
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Équilibrage des différentes branches
Règle de base
 La variation de pression totale est identique (« en
équilibre ») le long de chaque trajet, c’est-à-dire
entre le ventilateur et chacune des extrémités du
réseau considéré
 Pour qu’un réseau soit en équilibre, il faut que
chaque trajet présente la même perte de pression
23/10/2012
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30
Équilibrage des différentes branches
Répartition du débit qui entraîne une même
perte de charge (34 Pa) dans les deux branches
Pour un débit identique (125 m³/h) on aurait 41
et 30 Pa
23/10/2012
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Équilibrage des différentes branches
Après la sélection des diamètres:
Calcul des pertes de pression
pour chaque branche
Équilibrage des branches
 Ajout d’organes de réglage (bouches réglables)
 Modification de certains diamètres
 Modification de certains accessoires
23/10/2012
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31
Application pratique
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Choix du diamètre des conduits
23/10/2012
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32
Calcul des pertes de pression
23/10/2012
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Équilibrage des différentes branches
23/10/2012
Centre Scientifique et Technique de la Construction
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33
Équilibrage au moyen d’une bouche d’air
48
5
56
23/10/2012
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67
Méthode des pertes de
pression linéiques constantes
Le principe de cette méthode est
de dimensionner les conduits pour
une perte de pression linéique constante
La perte de pression linéique
est choisie librement
 Une règle de bonne pratique pour les systèmes de
ventilation résidentielle est de choisir une perte
de pression linéique entre 0.7 Pa/m et 1 Pa/m
23/10/2012
Centre Scientifique et Technique de la Construction
68
34
Lorsque les bouches de ventilation choisies ne
permettent pas d’équilibrer le réseau ou lorsque
l’on souhaite améliorer l’équilibre initial du
réseau, trois solutions sont possibles
 Revoir le dimensionnement des branches les plus
résistantes (en augmentant le diamètre de
certains de leurs tronçons) voire remettre en
question le tracé du réseau (cette première
solution est toujours recommandée dans un souci
d’économie d’énergie)
 Sélectionner des bouches moins résistantes pour
les trajets les plus résistants
 Revoir le dimensionnement des branches les
moins résistantes (en diminuant le diamètre de
certains de leurs tronçons sans jamais dépasser
la vitesse maximale) ou y ajouter des dispositifs
de réglage (perte de pression complémentaire)
23/10/2012
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Détermination du diamètre des conduits
Utilisation des nomogrammes
Formules approchées
 conduits aérauliques circulaires en acier à joint
spiral ( = 0.09 mm)
Formules détaillées
 Calcul itératif
23/10/2012
Centre Scientifique et Technique de la Construction
70
35
Calcul du diamètre au moyen des
formules détaillées
Pour effectuer ce calcul on
peut suivre les étapes suivantes







Fixer un diamètre a priori
Calculer la vitesse de l’air compte tenu du débit
Calculer le nombre de Reynolds
Calculer la rugosité relative du conduit
Calculer le coefficient de frottement de Darcy
Calculer la perte de pression linéique
Modifier le diamètre en procédant par itérations
de façon à ce que la perte de pression linéique
soit aussi proche que possible de la valeur choisie
23/10/2012
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23/10/2012
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Application pratique
36
Équilibrage des différentes branches
23/10/2012
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Option pour cette méthode
 Application d’un critère de vitesse maximale de
l’air en plus du critère des pertes de pression
linéiques
23/10/2012
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37
Équilibrage des différentes branches
23/10/2012
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Courbe caractéristique
d’un réseau aéraulique
Les pertes de pression linéaires et singulières
sont approximativement proportionnelles au
carré de la vitesse de l’air
 Et donc aussi au carré du débit d’air
 p : perte de pression (cumulée) [Pa]
 k : constante propre au réseau aéraulique
considéré [Pa / (m³/s)²]
 qv : débit d’air [m³/s]
23/10/2012
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38
Courbe caractéristique
d’un réseau aéraulique
23/10/2012
Centre Scientifique et Technique de la Construction
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39
Mesure des débits d’air et
réglage des bouches de ventilation
Christophe Delmotte, ir
Laboratoire Qualité de l’Air et Ventilation
CSTC - Centre Scientifique et Technique de la Construction
Mesure et réglage sont indispensables
Les systèmes de
ventilation ne se
règlent pas tout seuls
Pas de réglage
possible sans mesure
12/2012
Centre Scientifique et Technique de la Construction
2
1
Mesure au niveau des bouches d’air
Anémomètre avec
cône de mesure
Bouches d’extraction
 Mesure fiable en général
sauf bouches très fermées
Bouches de pulsion
 Mesure globalement
peu fiable
12/2012
Centre Scientifique et Technique de la Construction
3
Mesure au niveau des bouches d’air
Appareil à compensation
de pression sans grille
stabilisatrice
 Compensation de la perte de
pression avec un ventilateur
intégré à l’appareil
 Mesure fiable en général
sauf avec des bouches
très fermées
12/2012
Centre Scientifique et Technique de la Construction
4
2
Mesure au niveau des bouches d’air
Appareil à compensation
de pression avec grille
stabilisatrice
 Compensation de la perte de
pression avec un ventilateur
intégré à l’appareil
 Mesure fiable dans
la plupart des cas
12/2012
Centre Scientifique et Technique de la Construction
5
Mesure en conduit rigide
Type de sonde
 Sonde thermique
 Anémomètre
 Tube de Pitot
Longueur droite
suffisante nécessaire
Calcul nécessaire
Mesure fiable dans
la plupart des cas
 Respect des règles de base
12/2012
Centre Scientifique et Technique de la Construction
6
3
Pensez à la mesure lors de la conception
La mesure peut être rendue
très difficile par un mauvais
placement des bouches
12/2012
Centre Scientifique et Technique de la Construction
7
Pour plus d’information
Mesurer les débits de ventilation mécanique
 www.cstc.be CSTC-Contact 2012/3
Guide des bonnes pratiques des mesures
de débit d’air sur site pour les installations
de ventilation
 www.cetiat.fr
NBN EN 12599 : 2000 Ventilation des bâtiments
- Procédures d'essai et méthodes de mesure
pour la réception des installations de ventilation
et de climatisation installées (+AC:2002)
 www.nbn.be
12/2012
Centre Scientifique et Technique de la Construction
8
4
L
La mesure des débits de ventilation mécanique permet de régler l’installation, mais aussi de démontrer la conformité des
débits réellement atteints. Malheureusement, certains instruments de mesure sur le marché ne sont pas suffisamment
fiables. Cet article fait le point sur les méthodes de mesure des débits de ventilation mécanique dans les applications de
type résidentiel.
Mesurer les débits de
ventilation mécanique
✍✍ S. Caillou, dr. ir., chef de projet, laboratoire Qualité de l’air et ventilation, CSTC
Article rédigé dans le cadre du projet
OPTIVENT, financé par l’IWT.
POURQUOI MESURER LES DÉBITS ?
La mesure des débits de ventilation mécanique constitue une étape capitale de la mise
en service d’une installation de ventilation.
En effet, cette mesure est nécessaire pour le
réglage de l’installation, c.-à-d. le réglage du
ventilateur et des bouches de pulsion ou d’extraction d’air dans les différents locaux et ce,
pour atteindre le bon débit au bon endroit !
La mesure des débits permet également de
gagner de précieux points E dans le cadre de
la réglementation PEB (résidentiel uniquement). On peut ainsi gagner entre deux et cinq
points, selon le type de système, lorsque l’on
peut démontrer que les débits sont correctement réglés.
CHOISIR LE BON INSTRUMENT DE MESURE
Il existe plusieurs méthodes de mesure des
débits. Une multitude d’instruments sont actuellement disponibles pour chacune d’elle.
Une campagne d’essais a été réalisée au
CSTC afin d’évaluer les principales méthodes
de mesure au niveau des bouches de pulsion
et d’extraction. Le tableau ci-dessous donne
une vue d’ensemble de ces méthodes ainsi
qu’un certain nombre de critères permettant
d’en apprécier au mieux les avantages et les
inconvénients.
Il en ressort ainsi qu’un appareil à compen­
sation de pression muni d’une grille stabi­
lisatrice offre d’excellents résultats, tant au
niveau de la fiabilité de la mesure que de la
facilité d’utilisation (1). Cette grille est un
élément capital permettant de stabiliser le flux
d’air et de donner de bons résultats même si le
flux est perturbé (flux asymétrique avec, par
exemple, une bouche dite à secteur propre, une
vitesse d’air localement très élevée, …). Le
ventilateur intégré à cet instrument de mesure
permet, quant à lui, de compenser la perte de
pression crée par l’instrument.
Certaines variantes de cette méthode, avec
compensation de pression, mais sans grille
stabilisatrice, fournissent de moins bons résultats dans certaines conditions (2), en particulier lorsque la bouche de pulsion ou d’extraction est anormalement fermée ou lorsque
le flux au niveau de la bouche de pulsion est
asymétrique.
La méthode de l’anémomètre à hélice asso­
cié à un cône est très répandue, mais peut être
à l’origine d’erreurs très importantes dans certaines conditions (3).
L’utilisation d’une petite sonde dans un
conduit (fil chaud ou anémomètre de petite
dimension) est envisageable, mais moins pratique (4). Cette méthode peut également être
appliquée, à certaines conditions, au niveau
des bouches de pulsion et d’extraction. Le cas
échéant, on utilise un tronçon de conduit supplémentaire (d’une longueur de 1 m, p. ex.)
que l’on connecte au réseau à la place de la
bouche. La bouche est ensuite replacée à
l’autre extrémité de ce tronçon de conduit. Les
conditions d’application et les limites de cette
méthode sont expliquées plus en détails dans
la version intégrale de cet article. n
www.cstc.be
Les Dossiers
du
CSTC 2012/3.12
La version intégrale de cet article sera
prochainement disponible sur notre site
Internet.
Vue d’ensemble et efficacité des principales méthodes de mesure au niveau des bouches
CT Chauffage et climatisation
Extraction
Méthode de
mesure
Bouche
suffisamment
ouverte + instrument centré
ou non
Pulsion
Bouche très
fermée
Bouche à flux
symétrique
suffisamment
ouverte + instrument centré
Bouche à flux
symétrique +
instrument non
centré
Bouche à flux
asymétrique
ou bouche très
fermée
Prix
indicatif [€]
Facilité
d’utilisation
1
Compensation
avec grille
✓
✓
✓
✓
✓
2500 à
3500
Facile et
rapide
2
Compensation
sans grille
✓
✗
✓
✓
✗
2500 à
3500
Facile et
rapide
3
Anémomètre
avec cône
✓
✗
✓
✗
✗
< 1000
Facile et
rapide
4
Petite sonde
en conduit
< 1000
Moins
pratique :
calcul
requis
✓
Légende
✓ : mesure fiable dans la plupart des cas.
✗ : résultat incorrect ou mesure instable.
14 | CSTC-Contact 2012/3
✓
✓
Sans objet
✓