Technologie de Climatisation TECHNOLOGIE CLIMATISATION Janvier 2005 SEMPORE Jean Francis Enseignant en Froid et Climatisation [email protected] 1 Technologie de Climatisation TABLE DES MATIERES 1.INTRODUCTION............................................................................................................... 5 1.CLASSIFICATION DES INSTALLATIONS DU GENIE CLIMATIQUE............................. 6 1.VOCABULAIRE DE BASE............................................................................................... 7 1.DIAGRAMME PSYCHROMETRIQUE.............................................................................. 9 DEFINITION.................................................................................................................................... 12 1.GENERALITES SUR LES INSTALLATIONS DE VENTILATION.................................. 12 OBJECTIFS...................................................................................................................................... 12 LA PRESSION DANS LES BATIMENTS.................................................................................... 14 METHODES DE DETERMINATION.......................................................................................... 15 1.DETERMINATION DES BESOINS EN AIR NEUF......................................................... 15 MESURE DE LA QUANTITE D’AIR NEUF ACTUELLE....................................................... 19 LES SYSTEMES D’ALIMENTATION EN AIR NEUF.............................................................. 20 1.CLASSIFICATION DES INSTALLATIONS DE VENTILATION...................................... 21 VENTILATION MECANIQUE GLOBALE.................................................................................21 VENTILATION MECANIQUE PONCTUELLE.........................................................................23 VENTILATION MECANIQUE MIXTE.......................................................................................23 VENTILATION MECANIQUE CONTROLEE...........................................................................23 MATERIELS DE VENTILATION NATURELLE...................................................................... 25 1.MATERIEL DE VENTILATION....................................................................................... 25 MATERIELS DE VENTILATION MECANIQUE......................................................................25 LES VENTILATEURS.................................................................................................................... 28 1.COMPOSANTS SPECIFIQUES DES INSTALLATIONS ............................................... 28 1.2LES BATTERIES DE CHAUFFAGE.......................................................................................31 LES BATTERIES DE REFROIDISSEMENT.............................................................................. 32 [email protected] 2 Technologie de Climatisation LES FILTRES.................................................................................................................................. 32 LES DESHUMIDIFICATEURS..................................................................................................... 35 LES HUMIDIFICATEURS.............................................................................................................37 GENERALITES............................................................................................................................... 39 1.DISTRIBUTION DE L’AIR DANS LES INSTALLATIONS.............................................. 39 LES DIFFERENTS TYPES DE RESEAUX DE DISTRIBUTION D’AIR................................ 39 DIMENSIONNEMENT DES RESEAUX DE GAINES............................................................... 44 LES ACCESSOIRES DES RESEAUX DE DISTRIBUTION D’AIR.........................................46 INSTALLATIONS DE VENTILATION SEULE......................................................................... 52 1.CALCUL DES INSTALLATIONS DE VENTILATION .................................................... 52 SELECTION D’UN VENTILATEUR........................................................................................... 53 CALCUL DES INSTALLATIONS AVEC REFROIDISSEMENT............................................ 53 CALCUL DES INSTALLATIONS AVEC CHAUFFAGE.......................................................... 57 CALCUL DES INSTALLATIONS AVEC HUMIDIFICATION.............................................. 57 CALCUL DES INSTALLATIONS AVEC DESHUMIDIFICATION........................................59 1.3CALCUL DES INSTALLATIONS DE CLIMATISATION..................................................60 GENERALITES SUR LES INSTALLATIONS DE CLIMATISATION...................................62 1.CLASSIFICATION DES INSTALLATIONS DE CLIMATISATION................................. 62 MODES DE CLASSIFICATION................................................................................................... 64 SYSTEMES A DETENTE DIRECTE........................................................................................... 65 SYSTEMES TOUT AIR................................................................................................................. 69 SYSTEMES TOUT EAU................................................................................................................. 71 SYSTEMES VRV............................................................................................................................. 73 INVENTAIRE DES SYSTEMES................................................................................................... 74 MATERIELS DES INSTALLATIONS DE CLIMATISATION................................................ 79 LES RIDEAUX D’AIR.................................................................................................................... 80 1.LES MATERIELS PARTICULIERS................................................................................ 80 [email protected] 3 Technologie de Climatisation LES ELIMINATEURS D’ ODEURS............................................................................................. 80 GENERALITES............................................................................................................................... 83 1.ISOLATION ACOUSTIQUE............................................................................................ 83 DEFINITIONS..................................................................................................................................83 MATERIEL...................................................................................................................................... 86 TRAITEMENT ACOUSTIQUE D’UN LOCAL TECHNIQUE................................................. 88 GENERALITES............................................................................................................................... 89 1.DISTRIBUTION DE L’EAU DANS LES INSTALLATIONS............................................. 89 LES DIFFERENTS TYPES DE RESEAUX DE DISTRIBUTION D’EAU............................... 89 DIMENSIONNEMENT DES RESEAUX DE DISTRIBUTION................................................. 91 LES ACCESSOIRES DE RESEAUX DE DISTRIBUTION D’EAU..........................................92 LES CONDENSATS........................................................................................................................ 98 DEFINITION.................................................................................................................................... 99 1.REGULATION ................................................................................................................ 99 LES ORGANES DE DETECTION OU DETECTEURS........................................................... 100 LES REGULATEURS................................................................................................................... 102 LES ACTIONNEURS.................................................................................................................... 103 LES ORGANES DE REGLAGE.................................................................................................. 104 LA REGULATION INFORMATISEE OU COMMANDE CENTRALISE............................ 106 GENERALITES............................................................................................................................. 107 1.DISPOSITIFS DE SECURITE CONTRE L’INCENDIE................................................. 107 LA PROTECTION PASSIVE.......................................................................................................108 LA PROTECTION ACTIVE........................................................................................................ 109 1.COMPARAISON ENTRE LES MEDIUMS DE TRANSFERT........................................ 110 1.TRAVAUX D’ ENTRETIEN DES INSTALLATIONS...................................................... 111 1.BIBLIOGRAPHIE.......................................................................................................... 112 [email protected] 4 Technologie de Climatisation 1.ANNEXES..................................................................................................................... 113 1. INTRODUCTION L’environnement revêt aujourd’hui un caractère important dans le devenir de l’homme. Plusieurs définitions de l’environnement sont avancées, il sera retenu la définition de l’ensemble environnant constitué d’un ou plusieurs facteurs que sont : - les bruits émis - la température et l’humidité - la qualité de l’air - l’ensoleillement - le vent - les précipitations - etc. L’environnement extérieur de par ses dimensions imposantes n’est pas maîtrisable par l’homme sauf en ce qui concerne certaines mesures (bruits, qualité de l’air). L’environnement intérieur (construction naturelle ou artificielle) qui est isolé de l’environnement extérieur grâce aux parois de la construction qui le contient est maîtrisable en ce qui concerne ses caractéristiques que sont le microclimat dont les paramètres sont réduits à la température, à l’humidité, à la qualité et au mouvement de l’air. Ainsi à travers le Génie Climatique, le Climaticien va mettre en œuvre des moyens propres à la maîtrise de cet environnement intérieur. Les installations du Génie Climatique serviront à : - la réalisation de conditions ambiantes bénéfiques au bien-être physiologique de l’homme - la réalisation de conditions ambiantes particulières dans l’industrie, les laboratoires à des fins de processus de fabrication ou de recherche L’historique du génie climatique est riche d’évènements : - 19ème siècle : installations de chauffage avec des poêles fermées - Vers 1890 : apparition des procédés d’humidification de l’air par chauffage à vapeur - Début 20ème siècle : premières installations de conditionnement d’air aux Etats Unis - 1920 : premières installations de climatisation aux Etats Unis - Vers 1930 : nouveaux systèmes grâce aux fluides frigorigènes (CFC) - A partir de 1950 : nouveau dynamisme des installations surtout en Europe - Vers 1975 : intégration de la réduction de la consommation d’énergie - De nos jours, l’évolution la plus spectaculaire concerne la régulation électronique et les nombreuses possibilités offertes. [email protected] 5 Technologie de Climatisation 1. CLASSIFICATION DES INSTALLATIONS DU GENIE CLIMATIQUE Une installation de Génie Climatique est une installation destinée à maîtriser au moins un des paramètres caractéristiques d’un environnement intérieur donné (température, humidité, qualité de l’air, mouvement de l’air). La maîtrise de la température s’obtient par des moyens de refroidissement et de chauffage. Quant à celle de l’humidité, elle s’effectue par humification ou déshumidification. La recherche de la qualité de l’air peut être obtenue par l’introduction dans le local de l’air dit « neuf ». Il faut entendre par ce terme de l’air en provenance de l’extérieur, cet air étant censé présenter une meilleure qualité que celle de l’air ambiant que l’on désire renouveler. En réalité, les qualités de l’air extérieur ne sont pas toujours optimales et un traitement préalable (filtration par exemple) est souvent rendu nécessaire. Le refroidissement, le chauffage, l’humidification et la déshumidification s’effectuer : - statiquement dans le local - dynamiquement dans le local - dynamiquement hors du local Une installation est dite dynamique lorsqu’elle fait appel à un ventilateur. peuvent En résumé, la maîtrise des paramètres caractéristiques d’un environnement intérieur donné s’effectue en mettant en œuvre une ou plusieurs des quatre fonctions suivantes dites thermodynamiques : - refroidissement - chauffage - humidification - déshumidification En plus de ces fonctions, il peut s’ajouter deux fonctions non-thermodynamiques : (C’est à dire n’entraînant aucune modification de la température et de l’humidité) à savoir : - la filtration qui permet le contrôle de la qualité de l’air - la circulation de l’air. C’est le nombre de fonctions thermodynamiques assurées dans une installation qui va déterminer le type d’installation à savoir une installation de : - ventilation - climatisation - conditionnement d’air Le tableau 1 donne la classification des installations de Génie Climatique. Suivant la classification, une installation de ventilation est une installation qui assure une circulation d’air avec la possibilité ou pas d’assurer une seule fonction thermodynamique. A partir du moment où une installation assure en plus de la fonction de circulation d’air, qu’il y’ait filtration ou pas, au moins deux fonctions thermodynamiques, l’on est en présence d’une installation de climatisation ou de conditionnement d’air. Une telle installation englobe en elle-même une installation de ventilation. [email protected] 6 Technologie de Climatisation Tableau 1 Classification des installations de ventilation, de climatisation et de conditionnement d’air en fonction du nombre de fonctions thermodynamiques assurées Désignation de l’installation Fonction non thermodynamique de base1 Installation de ventilation Installation de climatisation ou de conditionnement d’air Ca Ca Ca Ca Ca Ca Ca Ca Ca Ca Ca Ca Ca Ca Ca Ca Fonctions thermodynamiques possibles Nombre Type2 Aucune Ch ou au R maximum H une seule D Ch, R Ch, H Deux Ch, D R, H R, D H, D Ch, R, H Trois Ch, R, D R, H, D Ch, H, D Quatre Ch, R, H, D Fonction non thermodynamique complémentaire possible3 F F F F F F F F F F F F F F F F 1/ Ca : Circulation d’air 2/ Ch : Chauffage, R : Refroidissement, H : Humidification, D : Déshumidification 3/ F : Filtration La distinction n’est pas toujours évidente entre une installation de climatisation et une installation de conditionnement d’air. Il sera retenu les définitions de A. RIO à savoir : La Climatisation désigne l’ensemble du traitement de l’air ayant pour but l’obtention d’une ambiance interne d’abord définie en température et humidité. Les conditions à obtenir dans les locaux par les installations doivent, toute l’année être favorables à la vie des occupants, leur santé, leur bien-être ou leur mieux-être. Pour les locaux du tertiaire, la climatisation est ainsi liée à la productivité du personnel ou à l’agrément des clients. Le Conditionnement d’air s’applique à l’industrie et vise l’élaboration d’un produit. Les conditions requises sont justifiées par le fonctionnement des machines où la qualité de la production. Le conditionnement de l’air exige souvent des résultats plus précis sur la température et l’humidité qu’en climatisation où les tolérances sont plus larges. On parle également de conditionnement d’air pour le tertiaire quand l’ambiance doit être contrôlée avec précision (groupes opératoires en milieu hospitalier, locaux informatiques...). 1. VOCABULAIRE DE BASE [email protected] 7 Technologie de Climatisation On distingue : - l’air soufflé (AS) qui est de l’air traité ou non qui pénètre dans le local, - l’air repris (AR) qui est l’air qui ressort du local après l’avoir traversé (air soufflé ayant perdu ses qualités), - l’air neuf (AN) qui est l’air en provenance de l’extérieur et qui est destiné à subir ou non un traitement avant d’être soufflé dans le local, il est préférable de parler d’air extérieur car ce dernier n’est pas toujours «neuf» au sens propre, - l’air recyclé (AC) qui est une partie de l’air repris qu’on ne renvoie pas à l’extérieur mais qui retourne à l’appareil de traitement d’air, - l’air rejeté (AJ) qui est la partie de l’air repris renvoyée à l’extérieur et qu’on ne souhaite pas recycler, - l’air mélangé (AM) est l’air résultant du mélange d’air neuf et d’air recyclé au niveau du matériel de traitement d’air. On distingue également les différents éléments constitutifs des appareils de traitement d’air : - FA : Filtre à air - PS : Piège à son - VE : Ventilateur - BF : Batterie de refroidissement - SG : Séparateur de gouttelettes - V : Volet de réglage Figure 1 Installation type de génie climatique [email protected] 8 Technologie de Climatisation 1. DIAGRAMME PSYCHROMETRIQUE En génie climatique, la notion d’air qu’il soit traité ou pas renvoie à la notion d’air humide qui résulte du mélange d’un air dit sec et de vapeur d’eau, ce mélange est considéré comme un gaz parfait et le diagramme psychrométrique ou diagramme de l’air humide permet de définir complètement l’état d’un air donné. Un point donné (état d’un air donné) sur le diagramme de l’air humide est défini par les grandeurs suivantes : - la température sèche est la température indiquée par un thermomètre ordinaire (° C) - la température humide est la température indiquée par un thermomètre dont le bulbe est recouvert par une mèche maintenue mouillée et exposée à un courant d’air (°C) - le point de rosée (température de rosée) est la température à laquelle la vapeur d’eau contenue dans l’air commence à se condenser, l'humidité spécifique étant constante (°C) - le degré hygrométrique (taux d’humidité ou humidité relative) est le rapport de la pression partielle de vapeur d’eau contenue dans l’air humide à la tension de vapeur saturante à la même température (%) - l’humidité spécifique (teneur en eau) est le rapport de la masse de vapeur d’eau contenue dans l’air humide sur la masse d’air sec (kG/kGAS) - le volume spécifique est le volume occupé par l’air humide dont la masse d’air sec est 1 kG (m3/kGAS) - l’enthalpie est la quantité de chaleur contenue dans l’air humide dont la masse d’air sec est 1 kG (kCal/kGAS ou kJ/kGAS) Les différentes grandeurs énoncées ci-dessus sont liées et la connaissance de deux d’entre elles permet de définir complètement l’état d’un point donné et par conséquent les autres grandeurs. Relations pour un mélange d’air En mélangeant un air à l’état 1 avec un air à l’état 2, on obtient un air à l’état 3. En représentant les points 1 et 2 sur le diagramme de l’air humide et en traçant la droite passant par les point 1 et 2, le point de mélange 3 se trouve sur cette droite. Etat de l’air 1 2 3 Débit massique (kG/s) q1 q2 q3 Température sèche (°C) Θ1 Θ2 Θ3 Enthalpie (kJ/kGAS) h1 h2 h3 Humidité spécifique (kG/kGAS) r1 r2 r3 Suivant les grandeurs du tableau ci-dessus, les relations suivantes peuvent s’écrire : q3 = q1 + q 2 h3 = [email protected] q1 ⋅ h1 + q 2 ⋅ h2 q3 r3 = q1 ⋅ r1 + q 2 ⋅ r 2 q3 θ3 = q1 ⋅ θ 1 + q 2 ⋅ θ 2 q3 9 Technologie de Climatisation Figure 2.1 Diagramme de l’air humide ou diagramme psychrométrique [email protected] 10 Technologie de Climatisation Figure 2.2 Diagramme de l’air humide ou diagramme psychrométrique [email protected] 11 Technologie de Climatisation 1. GENERALITES SUR LES INSTALLATIONS DE VENTILATION DEFINITION La ventilation peut être définie comme une circulation d’air ayant pour objet l’évacuation de l’air vicié, échauffé et pollué et son remplacement par une certaine quantité d’air neuf. La ventilation permet l’amélioration du cadre de vie ou de travail pour une meilleure productivité dans un souci de confort et d’hygiène sans cesse accru. OBJECTIFS Les objectifs des installations de ventilation sont : - L’apport d’air neuf La ventilation mécanique est apparue en même temps que la climatisation, il fallait trouver un moyen pour distribuer la fraîcheur créée à tous les occupants. La ventilation mécanique pouvait assurer la distribution de l’air dans toutes les pièces indépendamment des conditions extérieures de vent et de température. La nécessité de la ventilation mécanique a été confirmée par les exigences des nouvelles formes architecturales des bâtiments. La première raison pour ventiler, c’est le renouvellement de l’air car les occupants en ont un réel besoin. - La filtration des poussières A l’époque de la ventilation naturelle, l’air extérieur ne pouvait pas être filtré. La pollution extérieure, celle de la rue, celle de la combustion, celles des industries environnantes et celle générée par la nature elle-même (pollen, micro-organismes) était introduite dans l’édifice. Les occupants devaient s’en accommoder car il n y avait aucun moyen de l’éliminer. La poussière générée à l’intérieur ne pouvait pas non plus être filtrée et demeurait sur place. La ventilation mécanique a permis l’ajout de filtre capable de réduire la quantité de poussière circulée dans le bâtiment. Les filtres grâce à leur emplacement peuvent réduire la quantité de poussières venant de l’extérieur et même celle produite à l’intérieur par les occupants eux-mêmes et ils jouent le même rôle pour réduire la quantité de pollen ou de micro-organismes dans l’air. Cependant, la quantité de filtration de la plupart des systèmes de ventilation est tellement pauvre que les filtres ne jouent pratiquement aucun rôle bénéfique. Pour être efficace, le rendement des filtres doit être de plus de 35%. Pour atteindre ce rendement, il faut des filtres à sacs ou des filtres plissés à haut rendement. Aucun média plat ne peut prétendre atteindre cette efficacité. Le filtre protège la santé et le bien être des occupants en éliminant les poussières irritantes pour le système respiratoire et certains micro-organismes qui peuvent entraîner des malaises. Elle protège aussi l’efficacité des différents composants du système de ventilation en évitant d’obstruer les serpentins, d’encrasser les ventilateurs, les boîtes de détente et de salir les gaines, les diffuseurs et les plafonds. - L’humidification de l’air [email protected] 12 Technologie de Climatisation Les systèmes de ventilation naturelle ne permettaient pas toujours d’humidifier l’air. Les systèmes de ventilation mécanique vont permettre d’humidifier l’air, ce qui va contribuer à l’amélioration du confort des occupants ou à la création de conditions favorables à certains processus de fabrication. - La déshumidification de l’air Les systèmes de ventilation mécanique munis d’un serpentin de refroidissement déshumidifient l’air. Le fait de refroidir l’air fait condenser une partie de l’eau qu’il contient, ce qui a pour effet de la déshumidifier. On tentera de déshumidifier sans toutefois aller au-delà de ce qui est requis pour la climatisation. On procède alors à un sur-refroidissement de l’air suivi d’un réchauffage pour le rendre acceptable aux occupants. On ne devrait avoir recours à cette déshumidification à moins d’avoir un besoin spécifique d’air de très faible niveau d’humidité. Ce procédé est coûteux car il implique un refroidissement et un chauffage de l’air simultanément. Il existe d’autres moyens de déshumidification faisant appel aux propriétés physiques d’absorbant liquide ou d’adsorbant solide. - Le réchauffage de l’air Le système de ventilation mécanique peut être utilisé pour chauffer un bâtiment, ce n’est habituellement pas le cas dans nos zones où règne un climat tropical. - Le refroidissement de l’air Après le renouvellement d’air, la principale fonction du système de ventilation mécanique est l'approvisionnement en air frais. Il faut se rappeler que le besoin de pulser de l’air refroidi fut à l’origine même des systèmes de ventilation. - L’évacuation des gaz nocifs Pour permettre l’introduction d’air neuf dans les immeubles, il est nécessaire d’en extraire une certaine quantité. Les édifices où l’on retrouve des salles de toilettes, de l’entreposage, des cuisines, des stationnements intérieurs ou des salles mécaniques nécessitent des évacuateurs afin d’évacuer l’air vicié par les occupants et les procédés. Les gaz nocifs tels sue le CO2, le CO, les volatiles organiques, les vapeurs de peinture et de colle que l’on retrouve dans les mobiliers de bureaux neufs peuvent causer des problèmes lorsqu’ils sont en grande quantité. En introduisant une partie d’air frais, les contaminants sont dilués et leurs concentrations sont ramenées à des niveaux acceptables. [email protected] 13 Technologie de Climatisation LA PRESSION DANS LES BATIMENTS 1.1.1 Equilibre des pressions L’équilibre des pressions est atteint lorsque la pression d’air extérieur est égale à la pression interne. Cet équilibre s’appelle aussi pression neutre. Pour l’obtenir, l’évacuation d’air doit être égale à l’admission d’air neuf. Cependant, la force du vent qui varie considérablement sur un édifice peut déséquilibrer les pressions internes surtout lorsque les ouvertures sont grandes (par exemple les portes du hall d’entrée d’un grand bâtiment). Les bureaux sont généralement maintenus à pression positive ou en surpression. Il est important de savoir qu’une pression positive provoque des exfiltrations d’air par les murs tandis qu’une pression négative provoque des infiltrations d’air. 1.1.2 Locaux à pression positive Certains locaux peuvent nécessiter une pression légèrement positive afin d’empêcher l’air des locaux adjacents de pénétrer dans le local desservi. Dans les salles informatiques par exemple, il faut minimiser l’entrée des poussières et préserver une humidité relative constante. On rencontre aussi les systèmes à pression positive dans les cafétérias, les restaurants pour permettre de renouveler l’air évacué dans les cuisines et empêcher les odeurs de cuisson de se répandre. La pression positive s’obtient en admettant plus d’air neuf qu’on en rejette. 1.1.3 Locaux à pression négative Dans certains locaux, on aura plutôt tendance à avoir une pression légèrement négative de manière à favoriser l’évacuation de l’air du local qui est vicié (toilettes par exemple) et empêcher cet air de polluer les locaux adjacents. La pression négative s’obtient en évacuant plus d’air que ce qu’on admet. Figure 2 Pressions dans les bâtiments [email protected] 14 Technologie de Climatisation 1. DETERMINATION DES BESOINS EN AIR NEUF METHODES DE DETERMINATION L’évaluation des besoins d’air neuf dans un immeuble implique de connaître le nombre d’occupants, le type d’activité, le profil d’occupation, la réglementation et les normes à respecter. Il faut également pouvoir mesurer lorsque les ajustements sont déjà faits la quantité d’air neuf admise de façon à pouvoir la comparer avec les besoins réels et d’appliquer si nécessaire les correctifs (réglage des volets…) 1.1.4 Occupation du bâtiment Importance du profil d’occupation Il est rare qu’un immeuble soit entièrement occupé en tout temps. Les édifices de bureaux par exemple sont généralement occupés environ 60 heures par semaine. En dehors des périodes normales d’occupation, les systèmes de ventilation peuvent être arrêtés ou du moins l’ai neuf introduit dans ces systèmes peut être diminué. Toutes ces modifications aux conditions d’ambiance génèrent habituellement d’importantes économies d’énergie d’où l’importance d’établir l’horaire d’occupation de tous les espaces desservis par un système de ventilation. Cette information permet d’effectuer plus précisément les manœuvres suivantes : - adapter les quantités d’air admises au nombre réel d’occupants - ajuster les températures d’alimentation d’air en fonction des besoins réels de la zone - établir les horaires d’arrêt-départ d’un système - choisir l’horaire et la température de nuit (Night set back) - Choisir la température des locaux en fonction des saisons. Méthode de relevé d’occupation L’utilisation de formulaires préconçus permet d’accélérer la préparation des profils d’occupation. La connaissance de l’espace desservi par un système, les discussions avec le responsable du service concerné ou enfin l’énumération «à vue» du nombre d’occupants facilitent l’obtention de l’information requise : il s’agit de savoir combien de personnes occupent l’espace desservi aux différentes heures du jour et quels jours de la semaine. Si l’occupation du bâtiment est à peu près la même pendant plusieurs jours de la semaine, on regroupe tous ces jours en un seul jour qu’on appellera « JOUR TYPE ». Aussi dans la plupart des édifices, un premier « JOUR TYPE » peut représenter tous les jours de la semaine et un second les deux jours de la fin de la semaine. [email protected] 15 Technologie de Climatisation 1.1.5 Importance de l’air neuf sur le coût de l’énergie Refroidir, déshumidifier et éventuellement chauffer l’air introduit dans un immeuble constitue une des charges énergétiques les plus importantes du bâtiment. Cette constatation doit inciter à minimiser l’air neuf introduit dans tous les systèmes de ventilation de l’édifice tout en respectant les normes. 1.1.6 Evaluation des besoins d’air neuf Les quantités d’air frais nécessaires aux occupants et aux divers procédés sont spécifiées dans des documents techniques ainsi que dans des règlements et codes de la construction. Règles à appliquer : En tout temps, il faut appliquer les règles suivantes pour l’ensemble du système de ventilation : - introduire la quantité minimale d’air extérieur recommandée par les règlements et normes en vigueur sur le territoire - Lorsque cela est possible (si la capacité des équipements de refroidissement et de déshumidification le permet) augmenter les quantités minimales d’air neuf pour s’approcher de la recommandation ASHRAE1 62-1989 (10L/s/personne). - Compenser l’air évacué par les différents évacuateurs en admettant une quantité équivalente d’air frais - S’assurer que dans tous les locaux, la concentration de CO2 (dioxyde de carbone) n’excède pas 850 ppm (parties par million). Ceci n’est pas un règlement mais une pratique courante. En introduisant 10L/s par personne, le taux de CO2 équivalent maintenu est inférieur à 850 ppm. La vérification du taux de CO2 est faite en analysant en période d’occupation, un échantillon de l’air. Lorsque les valeurs recommandées sont excédées, il faut accroître le taux de ventilation de l’espace desservi. Il existe aussi des sondes qui mesurent continuellement la concentration de CO2 et qui contrôlent les volets d’air neuf afin de préserver le confort peu importe le nombre d’occupants et de réduire au minimum les coûts liés au refroidissement de l’air neuf. Le contrôle des volets peut se faire directement ou par le biais d’une commande centralisée. Lorsque le taux de CO2 est contrôlé centralement, il est recommandé d’ajuster le point e contrôle à 600 ppm pour s’assurer que les locaux critiques n’excèdent pas 850 ppm. Il faut se rappeler que dans la majorité des systèmes de ventilation, les volets d’air neuf sont réglés au minimum car la température extérieure est très élevée, cependant suivant les saisons, des séquences de contrôle peuvent être mises en place pour moduler les volets. Ainsi, on retournerait au minimum d’air neuf lorsque la température extérieure sera supérieure à une consigne donné (la consigne de 20°C peut être adoptée dans certaines zones) afin d’éviter d’augmenter les coûts de refroidissement et de déshumidification de l’air frais. Pour toutes autres les conditions, le pourcentage d’air frais est supérieur au 1 minimum requis. 1 ASHRAE : American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers [email protected] 16 Technologie de Climatisation Exemples d’évaluation Exemple 1 Un système de ventilation de type volume constant, température variable dessert un immeuble à bureaux contenant 250 occupants durant l’horaire normal d’occupation, 10 occupants durant la période d’entretien ménager et 2 occupants (gardiens) durant le reste du temps sur une surface de 3 500 m². Les besoins d’air frais selon l’ASHRAE1 seront : Durant l’occupation : 250 personnes x 10 L/s par personne = 2 500 L/s En dehors de l’occupation : Entretien ménager : 10 personnes x 10 L/s par personne = 100 L/s Gardiennage : 2 personnes x 10 L/s par personne = 20 L/s La quantité d’air frais en période d’occupation, soit 2 500 L/s devra être fournie par le système de ventilation selon le calcul. En dehors de l’occupation, l’infiltration normale d’air extérieur dans l’immeuble fournira aisément la qualité d’air requise. Pour confirmer que l’apport d’air neuf est suffisant, il est possible d’installer des enregistreurs de CO2 dans les locaux et vérifier que le taux n’excède pas 850 ppm. Si les enregistrements sont faits à même le système de ventilation, il est préférable de maintenir environ 600 ppm compte tenu que la valeur lue est une moyenne et qu’il peut y avoir des écarts. Exemple 2 Un système de ventilation dessert un atelier d’une surface de 100 m² comportant une hotte d’évacuation ayant un débit de 1 400 L/s d’air. La hotte fonctionne de 6 h à 20 h du lundi au vendredi. Il y’a 6 occupants dans l’atelier durant le même horaire. Les besoins d’air frais seront : Remplacer l’évacuation : 1 400 L/s Satisfaire les besoins des occupants : 6 x 10 L/s par personne = 60 L/s La quantité d’air frais admise pour remplacer l’air évacué comble complètement les besoins des occupants. Pour conserver une pression neutre, il faudra introduire 1 400 L/s de 8 h à 20 h les jours de la semaine. En dehors de cette période, les quantités d’air évacué et d’air frais admis seront nulles. Cependant, afin d’éviter les problèmes causés par les odeurs résiduelles (cuisines ou salles de toilettes), il est parfois recommandé de faire démarrer les systèmes environ une heure avant l’arrivée des occupants. Pour les endroits où émanent des produits toxiques, il faudra faire fonctionner les évacuateurs du moins occasionnellement durant l’inoccupation à l’aide d’une minuterie. [email protected] 17 Technologie de Climatisation EXEMPLES DE FICHES DE RELEVES D’OCCUPATION Nombre Maximal – Occupants 250 Jour (s) Type (s) LUNDI AU VENDREDI Occupants 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 24 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 24 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 24 Heures Nombre Maximal – Occupants 250 Jour (s) Type (s) SAMEDI Occupants 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 Heures Nombre Maximal – Occupants 250 Jour (s) Type (s) DIMANCHE Occupants 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 Heures [email protected] 18 Technologie de Climatisation MESURE DE LA QUANTITE D’AIR NEUF ACTUELLE 1.1.7 Le système à 100% d’air neuf Méthode d’évaluation Pour établir la quantité d’air introduite, il est possible d’utiliser une ou plusieurs des techniques suivantes : - Lire l’information sur les plans et devis de l’immeuble. Cette méthode n’est pas fiable mais peut néanmoins servir de guide au début de l’étude - Utiliser un tube de PITOT (Matériel utilisé pour le calcul des débits) - Mesurer la vitesse de l’air dans le conduit et connaissant la section, on détermine le débit d’air qui y circule - Mesurer la vitesse de l’air à l’entrée ou à la sortie de la grille, la connaissance de la section libre de passage de cette grille (donnée par le constructeur ou estimée) permet de déterminer le débit d’air qui circule. Le système avec retour d’air et un débit d’air neuf constant Méthodes d’évaluation Pour établir la quantité d’air neuf introduite, il suffit d’utiliser la méthode suivante : - Prendre des lectures de température de l’air de retour après le ventilateur de retour (T1), celle de l’air frais à la prise d’air neuf (T2) et de l’air mélangé après la boîte de mélange (T3) (Voir figure 3) - La température de l’air de mélange doit être mesurée à plusieurs endroits ; une moyenne des lectures établira la température finale de calcul. Il est possible de mesurer la température à la sortie du ventilateur mais il faut soustraire de la lecture obtenue 2°C pour les systèmes à haute vitesse (généralement des conduites rondes) et 1°C pour les systèmes à basse vitesse (généralement les conduites rectangulaires). A partir des mesures des différentes températures T1, T2, T3 (°C) et du débit d’air total circulé désigné par Qac, le débit d’air neuf Qan peut être obtenue par la formule suivante : Qan = Qac ⋅ Pan (T 3 − T1) Pan = (T 2 − T1) Pan représente le pourcentage d’air neuf (ou d’air frais) par rapport au débit d’air total circulé. [email protected] Figure 3 Détermination du débit d’air neuf 19 Technologie de Climatisation LES SYSTEMES D’ALIMENTATION EN AIR NEUF 1.1.8 Le système à 100% d’air neuf Le système à 100% d’air neuf est utilisé pour compenser des évacuations d’air telles que les hottes de cuisine, les hottes de laboratoire et autres évacuations. Tout l’air admis provient de l’extérieur et est refroidi à la température du local. Ces systèmes sont souvent équipés de récupérateurs (au glycol, à plaques ou au réfrigérant) entre l’admission d’air frais et la sortie d’air vicié. Ce système introduit un volume d’air légèrement supérieur ou égal à celui évacué. Normalement, le ventilateur d’alimentation est asservi aux extracteurs. 1.1.9 L’ajustement des débits d’air neuf aux besoins réels Si la quantité d’air est insuffisante ou trop grande pour les besoins d’air neuf ou pour compenser l’air évacué, il est nécessaire de modifier la vitesse de rotation du ventilateur (changement de poulie…) ou bien de faire varier l'angle d'ouverture du volet d'admission d'air neuf. De nos jours, la variation électronique de la vitesse de rotation des ventilateurs permet d’apporter une solution plus élégante à cet ajustement. 1.1.10 Le système avec retour d’air et débit d’air neuf constants Ce système est souvent appelé « petit h ». La quantité d’air neuf introduite dans l ‘édifice est fonction de l’air évacué par les toilettes, les hottes de cuisine, etc. En maintenant une pression neutre (ou positive) dans le bâtiment, le système aspire par la prise d’air neuf la même quantité d’air que le débit des extracteurs. Plusieurs unités compactes de toit sont des systèmes à débit d’air neuf constant puisqu’elles possèdent uniquement un ventilateur d’alimentation. L’inconvénient de cet arrangement est que tout le refroidissement doit être fait de façon mécanique puisque le pourcentage d’air frais admis dans la boite de mélange est presque toujours constant (un volet de réglage du débit d’air neuf permet de varier le débit d’air admis si ncessaire). Figure 4 Schémas des différents types de systèmes d’air neuf [email protected] 20 Technologie de Climatisation 1. CLASSIFICATION DES INSTALLATIONS DE VENTILATION On distinguera principalement quatre types de ventilation mécanique : - la ventilation mécanique globale (VMG) - la ventilation mécanique ponctuelle (VMP) - la ventilation mécanique mixte (WMM) - la ventilation mécanique contrôlée (VMC) Il faut retenir que dans le langage courant, les types de ventilation énoncés ci-dessus sont souvent regroupés sous le vocable de VMC (ventilation Mécanique Contrôlée). VENTILATION MECANIQUE GLOBALE C’est une ventilation qui concerne tout le volume du local traité, on retiendra : - la ventilation simple flux par extraction seule - la ventilation simple flux par soufflage seule - la ventilation double flux par soufflage et reprise simultanés 1.1.11 La ventilation simple flux par extraction seule La ventilation simple flux par extraction seule consiste à aspirer l’air du local à l’aide d’un extracteur et à le rejeter à l’extérieur. L’air neuf pénétrant directement par les ouvrants ou venant des locaux contigus en passant sous les portes ou par des passages appropriés. Ce type d’installation met le local en légère dépression, on parle également de pression négative. Elle convient parfaitement pour éviter la propagation d’un air pollué et trouve son application dans la ventilation de petits locaux où l’air est fortement pollué par des gaz, des vapeurs, des odeurs ou encore lorsque la température est élevée. Exemples : ateliers, cuisine, toilettes, vestiaires Les principaux éléments d’une telle installation sont : - l’extracteur ou ventilateur de reprise - les conduits de reprise et de rejet - les grilles d’amenées d’air neuf (grilles de transfert, bas de portes) 1.1.12 La ventilation simple flux par soufflage seule Contrairement à l’installation précédente, une installation de ventilation par soufflage seul aspire l’air extérieur pour l’envoyer dans les locaux à ventiler, le surplus d’air s’écoulant vers les locaux contigus ou par des grilles de transfert ou encore par les inétanchéités des portes et fenêtres. Ce type d’installation met le local en surpression, ce qui évite la pénétration d’air indésirable. On parle également de pression positive. Cette installation équipera des locaux où la pollution est faible et où l’air pourra s’échapper facilement à l’extérieur ou dans les locaux adjacents par les portes, fenêtres et autres dispositifs de transfert. [email protected] 21 Technologie de Climatisation Les principaux éléments d’une telle installation sont : - le ventilateur de prise d’air - les conduits de prise d’air - les grilles de rejet d’air (grilles de transfert, inétanchéités des fenêtres et portes) 1.1.13 La ventilation double flux par soufflage et reprise simultanés C’est le système de ventilation le plus approprié pour presque tous les locaux (théâtres, salles de cinéma, restaurants, etc.) Il combine une installation de soufflage servant à l’apport d’air neuf et une installation de reprise servant à l’évacuation de l’air pollué. Il convient pour les installations de grand volume. Le contrôle exact des débits mis en œuvre permet suivant les besoins de mettre les locaux en légère surpression ou dépression. Lorsque le débit d’air extrait est supérieur débit d’air introduit, le local est en dépression (pression négative), dans le cas contraire, le local est en surpression (pression positive). Lorsque les débits d’air introduit et d’air extrait s’égalisent, le local est en pression neutre. Pour ces différents types de ventilation, outre le fait qu’il peut y avoir filtration ou pas, on peut avoir : - de la ventilation seule c’est-à-dire qu’aucun traitement thermodynamique de l’air - de la ventilation avec chauffage - de la ventilation avec rafraîchissement ou refroidissement - de la ventilation avec humidification - de la ventilation avec déshumidification - de la ventilation avec désodorisant Figure 5 Ventilation Mécanique Globale [email protected] 22 Technologie de Climatisation VENTILATION MECANIQUE PONCTUELLE Dans certains locaux l’air peut être pollué globalement alors que la source de pollution est très ponctuelle (ex : poste de soudage dans un atelier). Dans ce cas de figure, il est plus judicieux de procéder à une ventilation mécanique ponctuelle c’est-à-dire aspirer les fumées émises pratiquement au niveau de leur point de formation avant qu’elles ne se répandent dans le volume du local. Ce dispositif permet de réduire considérablement les dispositifs à mettre en œuvre pour assurer une ventilation efficace de tout le local. Des exemples comme la ventilation de process ou les hottes de cuisine mettent en exergue la VMP (Ventilation Mécanique Ponctuelle). VENTILATION MECANIQUE MIXTE Une ventilation mécanique mixte est un système de ventilation double faisant appel pour un même local à un système de ventilation mécanique globale et un ou plusieurs systèmes de ventilation mécanique ponctuelle. Les laboratoires en sont une illustration parfaite. Dans celles-ci, les produits peu toxiques se répandent dans l’ambiance du local et une VMG (ventilation mécanique globale) est nécessaire. Les produits toxiques dont les vapeurs ne doivent pas être inhalées en aucun cas font appel à un système de captation à la source qu’est la VMP (ventilation mécanique ponctuelle). VENTILATION MECANIQUE CONTROLEE Dans les installations où le ventilateur ou l’extracteur est en position plus ou moins centrale et aspirant l’air en provenance de différentes pièces, on parle de VMC. L’exemple le plus représentatif est la mise en œuvre d’un extracteur en toiture qui aspire l’air en provenance de tous les WC ou une partie des WC d’un immeuble par l’intermédiaire de bouches d’extraction et de conduits d’air. [email protected] 23 Technologie de Climatisation Figure 6 Ventilations Mécaniques Ponctuelle et Mixte Figure 7 Ventilation Mécanique Contrôlée [email protected] 24 Technologie de Climatisation 1. MATERIEL DE VENTILATION MATERIELS DE VENTILATION NATURELLE Pour ce type de ventilation, on citera les grilles placées en partie basse pour l’amenée d’air et placées en partie haute pour l’extraction. Il existe également des dispositifs placés en partie haute des menuiseries pour l’amenée d’air. Ces dispositifs sont appelés entrées d’air auto-réglable et sont utilisés pour la ventilation naturelle de pièces de logement. MATERIELS DE VENTILATION MECANIQUE 1.1.14 Entrées d'air dans le local Les entrées d’air sont généralement effectuées par des dispositifs placés sur une paroi extérieure. Pour les logements, ces entrées d’air peuvent être du même type que ceux utilisés en ventilation naturelle (entrée d’air autoréglable) lorsqu’il s’agit d’une ventilation seule. A part ce cas de figure, les prises d’air s’effectuent généralement par des grilles. Ces grilles se rencontrent sur plusieurs présentations (aluminium, acier, matériau composite...), sur plusieurs formes (rectangulaire, circulaire...) et recouvrent différentes tailles suivant l’application. Il faut noter que le ventilateur ou extracteur lui-même peut servir dans certains cas du dispositif d’amenée d’air. Figure 8 Entrées d’air 1.1.15 Sorties d'air dans le local Dans une installation de VMC (ventilation mécanique contrôlée), les sorties d’air appelées bouches d’extraction regroupent : - les bouches simples (réglage manuel) - les bouches autoréglables (le débit de soufflage est constant dans une plage de pression) - les bouches hygrorégulées (adaptation du débit d’air en fonction de l’humidité de la pièce) Pour les autres types de ventilation, les organes cités ci-dessus peuvent être rencontrés. Les grilles décrites précédemment pour les entrées d’air peuvent également servir de sorties d’air. Il faut noter que le ventilateur ou extracteur lui-même peut servir dans certains cas du dispositif de sortie d’air. [email protected] 25 Technologie de Climatisation Figure 9 Grilles de prise/rejet d’air 1.1.16 Matériels de soufflage ou d'extraction Ces matériels sont variés et sont conçus chacun pour des applications spécifiques et les contaminants les plus fréquents sont : - les gaz odorants (salle de toilette, entrepôt) la fumée (salle de conférence, atelier de soudure) les odeurs de cuisson (cuisine) le monoxyde de carbone (garage) le dioxyde de carbone (bureau) les solvants (cabine de peinture) l’air contenant trop d’humidité ou chauffé à une trop haute température (chaufferie, salle électrique) doit être également évacué. Les composants d’un système d’évacuation sont : - un ou des ventilateur (s) d’évacuation des conduites d’air et des grilles des hottes situées le plus près possible de la source de contamination pour aspirer l’air contaminé des composants permettant de contrôler le fonctionnement du ventilateur et des accessoires (minuterie, détecteur CO, thermostat, volet motorisé). Toutes ces composantes doivent être considérées comme faisant partie intégrante du système de ventilation même si bien souvent, aucun lien physique ne les relie dans les séquences de contrôle. La mise en marche du système d’évacuation influence toujours l’équilibre des pressions du local desservi. Comme il a été vu au paragraphe 5.3, si les pressions ne sont pas équilibrées correctement, en plus des accrus de refroidissement dû à l’infiltration d’air, des problèmes d’inconfort de toutes sortes se manifestent très tôt. [email protected] 26 Technologie de Climatisation On rencontre généralement : - Les ventilateurs muraux Ce sont des ventilateurs installés sur une des parois du local à ventiler. - Les groupes et caissons d’extraction Dans les installations de ventilation simple, l’extraction s’effectue au moyen d’un caisson (ou groupe) d’extraction lorsqu’il est prévu plusieurs salles de bain, un tel dispositif est généralement placé en combles. Dans le cas de VMC d’immeuble (toilettes, locaux techniques…), il est prévu en général un caisson d’extraction placé à l’extérieur sur une toiture-terrasse. - Tourelles de toiture Les tourelles sont placées à l’extérieur sur une toiture et sont assurent la ventilation par extraction d’un local de plus ou moins grandes dimensions. - Extracteurs – hottes de cuisine Dans une cuisine, la captation de la vapeur d’eau et des fumées nécessite la mise en œuvre d’un dispositif appelé hotte positionnée au-dessus du plan de cuisine. C’est un dispositif capable d’extraire les fumées et vapeurs avant qu’elles ne se propagent dans tout le local. - Extracteurs de fumées Ils sont utilisés pou répondre aux normes de Sécurité Incendie dans certains établissements tels les ERP (Etablissements Recevant du Public) et les IGH (Immeubles de Grande Hauteur). Ils sont aussi appelés ventilateurs de désenfumage. Ce sont des appareils agréés 400°C/2 heures c’est-à-dire qu’ils peuvent évacuer des fumées à 400°C pendant 2 heures. - Ventilateurs - extracteurs pour ambiances agressive et corrosive Dans certains locaux, le ventilateur doit évacuer des gaz ammoniacaux et sulfuriques, les ventilateurs sont conçus pour s’adapter au passage de ces substances agressives. Dans les locaux industriels, il y’a dégagement quelques fois de gaz agressifs et corrosifs, dans ce cas de figure il existe égalent du matériel spécifique pour s’adapter à ces gaz. Ces ventilateurs sont généralement en polypropylène. - Ventilateurs - extracteurs antidéflagrants L’atmosphère d’un local peut être rendue explosible par la composition de certains gaz dégagés dans le dit local. L’extraction d’un tel air fait appel à un ventilateur antidéflagrant afin d’éviter tout risque d’explosion. Figure 10 Ventilateurs - Extracteurs [email protected] 27 Technologie de Climatisation 1. COMPOSANTS SPECIFIQUES DES INSTALLATIONS LES VENTILATEURS 1.1.17 Généralités Une installation de ventilation type est constituée des organes suivants : - le (les) ventilateur (s) et/ou le (les) extracteur (s) - un organe (éventuellement) assurant une fonction thermodynamique (chauffage, refroidissement, humidification ou déshumidification) - un ou des organes de filtration de l’air - les éléments terminaux (entrées et sorties d’air) qui sont des grilles de prise d’air extérieur, des grilles de rejet d’air, des grilles de transfert, des grilles de soufflage, des grilles de reprise, des bouches de soufflage et des bouches d’extraction. - les conduits ou gaines d’air par lesquels circulent l’air extérieur, l’air soufflé, l’air repris ou l’air vicié Un ventilateur est une turbomachine qui reçoit de l’énergie mécanique et l’utilise à l’aide d’une ou plusieurs roues à aubes de manière à entretenir un écoulement continu d’air ou d’un autre gaz qui le traverse. Un ventilateur peut avoir pour fonctions : - le brassage de l’air dans un local - la circulation de l’air dans un local - la circulation de l’air à travers un réseau de gaines On peut retenir 4 types de ventilateurs : - les ventilateurs centrifuges - les ventilateurs hélicoïdes (également appelés ventilateurs axiaux) - les ventilateurs hélico-centrifuges - les ventilateurs tangentiels La classification des ventilateurs suivant leur pression (ou gain de pression) est généralement utilisée. Ainsi, il est question de : - ventilateur basse pression ventilateur moyenne pression ventilateur haute pression Il faut cependant retenir que cette classification n’est pas standardisée, ainsi suivant la littérature, on retiendra : Tableau 2 Classification des ventilateurs Type Pression disponible du ventilateur Ventilateur Manuel Carrier Tome 2 Le Recknagel Tome 3 Basse Pression Jusqu’à 1 000 Pa Jusqu’à 700 Pa Moyenne Pression Entre 1 000 et 1 700 Pa Entre 700 et 3 000 Pa Haute Pression Entre 1 700 et 3 000 Pa Entre 3 000 et 30 000 Pa Dans le langage courant, lorsqu’on parle de ventilateur on sous-entend le ventilateur proprement dit et son moteur, il est plus précis de parler de moto-ventilateur. [email protected] 28 Technologie de Climatisation En parlant de ventilateur, il faut considérer que nous parlons de l’ensemble ventilateurmoteur. Les ventilateurs sont entraînés par des moteurs électriques suivant différentes possibilités. Les principaux types d’entraînement sont : - entraînement direct par fixation de la roue double sur le rotor du type extérieur du moteur - entraînement direct par calage de la roue du ventilateur sur l’arbre du moteur - entraînement direct par accouplement - entraînement par courroies Les ventilateurs peuvent être classés suivant leur gain total de pression (pression disponible pour un débit donné). La variation du débit d’un ventilateur peut être obtenue par différentes manières : - régulation à vitesse de rotation constante - régulation à vitesse de rotation variable Dans le premier cas de régulation, la variation du débit est obtenue par obturation plus ou moins partielle du circuit au moyen d’un registre ajustable ou par by-passage d’une partie de la veine d’air dans un tronçon en court-circuit entre la sortie du ventilateur et son entrée, un registre ajustable étant également utilisé à cet effet. Quant à la régulation à vitesse de rotation variable, elle s’obtient par : - variation mécanique au moyen d’un coupleur hydraulique ou électromagnétique (peu utilisé) - variation électronique par variation de la tension s’il s’agit d’un moteur à courant continu et par variation de la tension et de la fréquence pour les moteurs du type asynchrone. La variation électronique est plus souple d’utilisation et de nos jours, elle est la méthode la plus utilisée. 1.1.18 Les règles de similitude Les règles de similitude applicables aux ventilateurs (centrifuges et hélicoïdes) sont : - le débit volume varie comme la vitesse de rotation N et comme le cube du diamètre de roue D - le gain de pression varie comme le carré de la vitesse de rotation N et comme le carré du diamètre de la roue D - la puissance absorbée varie comme le cube de la vitesse de rotation N et comme la puissance cinq du diamètre de la roue D Autrement dit, lorsque la vitesse d’un ventilateur passe de la vitesse N1 à la vitesse N2 et en désignant par : Q1 et Q2 les débits respectifs du ventilateur aux vitesses N1 et N2 ∆P1 et ∆P2 les gains de pressions relatifs du ventilateur aux vitesses N1 et N2 P1 et P2 les puissances absorbées respectives par le moteur aux vitesses N1 et N2, on peut tirer les relations suivantes : 2 3 Q2 N 2 ∆P 2 N 2 P2 N2 = = = Q1 N1 ∆P1 N1 P1 N1 [email protected] 29 Technologie de Climatisation En considérant deux ventilateurs géométriquement semblables de tailles différentes et dont les diamètres de roues sont désignées par D1 et D2 et en désignant par : Q1 et Q2 les débits respectifs des ventilateurs de roues de diamètres D1 et D2 ∆P1 et ∆P2 les gains de pressions relatifs des ventilateurs de roues de diamètres D1 et D2 P1 et P2 les puissances absorbées respectives par les moteurs des ventilateurs de roues de diamètres D1 et D2 on peut tirer les relations suivantes : Q2 D2 = Q1 D1 3 ∆P 2 D2 = ∆P1 D1 2 P2 D2 = P1 D1 5 Deux ventilateurs sont réputés géométriquement semblables lorsque le rapport de leurs dimensions reste égal à un facteur constant. 1.1.19 Les ventilateurs centrifuges Pour ce type de ventilateur, l’air entre dans la roue avec une vitesse essentiellement axiale et en sort dans une direction sensiblement parallèle à un plan radial. 1.1.20 Les ventilateurs hélicoïdes Pour ces ventilateurs, l’air entre dans la roue et en sort sensiblement le long des surfaces cylindriques coaxiales au ventilateur. Ces ventilateurs sont également appelés ventilateurs axiaux. 1.1.21 Les ventilateurs hélico-centrifuges Ces ventilateurs sont un type intermédiaire entre les centrifuges et les hélicoïdes. La trajectoire du fluide dans la roue est intermédiaire entre celle relative aux ventilateurs centrifuges et celles relatives aux ventilateurs hélicoïdes Ces ventilateurs sont peu utilisés en Génie Climatique. 1.1.22 Les ventilateurs tangentiels La trajectoire du fluide dans ce type de ventilateur est sensiblement normale à l’axe aussi bien à l’entrée qu’à la sortie de la roue. Figure 11 Ventilateur- Axial - Ventilateur- Centrifuge – Ventilateur tangentiel [email protected] 30 Technologie de Climatisation 1.2 LES BATTERIES DE CHAUFFAGE Lorsque dans une installation du génie climatique, la température de l’air doit être portée à une température supérieure (à l’ambiance par exemple), il est fait appel à des batteries de chauffage. Il en existe deux types à savoir les batteries à eau ou à vapeur et les batteries électriques 1.2.1 Batteries à eau ou à vapeur Pour les batteries à eau ou à vapeur, on distinguera les batteries dans lesquelles circule de l’eau chaude, surchauffé ou de la vapeur d’eau et les échangeurs de chaleur permettant de transférer de la chaleur par exemple de la chaleur d’air extrait à de l’air neuf. Les batteries à chauffage à eau ou à vapeur sont réalisées à partir de tubes à ailettes. Une batterie à tube à ailettes se compose de tubes disposés les uns à côté des autres sur lesquels sont serties des ailettes, les tubes étant soudés à leur extrémité sur les collecteurs communs. L’air à traiter s’écoule perpendiculairement aux tubes (surface primaire) à travers les ailettes (surfaces secondaires). Une telle batterie est caractérisée par son coefficient global de transmission thermique global en W/m²°C, sa surface d’échange en m², ses pertes de charges sur l’eau et ses pertes de charges sur l’air Dans la pratique, on se réfère aux catalogues constructeurs qui donnent les puissances des batteries dans de conditions de fonctionnement précises ainsi que les pertes de charge correspondantes. 1.2.2 Batteries électriques Les batteries électriques sont constituées généralement d’un carter en tôle d’acier à l’intérieur duquel se trouvent les éléments chauffants électriques traversés par la veine d’air à réchauffer. A cause de la dépense énergétique importante, son utilisation n’est pas conseillée. Elle est réservée à des situations où le chauffage de l’air ne peut se faire autrement. Les éléments chauffants peuvent être soit des résistances nues en fil ou en bande, soit des éléments tubulaires en cuivre ou en acier. Dans la pratique, l’utilisation de ces résistances sera sujette aux précautions suivantes pour des raisons de sécurité : - mise en place de dispositif d’arrêt des résistances en cas d’arrêt ou de défaillance des ventilateurs - mise en place de temporisation à l’arrêt des ventilateurs - mise en place de thermostat de sécurité Les systèmes de régulation généralement utilisés sont : - la régulation en tout ou rien pour les faibles puissances - la régulation en cascade (par étages de la batterie) - la régulation électronique Figure 12 Batterie à eau chaude – Batterie électrique [email protected] 31 Technologie de Climatisation LES BATTERIES DE REFROIDISSEMENT On distinguera deux types de batteries de refroidissement à savoir les batteries à eau glacée et les batteries à fluide frigorigène. 1.2.3 Batteries à eau glacée Les batteries à eau glacée sont identiques du point de vue construction aux batteries de chauffage à eau ou à vapeur. Il faut retenir simplement que d’une manière générale, l’écart de température entre la température moyenne de l’eau dans la batterie et la température de l’air sortant de la même batterie est plus importante en mode chauffage qu’en mode refroidissement. Pour les batteries à eau glacée, il convient de faire une distinction entre les batteries sèches et les batteries humides. Une batterie est dite sèche lorsqu’elle assure le refroidissement de l’air sans séparation d’eau à l’inverse de la batterie humide qui assure le refroidissement avec séparation d’eau (déshumidification). Lorsque la température de l’eau descend en dessous de +4°C vers les températures négatives, il y’a risque de gel de l’eau dans la batterie et par suite détérioration de celle ci. Dans ces cas de figures, on ajoute des produits anti-gel tels que le sel et les glycols. Le mélange eau et sel appelé saumure a été longtemps utilisé mais est progressivement abandonné à cause de son effet corrosif sur les tuyauteries. Le mélange eau et glycol (corps possédant la fonction alcool) appelé eau glycolée est d’utilisation courante. 1.2.4 Batteries à fluide frigorigène Les batteries à fluide frigorigène sont réalisées sur la base de tubes à ailettes comme pour les batteries à eau. La température du fluide frigorigène dans la batterie reste constante pendant le refroidissement de la veine d’air, il passe de la phase liquide à la phase vapeur (évaporation). Dans le cas d’une batterie à eau, la température de l’eau va augmenter continuellement entre son point d’entrée et son point de sortie, cet échauffement étant du à la chaleur extraite de l’air à refroidir. La vaporisation du fluide frigorigène dans la batterie s’effectue grâce à la chaleur extraite de l’air à refroidir. C’est pourquoi le terme évaporateur est utilisé pour caractériser ce type de batterie. Figure 13 Terminaux à batterie à eau glacée et à batterie à fluide frigorigène LES FILTRES L’élimination de la plus grande partie des poussières présentes dans l’air traité est rendue nécessaire pour : [email protected] 32 Technologie de Climatisation - sauvegarder la santé des personnes - assurer le bon déroulement des process - sauvegarder les équipements Cette élimination est assurée par des filtres à air. Les filtres sont l’un des éléments constitutifs des appareils de conditionnement d’air mais il peut arriver qu’on les retrouve au niveau des réseaux de gaines. Un filtre à air est destiné à assurer la rétention des impuretés solides, liquides ou gazeuses contenues dans l’air soufflé ses installations de génie climatique. Ces impuretés sont constitués de particules de différentes origines et de dimensions comprises entre 0.001 et 500 microns. Un filtre peut être caractérisé par son rendement, sa perméance et son coefficient diviseur. Le rendement définit l’efficacité du filtre, la perméance donne la quantité de particules qu’il laisse passer d’amont en aval et le coefficient diviseur est le quotient du nombre de particules en amont du filtre par rapport à ce nombre en aval. En désignant par : • C1 : la concentration particulaire de l’air en amont du filtre • C2 : la concentration particulaire de l’air en aval du filtre • η: le rendement du filtre • P: la perméance du filtre • CD : le coefficient diviseur Les relations suivantes peuvent s’écrire : ( C1 − C 2) ⋅ 100 C 2 ⋅ 100 C1 η= P= = 100 − η CD = C1 C1 C2 La classification des filtres est faite en 3 catégories : • les filtres grossiers dont le rendement est moyen, ils sont destinés à des installations de ventilation générale (cf. tableau 3) • les filtres fins qui sont des filtres à rendement élevés, eux aussi sont destinés à des applications de ventilation générale (cf. tableau 3) • les filtres ultrafins ou filtres absolus sont des filtres à très haut rendement et sont destinés à des applications spéciales (salles propres). Ils se divisent en deux catégories à savoir les filtres à très haut rendement appelés filtres HEPA (High Efficiency Particulate Air) et les filtres à très faible pénétration ou filtres ULPA (Ultra Low Penetration Air) (cf. tableau 3) Les méthodes de test des filtres sont différentes suivant la catégorie de filtre : - filtres grossiers : méthode gravimétrique - filtres fins : méthode opacimétrique - filtres ultrafins : méthode des particules les plus pénétrantes (MPPS : Most Penetrating Particle Size) Un filtre devra toujours être accompagné de son rendement et de la méthode de test. De plus il ne faut pas comparer des rendements de filtres de catégories différentes. A l’état vierge, la perte de charge des différents filtres est à peu près la suivante : - filtres grossiers : 30 à 50 Pa - filtres fins : 50 à 150 Pa - filtres ultrafins : 100 à 250 Pa Ces valeurs sont données pour des vitesses d’air en amont de 2 à 3m/s. Après un certain temps de fonctionnement des équipements, le filtre va s’encrasser et sa perte de charge va augmenter. La perte de charge maximale qu’il est recommandé de ne pas dépasser est la suivante : - filtres grossiers : 200 à 300 Pa [email protected] 33 Technologie de Climatisation - filtres fins filtres ultrafins : 300 à 500 Pa : 1 000 à 1 500 Pa La perte de charge des filtres influe directement sur le ventilateur mis en oeuvre dans l’installation. Plus elle est élevée, plus le ventilateur consomme de l’énergie pour vaincre cette perte de charge. Le choix de l’ensemble ventilateur - filtre doit se faire sur la base de critères technico-économiques. Il existe différents types de filtres et ils peuvent être classés suivant différentes façons : - suivant le matériau (métalliques, fibres classiques, à charbon actif, fibres chargées, - électriquement, à bain d’huile) - suivant l’emplacement (verticaux, de conduit, muraux, plafonniers, terminaux « bouche de soufflage ») - suivant l’utilisation (une seule fois ou régénérable) - suivant la classe (tableau 3) - suivant le mode de fonctionnement (fixes, à déroulement, électro-filtres, automatiques) - suivant le type de construction (inclinés, ronds, à tambour, à déroulement automatique, à poches) 1.2.5 Les filtres métalliques Ce sont des media filtrant en laine d’acier fixé dans un cadre (permet de séparer les poussières ordinaires et capter le brouillard de peinture) les filtres en fibres Ce sont des media en fibres de verre ou synthétiques. (filtration la plus sommaire à la filtration absolue) 1.2.6 Les filtres au charbon actif Ce sont des media adsorbant très poreux en charbon. (Utilisés pour l’élimination des odeurs, des gaz et vapeurs d’origine industrielle et de gaz radioactifs) 1.2.7 Les filtres en fibres chargées électriquement Ce sont des sections d’ionisation composées de plaques chargées négativement entre lesquelles sont disposées des fils chargés positivement. Les particules chargées positivement vont se déposer sur les plaques chargées négativement. 1.2.8 Les filtres à bain d’huile La veine d’air traverse un courant d’huile spéciale capable de retenir les impuretés. L’huile est constamment régénérée pour garder ses qualités de captation d’impuretés. [email protected] 34 Technologie de Climatisation Tableau 3 Classification des filtres par classes Classification des filtres grossiers à rendement moyen Classe du filtre (groupe G) Rendement gravimétrique Classe correspondante de moyen Am (%) filtre d’après EUROVENT G1 Am < 65 EU 1 G2 65 <= Am < 80 EU 2 G3 80 <= Am < 90 EU 3 G4 90 <= Am EU 4 Classification des filtres fins à rendement élevé Classe du filtre (groupe F) Rendement opacimétrique Classe correspondante de moyen Em (%) filtre d’après EUROVENT F5 40 <= Em < 60 EU 5 F6 60 <= Em < 80 EU 6 F7 80 <= Em < 90 EU 7 F8 90 <= Em < 95 EU 8 F9 95 <= Em EU 9 Classification des filtres ultrafins à très haut rendement Classe du filtre (groupe Rendement minimal sur la Classe correspondante de HEPA) base des particules les filtre d’après EUROVENT plus difficiles à filtrer (test MPPS) en % H 10 85 EU 10 H 11 95 EU 11 H 12 99.5 EU 12 et EU 13 H 13 99.95 EU 14 H 14 99.995 EU 14 Classification des filtres ultrafins à très faible pénétration pour applications spéciales Classe du filtre (groupe Rendement minimal sur la Classe correspondante de ULPA) base des particules les filtre d’après EUROVENT plus difficiles à filtrer (test MPPS) en % U 15 99,9995 U 16 99,99995 U 17 99.999995 Figure 13 Filtres à air LES DESHUMIDIFICATEURS [email protected] 35 Technologie de Climatisation Les déshumidificateurs servent à diminuer l’humidité absolue de l’air d’un local par diminution de sa teneur en vapeur d’eau. Il existe principalement 3 méthodes de déshumidification : - par refroidissement, ce qui conduit à une séparation de l’eau - par absorption de l’eau par une substance hygroscopique - par adsorption de la vapeur d’eau (fixation par la surface d’un adsorbant solide) 1.2.9 Déshumidification par refroidissement La déshumidification par refroidissement s’opère au moyen d’un fluide suffisamment froid pour que l’eau se sépare de l’air. Suivant l’application, ce fluide peut être de l’eau du robinet, de l’eau glacée, de la saumure ou un fluide frigorigène. Pour qu’il y’ait séparation de l’eau, il suffit que la surface d’échange soit en dessous de la température de rosée de l’air, il n’est donc pas nécessaire de refroidir l’air jusqu’à sa température de rosée. 1.2.10 Déshumidification par absorption La déshumidification par absorption s’effectue par la dilution de la vapeur d’eau par une solution hygroscopique. L’absorption de la vapeur d’eau est d’autant plus importante que la teneur en vapeur d’eau de l’air est élevée et que la température est faible. La régénération du liquide hygroscopique pour éliminer l’humidité qu’il contient s’effectue par chauffage lequel est souvent déclenché automatiquement lorsqu’il y’a saturation. 1.2.11 Déshumidification par adsorption La déshumidification par adsorption repose sur l’adsorption de la vapeur d’eau par un adsorbant qui est généralement du gel de silice connu sous le nom de Silicagel. Au cours de ce phénomène, la chaleur de fixation de l’eau par le gel de silice et la chaleur de condensation se dégagent et entraînent une augmentation de la température de l’air. La régénération du gel de silice s’effectue par chauffage à la température de 150 à 200°C, après le refroidissement, l’adsorbant régénéré peut être utilisé pour un nouveau cycle. L’adsorption est un phénomène physico-chimique qui consiste à la fixation de molécules libres d’un gaz ou d’un liquide par la surface d’un corps qui est l’adsorbant. En mettant en contact un gaz avec un solide dégazé, une partie de la phase gazeuse disparaît : c’est la sorption. Les molécules de la phase gazeuse ont pu soit rester en surface (adsorption), soit pénétrer à l’intérieur du solide (absorption), soit subi les deux phénomènes à la fois. Figure 14 Déshumidificateurs par refroidissement / par adsorption [email protected] 36 Technologie de Climatisation LES HUMIDIFICATEURS Les humidificateurs servent à relever l’humidité absolue de l’air d’un local par augmentation de sa teneur en vapeur d’eau. Il existe principalement 2 méthodes d’injection de la vapeur d’eau : - injection directe d’eau sous forme de vapeur d’eau - injection indirecte sous forme d’eau liquide qui va se vaporiser très rapidement On distinguera principalement 3 types d’humidificateurs : - les humidificateurs émetteurs de vapeur - les humidificateurs émetteurs d’eau atomisée - les humidificateurs hybrides 1.2.12 Les humidificateurs émetteurs de vapeur Ces humidificateurs se divisent en 2 catégories à savoir : - les humidificateurs à évaporation - les humidificateurs à vapeur Les humidificateurs à évaporation reposent sur le phénomène du changement d’état de l’eau qui passe de l’état liquide à l’état vapeur, ce processus étant plus intense lorsque la température de l’air est élevée, que la circulation de l’air à la surface de l’eau est intense et que la surface de l’eau est importante. L’air ambiant se refroidit parce que l’énergie thermique nécessaire pour vaporiser l’eau est puisée dans l’ambiance. Les humidificateurs à vapeur reposent sur le principe de l’ébullition de l’eau (vaporisation par ébullition). Les bulles de vapeur apparaissant au sein du liquide lorsqu’on lui fournit assez d’énergie vont s’échapper du liquide et se mélanger intimement à l’air. Suivant que la vapeur d’eau est produite par l’humidificateur lui-même ou qu’elle est produite hors de celui-ci, on parlera d’humidificateur autonome ou d’humidificateur non autonome. Pour les humidificateurs autonomes, la source d’énergie pour la production de vapeur (eau portée à ébullition) peut se faire par l’utilisation de gaz ou l’électricité. Pour les humidificateurs non autonomes, la production de vapeur peu être assurée par une chaudière à vapeur par exemple. 1.2.13 Les humidificateurs injecteurs d’eau atomisée Les humidificateurs injecteurs d’eau atomisée permettent d’injecter dans l’air à humidifier de l’eau sous formes de particules (diamètres inférieurs à 20 µm) qui vont évoluer dans l’air. Leur déplacement dans l’air provoque leur vaporisation. L’énergie thermique étant puisée dans l’air, il y’aura donc un certain refroidissement dans le local. Il existe plusieurs centrifugation). méthodes [email protected] d’injection (gicleur, air comprimé, buse rotative, 37 Technologie de Climatisation Un des humidificateurs injecteurs les plus connus est l’humidificateur-laveur. Dans ce type d’humidificateur, l’air est mis en contact direct avec l’eau (échange chaleur et transfert de masse). L’eau est finement pulvérisée par des gicleurs en brouillard dans la veine d’air à humidifier. Cet humidificateur est souvent l’un des modules des centrales de traitement d’air, il alors composé d’une chambre e pulvérisation équipée d’une ou plusieurs rampes pulvérisation et d’un réservoir d’eau avec pompe. de un est de 1.2.14 Les humidificateurs hybrides Les humidificateurs hybrides utilisent les deux techniques d’humidification à savoir la pulvérisation d’eau atomisée et l’évaporation. Cette association permet d’obtenir une humidification performante et de haute qualité hygiénique. Figure 15 Humidificateurs à évaporation / à vapeur [email protected] 38 Technologie de Climatisation 1. DISTRIBUTION DE L’AIR DANS LES INSTALLATIONS GENERALITES La distribution de l’air occupe une place prépondérante dans les installations du génie climatique, cette distribution s’effectue par les réseaux de gaines qui véhiculent l’air depuis l’appareil de traitement jusqu’au local à traiter. Ces réseaux servent également à la reprise de l’air vicié dans le local traité pour le ramener à l’appareil de traitement ou le rejeter à l’extérieur. LES DIFFERENTS TYPES DE RESEAUX DE DISTRIBUTION D’AIR Les différents types de réseaux de distribution d’air peuvent être classés suivant : - la nature du matériau utilisé (métallique, à base de plâtre ou d’autres matériaux) - la forme du réseau de distribution (circulaire, rectangulaire, ovale) - la vitesse de l’air circulant dans le réseau (grandes vitesses et petites vitesses) - l’isolation du réseau (réseau isolé ou pas) - la nature du réseau (conduits rigides ou flexibles). Suivant la nature du matériau utilisé pour la confection des gaines, on peut citer : - Les conduits en tôle (gaines métalliques) - Les conduits en panneaux à base de plâtre - Les conduits en panneaux à base de polyuréthane - Les conduits en panneaux à base de fibres de verre (fib-air) - Les conduits en fibrociment - Les conduits en maçonnerie et béton - Les conduits «flexibles» en matière plastique (polychlorure de vinyle et polyéthylène) - Les conduits diffusants en textile 1.2.15 Les conduits en tôle Les conduits en tôle couramment appelées gaines métalliques peuvent réalisées en : - tôle acier galvanisé (le cas le plus courant) - tôle d’acier noir (un revêtement spécial est alors indispensable) - tôle d’aluminium (applications spéciales) Figure 16 Gaine spirale et accessoires Les conduits en tôle peuvent se retrouver sous la forme : - de gaines circulaires spiralées (diamètres normalisés) - de gaines rondes - de gaines rectangulaires - de gaines ovalisées (applications spéciales) [email protected] 39 Technologie de Climatisation 1.2.16 Les conduits en panneaux à base de plâtre Les conduits en panneaux à base de plâtre communément appelés gaines staff se distinguent sous deux formes : - les gaines non isolées en staff (plaques de plâtre) - les gaines isolées en staff (plaques de polystyrène prises en sandwich par des plaques de plâtre) Ces conduits présentent un bon rapport qualité/prix par rapport aux gaines en tôle et la fabrication est complètement locale. 1.2.17 Les conduits en panneaux à base d’autres matériaux Les conduits de ce type généralement rencontrés sont les suivants : - Les conduits en panneaux à base de polyuréthane - Les conduits en panneaux à base de fibres minérales (fib-air) - Les conduits en fibrociment - Les conduits en maçonnerie et béton - Les conduits en matière plastique (polychlorure de vinyle et polyéthylène) Les conduits en polyuréthane présentent de bonnes propriétés d’isolation thermique et ont la particularité d’être légers par rapport aux gaines en tôle. Les conduits en fib-air ont connu un grand essor mais leur utilisation est progressivement abandonnée à cause de leur mauvais vieillissement. Les conduits en fibrociment (ne contenant pas de l’amiante) permettent de réaliser des conduits aérauliques et des pièces singulières de toutes dimensions, l’épaisseur du fibrociment va de 7 à 12 mm suivant les dimensions des conduits. Les conduits maçonnerie et béton peuvent sont souvent utilisés pour les gaines verticales et/ou pour des conduits de très grandes dimensions. Les conduits en matière plastique (polychlorure de vinyle et polyéthylène) sont réservées en générales pour des applications spéciales telles que les industries chimiques. Il faut noter que ces conduits résistent bien aux agressions de presque tous les gaz et vapeurs mais suivant le matériau de base, elles ne résistent qu’à des températures de 60 à 80°C. Ces conduits présentent également l’inconvénient d’être fragilisés par le froid. 1.2.18 Les conduits diffusants en textile Les conduits diffusants en textile, souvent appelés conduits en textile technique sont utilisés uniquement pour le soufflage d’air. A l’utilisation (mise en marche de l’appareil de traitement d’air), le conduit est gonflé, donc en pression pour permettre le transfert et la diffusion correcte de l’air. Les matériaux généralement utilisés sont des composites à base de polyester, de propylène, de fibre de verre, d’enduits PVC et autres. Leur section peut être circulaire, demi-circulaire ou encore quart-circulaire [email protected] 40 Technologie de Climatisation 1.2.19 Les conduits flexibles Les conduits flexibles sont utilisés depuis longtemps pour les conduits d’extraction mais ils sont de plus en plus employés dans les installations de climatisation et de conditionnement d’air. Il faut noter que leur utilisation dans le domaine de la climatisation et du conditionnement d’air reste soumise à certaines règles telles que des longueurs maximales de tronçon droit à ne pas dépasser. Par contre ces conduits conviennent parfaitement aux raccordements des terminaux sur un réseau. Ces conduits se retrouvent sous les formes suivantes : - les conduits métalliques - les conduits en caoutchouc - les conduits en matière plastique - les conduits en fibre de verre Figure 17 Conduits flexibles 1.2.20 La classification des réseaux suivant la vitesse Les réseaux de gaines (soufflage et reprise) peuvent être classés en fonction de la vitesse de circulation de l’air à l’intérieur de ceux-ci. Il est à retenir deux types de réseaux : - Les réseaux BV (Basse Vitesse) ou Basse Pression (BP) La vitesse de l’air dans les conduits est limitée à 10 m/s (en général, on ne dépasse pas 7 m/s pour la climatisation de confort comme vitesse du conduit principal) - Les réseaux GV (Grande Vitesse) ou Haute Pression (HP) La vitesse de l’air dans les conduits est supérieure à 10 m/s. Les réseaux de reprise des installations Basse Vitesse et Grande Vitesse se calculent généralement en Basse Vitesse. Les réseaux GV trouvent leur utilité lorsque les dimensions des conduits d’air seraient très importantes si ils sont calculés en vitesse normale (Basse Vitesse). Le tracé des conduits à grande vitesse doit faire l’objet d’attentions particulières (qualité de l’étanchéité, manchettes de serrage, angles de dérivation, pièges à sons…) [email protected] 41 Technologie de Climatisation 1.2.21 L’isolation, l’étanchéité et l’hygiène des conduits Dans certains cas, les conduits seront isolés ou calorifugés dans le but de : - limiter les déperditions thermiques de l’air acheminé (isolation thermique) - éviter les phénomènes de condensation qui apparaissent chaque fois que la température superficielle autour de la gaine est inférieure à la température de rosée de l’air véhiculé - amortissement acoustique (isolation phonique) Les isolants les plus rencontrés sont : - la laine de verre - les matelas type armaflex - les plaques de polystyrène Suivant les cas, l’isolation peut être à l’intérieur du conduit ou à l’extérieur du conduit. Certaines gaines de par leur constitution sont des gaines isolées (gaines en polyuréthane, en fib-air, en staff isolé). Un accent particulier sera apporté aux systèmes d’accrochage et de jonction entre tronçons pour éviter les ponts thermiques, sources de phénomènes de condensation. Les gaines isolées placées à l’extérieur feront l’objet dans certains cas de protection mécanique, il faut noter que cette protection fait office d’étanchéité des gaines également. Les protections généralement rencontrées sont : - le revêtement isoxal (plaques ou rouleaux d’aluminium) pour les gaines tôle - le paxalumin dans le cas des gaines staff Un accent particulier sera apporté à l’étanchéité des réseaux. Un taux important de fuites peut avoir pour conséquences : - impossibilité d’avoir les conditions requises dans les locaux traités - bruits générés importants - dégradation de l’isolation - équilibrage des réseaux impossible - plus grande puissance absorbée par le ventilateur (surconsommation énergétique) Il existe des tests d’étanchéité des réseaux qui consiste à faire débiter un ventilateur dans le réseau près l’avoir obturé. Ce contrôle peut se faire : - de manière visuelle par l’utilisation de gaz fumigènes - par la mesure du débit de fuite pour la pression provoquées par le ventilateur L’hygiène des conduits aérauliques doit être assurée pour des raisons de santé des personnes fréquentant les locaux et pour des besoins de conditions nécessaires à certains processus. Les mesures qui peuvent être prises dans ce sens sont : - la mise en œuvre de filtres en amont des conduits - la mise en œuvre de trappes de visite pour faciliter l’accès aux conduits pour des besoins d’inspection et éventuellement de nettoyage - le maintien des surfaces intérieures des conduits propres depuis le montage jusqu’à la mise en route [email protected] 42 Technologie de Climatisation Il existe des méthodes d’hygiénisation des conduits qui consistent à des décrassements et éventuellement à des décontaminations. Ces opérations spécifiques sont effectuées après un diagnostic des conduits. 1.2.22 Notions diverses sur les gaines Coefficient de forme Pour une gaine rectangulaire, le coefficient de forme se définit comme le rapport du côté le plus grand sur le côté le plus petit. Pour une gaine donnée, ce rapport doit être au plus égal à 4 (c <=4). Pour une section de gaine donnée et pour un même débit véhiculé, lorsque le facteur de forme augmente, les éléments suivants augmentent également : - les PDC (pertes de charge linéiques) - le poids de la gaine - la surface de la gaine - les apports calorifiques au niveau de la gaine Dans la mesure du possible, le choix des gaines sera porté sur porté sur ceux qui un coefficient de forme proche de 1. Diamètre équivalent L’utilisation des abaques repose sur la notion de diamètre équivalent. Il existe deux types à savoir le diamètre équivalent pour une même vitesse (diamètre hydraulique) et le diamètre équivalent pour un même débit. Le diamètre hydraulique est le diamètre d’un conduit circulaire qui crée la même perte de charge que le conduit rectangulaire pour la même vitesse d’air. Le diamètre équivalent pour un même débit est le diamètre d’un conduit circulaire qui crée la même perte de charge que le conduit rectangulaire pour le même débit d’air. En conditionnement d’air, il est fait surtout appel au diamètre équivalent pour le même débit. En désignant par a et b les côtés du conduit rectangulaire, les diamètres équivalents sont donnés par les formules suivantes : Diamètres Equivalents Pour une même vitesse Pour un même débit (Diamètre hydraulique) (Diamètre utilisé en conditionnement d’air) 0. 2 (2 ⋅ a ⋅ b) a 3 .b 3 dh = deq = 1.265 ⋅ ( a + b) ( a + b ) [email protected] 43 Technologie de Climatisation DIMENSIONNEMENT DES RESEAUX DE GAINES Il existe principalement 3 méthodes de dimensionnement que sont : - la méthode de la réduction arbitraire de la vitesse la méthode des pertes de charges linéaires constantes la méthode des gains de pression statique Pour tout réseau, le tracé devra être le plus simple possible et le plus symétrique possible. La méthode des pertes de charges linéaires constantes demeure la méthode la plus utilisée en climatisation et en conditionnement d’air. 1.2.23 Méthode de la réduction arbitraire de la vitesse Cette méthode consiste à fixer une vitesse au départ du ventilateur, cette vitesse est ensuite réduite de façon arbitraire d’un tronçon à l’autre. Les diamètres équivalents sont obtenus à partir des courbes qui indiquent les diamètres en fonction de la vitesse et du débit. S’il y a lieu, les diamètres équivalents permettent de choisir les dimensions des gaines rectangulaires. La perte de charge totale du réseau de soufflage est celle donnée par le circuit présentant la plus grande longueur équivalente (et non forcement le circuit le plus long). Il est nécessaire de prévoir des registres de réglage (équilibrage) pour la mise au point du réseau. Cette méthode n’est pas conseillée car elle suppose une grande expérience du calcul des gaines pour obtenir un équilibrage acceptable. Les vitesses de départ sont données en dans la table 7 en annexes. Les diamètres équivalents peuvent être obtenus d’après les courbes N°7 en annexes. La table 6 en annexes permet de déterminer les dimensions de la gaine rectangulaire connaissant les diamètres équivalents. Les pertes de charge particulières peuvent être déterminées à l’aide des tables 11 et 12 en annexes. 1.2.24 Méthode des pertes de charge linéaires constantes Cette méthode consiste à fixer une vitesse au départ du ventilateur (table 7 en annexes). Il en découle une perte de charge (PDC) et un diamètre équivalent suivant le débit de base (courbes N°7 en annexes). Cette perte de charge sera considérée constante pour l’ensemble du réseau. Connaissant les débits des différents tronçons, cette PDC permet de choisir les diamètres équivalents correspondants et s’il y’a lieu les dimensions des gaines rectangulaires à l’aide des courbes appropriées. Pour aller plus vite, on peut utiliser la table 13 (annexes) au lieu des courbes N°7. La table 13 donne les sections équivalentes des gaines. A partir de celles-ci, la table 6 permet de déterminer les dimensions de la gaine rectangulaire. [email protected] 44 Technologie de Climatisation La vitesse de l’air est automatiquement réduite dans le sens de l’écoulement de l’air suivant cette méthode (soufflage). Il est nécessaire de prévoir des registres de réglage (équilibrage) pour la mise au point du réseau. Cette méthode s’applique aux réseaux de soufflage, de reprise ou d’extraction. Il est fait usage de la règle à calcul qui permet un dimensionnement des réseaux de gaines, le principe de cette règle est basé sur la méthode des pertes de charge linéaires constantes. La perte de charge totale du réseau de soufflage est celle donnée par le circuit présentant la plus grande longueur équivalente (pas forcement le circuit le plus long). 1.2.25 Méthode des gains de pression statique Cette méthode consiste à dimensionner chaque tronçon de telle manière que l’augmentation de la pression statique due à la diminution de la vitesse après chaque piquage compense exactement sa pression statique. La pression statique reste la même à chaque piquage. En se fixant une vitesse au départ du ventilateur (table 7) et connaissant le débit de départ, on détermine les dimensions du tronçon principal (table 6). Les tronçons suivants sont dimensionnés à l’aides des courbes N°10 (rapport L/Q) et 11 (gains de pression statique basse vitesse). Les courbes N°10 (annexes) permettent d’obtenir directement la valeur de (L/Q)0.61. L est la longueur équivalente entre les bouches ou piquages en tenant compte des coudes mais pas des changements de sections. L’influence de ces transformations a été prise en compte dans l’établissement des courbes N°11 (annexes). Les courbes N°11 permettent de déterminer la vitesse V2 à admettre dans le tronçon considéré connaissant le rapport L/Q et la vitesse V1 du tronçon précédent puis à l’aide du tableau 6 les dimensions de la gaine rectangulaire et son diamètre équivalent. Bien que dans cette méthode les différences entre les pressions statiques à l’entrée des piquages soient faibles, il est conseillé de prévoir des registres de réglage (équilibrage). La perte de charge totale que doit vaincre le ventilateur de soufflage est alors égale à la perte de charge du tronçon principal augmentée de la perte de charge de la bouche ou du diffuseur. Cette méthode conduit à des dimensions de gaines plus importantes que celles de la méthode des pertes de charge linéaires constantes (poids de tôle plus important d’environ 13%), cette différence est néanmoins compensée par la diminution du temps nécessaire à la mise au point et par la réduction des frais d’exploitation. [email protected] 45 Technologie de Climatisation LES ACCESSOIRES DES RESEAUX DE DISTRIBUTION D’AIR Les accessoires rencontrés sur les réseaux de gaines peuvent être regroupés comme suit : - les organes de dosage ou de réglage - les organes de surpression - les régulateurs de débit - les filtres - les pièges à sons (PAS) - les clapets coupe-feu (CCF) - les éléments terminaux de diffusion (ETD) 1.2.26 Les organes de réglage ou de dosage Ces organes sont installés sur les réseaux de gaines, ils ont pour rôle : - l’équilibrage des réseaux (c’est à dire la répartition des débits d’air dans les différents tronçons d’un réseau) - la fermeture totale ou modulée d’un tronçon de réseau Ils peuvent être à commandes manuelle, électrique ou pneumatique. Figure 16 Clapets de dosage Figure 17 Dispositif de commande / kit pressostat différentiel /kit manométrique 1.2.27 Les organes de surpression Ces organes sont installés dans les conduits d’air, ils permettent : - de maintenir de la surpression ou de la dépression d’un local par rapport à l’extérieure ou par rapport un autre local mitoyen - d'éviter l’entrée d’air extérieur dans les locaux en cas d’arrêt du ventilateur - la circulation dans un sens donné (volet anti-retour) [email protected] 46 Technologie de Climatisation 1.2.28 Les régulateurs de débit On distingue les régulateurs de débit d’air constant et les systèmes à volume d’air variable. Figure 18 Régulateurs de débit Régulateurs de débit d’air constant Ils sont généralement circulaires et de diamètres compris entre 80 mm et 250 mm, ils permettent de maintenir un débit nominal à la sortie quelles que soit les variations de pression en amont (plage de 80 à 700 Pa). Ils sont généralement calibrés en usine mais sur certains modèles, il est possible de régler ce débit sur place. Systèmes à volume d’air variable Ces systèmes ont pour but d’apporter dans chaque local ou dans chaque zone exactement la quantité d’air qui est nécessaire pour maintenir la température voulue. Ils sont montés sur les circuits terminaux de distribution et sont commandés par servomoteur (régulation électrique ou régulation électronique). 1.2.29 Les filtres Les conduits transportent de l’air qui peut contenir des particules en suspension (99% des particules ont une dimension inférieure à 1 µm). L’élimination de la plus grande partie de ces poussières est nécessaire pour sauvegarder les équipements et la santé des personnes et ce sont les filtres qui assurent cette fonction. Les filtres sont l’un des éléments constitutifs des appareils de conditionnement d’air mais il peut arriver qu’on les retrouve au niveau des réseaux de gaines. On retiendra la classification EUROVENT qui comprend 3 classes de filtres (EU1 EU14). Les niveaux de filtration sont les suivantes : - EU1 à EU4 : filtration moyenne efficacité - EU5 à EU9 : filtration haute efficacité - EU10 à EU14 : filtration très haute efficacité à Les niveaux de filtration suivants sont usuellement requis : - Air neuf : filtre minimal EU4 et mieux EU5 - Air recyclé : filtre minimal EU5 et mieux EU7 Dans le choix d’un filtre, une attention particulière sera apportée au débit d’air le traversant ainsi qu’à la perte de charge engendrée (cette PDC peut être élevée). [email protected] 47 Technologie de Climatisation 1.2.30 Les pièges à sons Il est recommandé des niveaux de pression acoustique suivant le type du local : Salle de réunion, bibliothèque : 30 à 40 dB (A) Bureau : 35 à 40 dB (A) Hall d’accueil : 40 à 50 dB (A) Supermarchés : 45 à 50 dB (A) Les pièges à sons (PAS) sont mis en œuvre dans les conduits de distribution d’air dans le but de respecter les niveaux de pression acoustique indiqués. Ces accessoires peuvent également être inclus à l’appareil de traitement de l’air. Certaines configurations de centrales de traitement d'air (CTA) intègrent des PAS. Les différents types de pièges à sons sont : - les silencieux cylindriques (avec ou sans noyaux) - les conduits acoustiques (souples ou semi-rigides) - les baffles acoustiques - les caissons rectangulaires acoustiques Figure 19 Pièges à sons 1.2.31 Les clapets coupe feu Les clapets coupe feu (CCF) sont mis en œuvre dans les conduits d’air pour rétablir la continuité du degré coupe feu d’une paroi en cas d’incendie (ERP, IGH, Industrie). Les systèmes de protection incendie sont destinés à préserver la sécurité des biens et des personnes suivant deux types d’actions préventives : - la protection passive (compartimentage) - la protection active (désenfumage) L’utilisation des CCF fait partie des mesures de protection passive. Les CCF sont montés scellés aux traversées des parois CF, il peut arriver que la limite de scellement soit affleurante au plan du mur dans certains ces de figures. Le dispositif de commande des CCF peut être : - auto-commandé (déclencheur thermique taré à 70°C) - auto-commandé + télécommande (bobine à émission ou à rupture) Le réarmement est manuel. En option, le CCF peut être équipé de réarmement à distance (électrique), de contact de DC (début de course), de contact de FC (fin de course) Figure 20 Clapets coupe feu [email protected] 48 Technologie de Climatisation 1.2.32 Les éléments terminaux de diffusion d’air Les éléments terminaux de diffusion d’air (ETD) constituent les accessoires finaux de la ligne de distribution de l’air. Ils assurent le soufflage de l’air traité dans le local à conditionner ainsi que la reprise de l’air vicié. Le choix d’un ETD repose sur la connaissance de certaines notions telles que la portée, la zone d’occupation, le rayon de diffusion et la méthode de diffusion. Une bonne diffusion doit assurer des vitesses et des températures optimales de l’air autour des occupants de façon à créer un confort maximum et à bien diluer les contaminants en suspension. Le bruit généré par la diffusion doit respecter les normes. Le type de diffusion d’air généralement retenu est celui à partir du plafond de la pièce. Ce mode de diffusion est très efficace en période de refroidissement puisque l’air froid à la sortie du diffuseur a tendance à tomber vers le sol. Par contre, en période de chauffage (cas rarement rencontré dans nos pays), la diffusion par le plafond n’est pas très efficace car l’air chaud s’accumule au plafond. Pour contourner ce problème, la projection s’opère en grande vitesse, ce qui incommode les occupants, le compromis accepté est l’utilisation d’un chauffage périmétrique jumelé à un système de traitement d’air alimentant à partir du plafond. La diffusion de l’air peut se faire par deux méthodes : - induction ou mélange ou dilution - déplacement ou substitution - induction ou mélange ou dilution L’air traité est introduit dans le local avec une vitesse initiale importante (de l’ordre de 2 m/s) qui crée le phénomène d’induction. L’air du local est attiré et entraîné par l’air traité auquel il se mélange. - déplacement ou substitution L’air traité est introduit dans le local avec une vitesse initiale faible (de l’ordre de 0.2m/s) et remplace en totalité l’air présent dans le local. La portée est la distance mesurée depuis l’ETD jusqu’à l’endroit ou la vitesse moyenne du jet d’air est tombé en dessous de 0.25m/s. La zone d’occupation est la zone qui couvre une hauteur de 1.80 m en partant du sol et qui s’arrête à 0.6 m des parois verticales. Le rayon maximal de diffusion est la surface maximale de la zone d’occupation qui peut être couverte par un ETD et dans laquelle on maintient une vitesse moyenne de 0.1 à 0.2m/s. Le rayon minimal de diffusion est la surface minimale de la zone d’occupation qui peut être couverte par un ETD et dans laquelle on maintient une vitesse moyenne de 0.1 à 0.25m/s. L’ effet Coanda est l’effet provoqué par le soufflage de l’air à partir d’un ETD proche d’une paroi (moins de 0.3m), le jet se plaque contre la paroi et a une portée plus grande. [email protected] 49 Technologie de Climatisation Figure 21 Eléments de diffusion d’air Figure 22 Diffusion d’air par substitution ou par déplacement La forme de l’ETD a une importance particulière dans sa fonction de distribution de l’air, ainsi un ETD ayant le plus grand périmètre pour une section et un débit identiques aura la portée la plus faible et l’induction la plus grande. [email protected] 50 Technologie de Climatisation Les ETD peuvent être regroupés comme suit : - les grilles de soufflage - les grilles de reprise - les grilles de sol - les grilles de transfert - les diffuseurs plafonniers circulaires - les diffuseurs plafonniers carrés - les diffuseurs à tôle perforée - les diffuseurs architecturaux - les diffuseurs linéaires - les diffuseurs grande portée - les diffuseurs à déplacement d’air - les grilles extérieures Dans certains cas, les ETD sont montés avec des plénums et des registres. Le plénum participe à la fixation de l’ETD. Le registre est un organe de réglage du débit de l’ETD Dans certains cas, la reprise peut être effectuée en vrac par des fentes aménagées dans le faux plafond (la section de ces fente devra être au moins égale à la section de soufflage). Figure 23 Eléments terminaux de diffusion [email protected] 51 Technologie de Climatisation 1. CALCUL DES INSTALLATIONS DE VENTILATION INSTALLATIONS DE VENTILATION SEULE Il existe plusieurs méthodes de calcul du volume d’air à extraire ou à introduire dans un temps donné pour un local donné. 1.2.33 Détermination sur la base du nombre de renouvellements par heure Cette méthode consiste à la détermination du débit d'air à extraire ou à introduire sur la base du nombre de renouvellements par heure en fonction du type de local. La quantité d’air à introduire ou à extraire est égale au nombre de renouvellements par heure multiplié par le volume de ce local. Les valeurs données dans le tableau 3 sont indicatives et ne peuvent pas se substituer à une réglementation. Tableau 4 Indication des taux de renouvellement suivant le type de local Type local NR / h Type local NR / h Atelier(en général) 3–6 Cantines 5 – 10 Atelier avec fours 30 – 60 Cinémas 5–8 Atelier de peinture 30 – 60 Conférences, salles 8 –12 de Atelier d’usinage 5 – 10 Cuisines 15 – 30 commerciales Atelier de soudure 15 – 30 Ecoles 2–4 Bars, café 10 – 12 Garages 6–8 Blanchisserie 15 – 30 Hall d’entrée 3–5 industrielle Bibliothèques 3–5 Restaurant 6 – 10 Bureaux 4–8 WC public 8 – 15 1.2.34 Détermination sur la base du débit nécessaire par personne Cette méthode consiste à la détermination du débit d'air à introduire sur la base du débit nécessaire par personne en fonction de l'utilisation du local. Le débit est obtenu par multiplication du nombre de personnes dans le local par le débit unitaire nécessaire par personne. Il s’agit d’indications donnant des valeurs minimales. Tableau 5 Indication des taux de renouvellement suivant le type de local Type activité ou nature du local Taux minimale par personne Activité normale 20 – 25 m3/h Activité normale avec autorisation de fumer 30 – 35 m3/h Activité physique léger 45 m3/h Atelier et autres locaux 60 m3/h 1.2.35 Détermination sur la base d'une concentration ambiante maximale Cette méthode consiste à la détermination du débit d'air à introduire sur la base d'une concentration ambiante maximale d'un polluant. [email protected] 52 Technologie de Climatisation Dans un local dans lequel il existe un polluant, il est possible de calculer le volume d’air neuf nécessaire pour diluer ce polluant de manière à ce que sa concentration ne dépasse pas la valeur maximale admissible pour des raisons de santé. En désignant par : Dpol :le débit du polluant spécifique en m3/h Cmax :la concentration maximale admissible en polluant spécifique dans le local en m3/m3 Can :la concentration éventuelle de l’air neuf en polluant spécifique Dpol D= en m3/m3 C max − Can Le débit d’air D (en m3/h) à introduire est obtenue par : SELECTION D’UN VENTILATEUR La sélection d’un ventilateur s’effectue principalement sur la base du débit volume voulu et de la pression désirée auxquels viennent s’ajouter un certain nombre de critères à savoir le niveau sonore, le prix, l’encombrement, la forme de la caractéristique, la sécurité, le rendement, etc. La détermination du débit a été donnée suivant les méthodes indiquées précédemment. La pression représente la résistance créée par les autres composants de l’installation : - les conduits d’air ou gaines - les singularités des conduits d’air (coudes par exemple) - les éléments terminaux (grilles, bouches) - les accessoires divers (filtres, volet de réglage, éventuellement une batterie) Cette pression s’exprime en Pascal (Pa) ou millimètre de colonne d’eau (mm C.E.); 10 Pa = 1 mm C.E. Figure 24 Courbe caractéristique d’un ventilateur CALCUL DES INSTALLATIONS AVEC REFROIDISSEMENT [email protected] 53 Technologie de Climatisation 1.2.36 Refroidissement avec batterie de refroidissement Dans ce cas de figure, il s’agit de ventiler le local de manière à limiter l’élévation de température consécutive à un échauffement donné dans le local. Les grandeurs à déterminer sont : - le débit du ventilateur D - la puissance de la batterie froide P Le débit du ventilateur s’obtient par la formule suivante D = P / (ρ x C x ∆T) avec En désignant par : - P : la puissance dissipée par les éléments produisant de la chaleur dans le local en kW (chaleur sensible) ; - ρ : la masse volumique de l’air (1.2 kG/m3) ; - C : la capacité thermique massique de l’air (1 kJ/kG°C) ; - ∆T : la différence de température entre les températures de l’air ambiant et de l’air soufflé ; Le débit du ventilateur (D en m3/s) s’obtient par la formule suivante : D= P ρ ⋅ C ⋅ ∆T La différence de température (∆T) en refroidissement se situe entre 5 et 12°C et dans les applications courantes, on admet un écart de 6 à 8°C. S’il est prévu des bouches avec un fort taux d’induction, l’écart peut aller de 10 à 12 °C. Lorsque les bouches de soufflage sont prévues au sol, l’écart ne doit pas dépasser 5°C. On vérifiera que le débit d’air obtenu est au moins égal au débit d’air minimal d’air neuf (cf. tableau 5) Quant à la détermination de la puissance de la batterie de refroidissement, elle peut être vue comme la combinaison de 3 sous batteries comme suit : - la première batterie (puissance P1) va servir à refroidir le mélange air neuf (air extérieur) et air recyclé à la température ambiante la seconde (puissance P2) va combattre la charge thermique du local la troisième (puissance P3) va vaincre la chaleur dégagée par le ventilateur La puissance de la batterie froide sera la somme des trois puissances décrites ci-dessus. [email protected] 54 Technologie de Climatisation En désignant par : - D ρ hm hamb hsouff ∆P ηvent : le débit du ventilateur en m3/s : la masse volumique de l’air (1.2 kG/m3) : l’enthalpie du mélange air neuf et air recyclé en kJ/kG : l’enthalpie de l’air ambiant en kJ/kG : l’enthalpie de l’air soufflé en kJ/kG : la perte de charge du ventilateur en Pa : le rendement du ventilateur Les puissances partielles P1, P2 et P3 ainsi que la puissance totale P (exprimées en kW) peuvent s’écrire comme suit : P1 = D ⋅ ρ ⋅ (hm − hamb ) P 2 = D ⋅ ρ ⋅ ( hamb − hsouf ) P = P1 + P 2 + P3 = D ⋅ ρ ⋅ ( hm − hsouf ) + D ⋅ ∆P 1000 ⋅ η vent P3 = D ⋅ ∆P 1000 ⋅ ηvent Le cas particulier d’une installation où l’admission d’air neuf se fait de manière naturelle (portes, ouvrants) conduit à prendre à compte la charge calorifique supplémentaire due à l’air neuf dans la charge thermique du local. La formule de la détermination de la puissance de la batterie froide devient : P = D ⋅ ρ ⋅ (hamb − hsouf ) + D ⋅ ∆P 1000 ⋅ η vent Lorsque la batterie froide est une batterie à eau glacée ; En désignant par : - m: C: ∆T : le débit massique de l’eau en kG/s la capacité thermique massique moyenne de l’eau (C = 4.2 kJ/kG °C) l’écart de température sur l’eau (différence entre les températures d’entrée et de sortie de l’eau dans la batterie) La puissance de la batterie P (en KW) peut s’écrire par la relation suivante : P = m ⋅ C ⋅ ∆T [email protected] 55 Technologie de Climatisation 1.2.37 Refroidissement sans batterie de refroidissement Dans ce cas de figure, il s’agit de limiter l’élévation de la température d’un local donné par une ventilation appropriée. Il n’y a pas de batterie froide et le paramètre à calculer est le débit d ventilateur de soufflage. En désignant par : - P : les dégagements calorifiques dans le local donné (en kW) ; - ∆T : l’écart de température entre la température ambiante maximale Tamb et la température extérieure maximale Text (∆T = Tamb – Text) ; - ρ : la masse volumique de l’air (1.2 kG/m3) - C : la capacité thermique massique de l’air (1 kJ/kgG°C) Le débit d’air nécessaire (D en m3/s) pour limiter l’élévation de la température à une valeur maximale Tamb est donné par la formule suivante : D= P ρ ⋅ C ⋅ ∆T Ce refroidissement (il serait plus correct de parler de limitation de température) n’est possible que si la température extérieure maximale est inférieure à la température ambiante maximale. Pour ne pas conduire à des débits d’air importants, il est important que l’écart entre ces deux températures soit la plus grande possible, 5°C représente un écart minimal acceptable. Avec cette ventilation, la température du local ne peut descendre en aucun cas en dessous de la température extérieure. [email protected] 56 Technologie de Climatisation CALCUL DES INSTALLATIONS AVEC CHAUFFAGE Dans ce cas de figure, il s’agit de ventiler le local de manière à élever sa température à une valeur donnée en combattant le refroidissement du local consécutif aux déperditions thermiques (saison froide). Le débit du ventilateur s’obtient par la formule suivante : P D= avec : ρ ⋅ C ⋅ ∆T - D : Débit du ventilateur en m3/s P : Déperditions du local en Watts ρ : Masse volumique de l’air = 1.2 Kg/m3 C : Capacité thermique massique de l’air = 1 KJ/Kg°C ∆T : Différence de température entre les températures de l’air soufflé et l’ambiance Le ∆T en chauffage peut être important (de l’ordre de 20°C), ce qui peut conduire à des débits faibles. Il faut noter que ce débit doit être au moins égal à la valeur minimale (explicité dans la détermination du débit d’air en fonction du nombre de personnes). Quant à la détermination de la puissance de la batterie de chauffage, elle peut être vue comme la combinaison de 2 sous batteries comme suit : - la première batterie va servir à réchauffer l’air soufflé à la température ambiante P1 = ρ ⋅ C ⋅ D ⋅ (Tamb − Tmél ) - la seconde va combattre les déperditions du local P2 = ρ ⋅ C ⋅ D ⋅ (Tsouf − Tamb ) On en déduit la puissance de la batterie chaude P = ρ ⋅ C ⋅ D ⋅ (Tsouf − Tmél ) Lorsque l’installation fonctionne exclusivement en air recyclé, Tmél devient Trec. Lorsque l’installation fonctionne tout en air neuf, Tmél sera remplacé par Text. - Tamb : Température de l’air ambiant en °C - Tmél : Température de l’air mélangé (ambiant et recyclé) en °C - Trec : Température de l’air recyclé en °C - Tsouff : Température de l’air soufflé en °C Remarque Dans les formules énoncées ci-dessus, il a été utilisé des différences de température. Ces relations sont valables parce que l’humidité absolue de l’air ne varie pas au cours du processus, le taux d’humidité du local n'est pas contrôlé. Lorsqu’il y’a variation de la température et de l’humidité absolue, la relation à utiliser est : P = D ⋅ ∆h avec ∆h = Différence d’enthalpie. Il est conseillé d’utiliser les enthalpies pour les calculs lorsque cela est possible. En refroidissement, on se gardera d’utiliser la différence de température car le phénomène s’accompagne bien souvent d’une variation d’humidité. CALCUL DES INSTALLATIONS AVEC HUMIDIFICATION [email protected] 57 Technologie de Climatisation La section d’humidification généralement rencontrée dans les centrales de traitement d’air (CTA) est du type laveur. Le calcul de l’humidificateur se fera sur la base du débit d’eau à injecter dans l’air soufflé. Ce débit est donné par la formule suivante : De = D ⋅ ( x amb − x mél ) + y avec : - De : débit d’eau en Kg/h - D : débit massique d’air soufflé en Kg/h - xamb : humidité absolue de l’air ambiant en kGe/kGas - xmél :humidité absolue du mélange air neuf - air recyclé en kGe/kGas - y : débit massique d’eau absorbée dans le local en Kg/Kg (négligeable en général) Suivant la conception de la CTA, le calcul du laveur s’effectuera de différentes manières : - cas où il y’a mélange d’air neuf et d’air recyclé - cas où il y’a préchauffage de l’air neuf - cas où il y’a réchauffage de l’eau d’humidification dans un échangeur On définit le rendement d’humidification comme suit : η= xamb − x mél avec xsat étant l’humidité absolue du mélange d’air à saturation x sat − x mél Figure 25 Evolutions de l’air – humidifications à évaporation / à vapeur [email protected] 58 Technologie de Climatisation CALCUL DES INSTALLATIONS AVEC DESHUMIDIFICATION Le type d’humidification généralement rencontrée dans les CTA est à refroidissement. Le débit d’eau à évacuer de l’air soufflé est donné par la formule suivante : De = D ⋅ ρ ⋅ ( x mél − xbatt ) = Dan ⋅ ρ ⋅ ( x an − x amb ) + y avec : - De : débit d’eau en Kg AS/h (AS : air sec) - D : Débit d’air sec soufflé en m3/h - ρ : Masse volumique de l’air = 1.2 kG/m3 - xmél :humidité absolue du mélange air neuf - air recyclé en KGe/KGas - xbatt : humidité absolue de l’air à la sortie de la batterie en KGe/KGas - Dan : débit d’air neuf en m3/h - xan :humidité absolue de l’air neuf en kGe/kGas - xamb : humidité absolue de l’air ambiant en kGe/kGas - y : Débit massique d’eau absorbée par l’air dans le local en Kg/h La puissance de la batterie de refroidissement est donnée par : P = D ⋅ ρ ⋅ (hmél − hbatt ) avec : - P : puissance de la batterie froide en kW D : débit d’air sec soufflé en m3/s hmél : enthalpie du mélange air neuf et air recyclé en kJ/ kGas hbatt : enthalpie de l’air à la sortie de la batterie en kJ/ kGas La batterie froide est une batterie classique qui peut être à eau glacée ou à fluide frigorigène. On utilise généralement les batteries à eau, la température de celle-ci étant inférieure à la température de rosée du mélange d’air neuf et d’air recyclé. Le refroidissement simultané de l’air n’est pas toujours souhaité, c’est pourquoi un réchauffage de l’air est souvent prévu à la sortie de la batterie froide. [email protected] 59 Technologie de Climatisation 1.3 CALCUL DES INSTALLATIONS DE CLIMATISATION Les installations de climatisation et de conditionnement d’air sont une combinaison des installations décrites précédemment. Leur calcul sera une synthèse des méthodes déjà décrites. Une installation de climatisation englobe en elle-même une installation de ventilation. La notion de base de toute installation est la charge thermique du local considéré. Ainsi les notions de charge sensible et latente sont utilisées. La charge sensible désigne tous les facteurs qui contribuent au réchauffement du local (apports solaires, occupants, machines...) et qui se manifestent par une élévation de la température du local considéré. La charge latente rassemble tous les phénomènes qui peuvent se traduire par une variation de l’humidité absolue du local (occupants, air extérieur...). Il existe différentes méthodes de détermination du bilan thermique d’un local : - méthode pour les pays d’Afrique Tropicale (développée sur initiative de l’IEPF2) - méthode AICVF (Association des Ingénieurs en Climatique, Ventilation et Froid) - méthode COSTIC (Comité Scientifique et Techniques des Industries Climatiques) - méthode ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers) - méthode CARRIER (Constructeur) - méthode Mémotech Génie Energétique - méthode suivant les règles VDI 2078 - méthode simplifiée YORK (Constructeur) - méthode simplifiée CIAT (Constructeur) - méthode simplifiée des ratios Ces méthodes se retrouvent quelques fois sous forme logicielle ou peuvent être mises en œuvre à l’aide de tableurs (EXCEL par exemple). Il ne faut cependant pas perdre de vue que les méthodes logicielles ne sont pas à adopter systématiquement. Il est même souhaitable que l’opérateur ait une capacité et une pratique des méthodes manuelles dans le but de pouvoir apprécier les résultats des méthodes logicielles qui peuvent quelques fois produire des résultats erronés (bugs, erreurs de saisie...). La méthode CARRIER est l’une des méthodes les plus utilisées. La méthode CARRIER résume sur une feuille de calcul (forme E20) les différents postes qui contribuent au bilan thermique. Le remplissage de cette feuille commence par l’entrée des informations suivantes : - dimensions du local - usage du local - conditions extérieures (température et humidité) du local considéré - conditions intérieures (température et humidité) désirées du local considéré - le débit d’air extérieur pour la ventilation du local, ce débit est établi soit par la multiplication du nombre d’occupants par le débit unitaire d’air neuf nécessaire par personne, soit par le taux de renouvellement d’air désiré ; si le débit obtenu par le taux de renouvellement d’air désiré est inférieur au débit calculé sur la base du nombre d’occupant, c’est ce débit qui est sera utilisé pour la suite des calculs Suivant cette feuille les différents postes à remplir sont les suivantes : N° Poste 2 Postes IEPF : Institut de l’Energie et de l’Environnement de la Francophonie [email protected] 60 Technologie de Climatisation 1 2 3 4 5 6 7 8 Apports par ensoleillement à travers les vitrages Apports par ensoleillement et transmission à travers les murs et les toits Apports par transmissions sauf ceux par les murs et les toits Apports par les gains internes (occupants, équipements, éclairage) La somme des apports ci-dessus permet de définir les gains sensibles du local Les gains latents su local sont ensuite estimés sur la base des occupants et éventuellement des équipements Les gains dus à l’air extérieur sont ensuite estimées Le bilan thermique est ainsi effectué par sommation des apports cidessus La feuille de calcul CARRIER, fait ressortir les notions suivantes : - le ESHF - l’ADP - le débit d’air traité - le débit d’air soufflé - l’état de l’air soufflé LE ESHF (Sensible Heat Facteur Effectif) est défini comme le rapport des gains sensibles du local sur les gains totaux du local L’ADP (Apparatus dew point) représente la température du point de rosée de la batterie froide. Le débit d’air soufflé est exprimé par la relation : D= GS avec : 0.29 ⋅ ∆Tsoufflé D : Débit d’air soufflé en m3/h GS : Gains sensibles du local en Kcal/h ∆Tsouffllé = Tamb - Ts Ts : Température sèche de l’air soufflé (par l’appareil de traitement d’air) Tamb :Température sèche de l’ambiance du local traité [email protected] 61 Technologie de Climatisation 1. CLASSIFICATION DES INSTALLATIONS DE CLIMATISATION GENERALITES SUR LES INSTALLATIONS DE CLIMATISATION Le tableau 1 permet de reconnaître les installations de climatisation et de conditionnement d’air qui sont définies comme des installations qui assurent, outre la circulation de l’air (ventilation) et la filtration, entre 2 et 4 fonctions thermodynamiques. Les 4 fonctions thermodynamiques (refroidissement, chauffage, déshumidification, humidification) traduisent les 4 variations possibles des 2 paramètres fondamentaux de l’air que sont sa température (T°) et son humidité absolue (HA). Le tableau suivant rend compte des différents sens de variation de l’air en théorie. (se reporter au diagramme de l’air humide) : Tableau 6 Variations théoriques des paramètres fondamentaux de l'air Augmentat. T° Chauffage Diminution de Constance de Augmentation de Hum. Absolue Hum. Absolue Hum. Absolue Diminution T° Refroidissemen t Hum. Absolue Hum. Absolue Hum. Absolue Augment. HA. Humidification Diminution HA. Déshumidification Température Température Température Température Température Température En pratique, les évolutions rencontrées sont celles en gras dans le tableau ci-dessus. Il faudra éviter les conclusions hâtives sur le fait que lorsque le taux d’humidité doit augmenter, il faille nécessairement humidifier et inversement lorsque le taux d’humidité doit diminuer, il faille nécessairement déshumidifier. Le tableau 7 en est une illustration. Etat 1 30°C – 50% 15°C – 90% Tableau 7 Exemple de transformation thermodynamique Etat 2 Transformation Hum. abs 1 25°C – 60% Déshumidificatio 0.0133 Kg/Kg n 25°C – 60° Humidification 0.0098 Kg/Kg Hum. abs 2 0.119 Kg/Kg 0.119 Kg/Kg Dans la classification des installations du Génie Climatique, il a été retenu que : - la climatisation est destinée à des fins humaines - le conditionnement d’air est destiné à des fins industrielles Une installation de climatisation doit permettre de maintenir la température ambiante à une valeur comprise entre 20 et 27°C et le taux d’humidité entre 30 et 65% et ce en fonction des conditions climatiques externes et du souhait des occupants. (Tableau 8) Les installations de conditionnement d’air destinées aux applications industrielles requièrent des conditions ambiantes propres aux procédés. Les conditions d’ambiance sont généralement précises et même extrêmement précises dans certains cas (Tableau 9) Certaines installations ne relevant pas des applications industrielles (musées, caves, bibliothèques, groupes opératoires, etc.) sont également appelées installations de conditionnement d’air au regard du degré de précision des conditions d’ambiance. [email protected] 62 Technologie de Climatisation Tableau 8 Conditions de base intérieures recommandées en climatisation (confort) Climatisation (confort) Températures Degré Variation de la intérieures (°C) hygrométrique température (%) Appartements, hôtels, 23 – 24 60 – 55 1–2 bureaux, hôpital, école... Banques, supermarchés, 24 – 26 60 – 55 0.5 – 1 restaurant, amphithéâtre... Salle d’assemblage, d’usinage 25 – 27 65 – 55 2–3 Tableau 9 Conditions de base intérieures recommandées en conditionnement d’air (climatisation industrielle) (Valeurs données à titre indicatif, conditions déterminées en général par le client) Industrie Application Températures Degré intérieures (°C) hygrométrique (%) Appareillage Assemblage des lampes 20 40 électrique Essai appareils de 24 60 mesure Boulangerie Pétrin 24 – 27 40 – 50 Fermentation 24 – 28 70 – 75 Attente avant cuisson 33 – 36 80 – 85 Refroidissement du pain 21 – 27 80 – 85 Brasserie Houblon -1 – 0 55 – 60 (conservation) Grain 27 60 Levure liquide 0–1 75 Bière blonde 0–2 75 Bière brune 4–7 75 Contreplaqué Presse à chaud 32 60 Presse à froid 32 15 - 25 Imprimerie Salle des presses 24 – 27 46 – 48 Stockage 23 – 27 49 - 51 Pharmacie Poudre avant fabrication 21 – 27 30 - 35 (conservation) Poudre après fabrication 24 – 27 15 – 35 Pharmacie Broyage 27 35 Comprimés 21 – 27 40 Enrobage 27 35 Textile Coton tissage 26 – 27 70 – 85 Toile tissage 27 80 Verre Salle laminage 13 15 polyvinyle [email protected] 63 Technologie de Climatisation MODES DE CLASSIFICATION Plusieurs modes de classification peuvent être proposés suivant des critères tels que le mode d’apport de l’air neuf, le mode de distribution de l’air traité ou le médium de transfert de l’énergie. Suivant le mode d’apport de l’air neuf , on retrouve : - les systèmes à 100% d’air neuf - les systèmes à apport d’air neuf réglable et/ou à apport d’air constant Suivant le mode de distribution de l’air, on retrouve : - les systèmes à zone unique ou uni-zone - les systèmes muti-zones - les systèmes à débit d’air constant (le plus courant) - les systèmes à débit d’air variable (VAV) Suivant le médium de transfert de l’énergie, on retrouve : - les systèmes air-air (évaporateur à air – condenseur à air) - les systèmes air-eau (évaporateur à air – condenseur à eau) - les systèmes eau-eau (évaporateur à eau – condenseur à eau) - les systèmes eau-air (évaporateur à eau – condenseur à air) La classification retenue permet de distinguer les systèmes suivants : - systèmes à détente directe systèmes tout air systèmes tout eau systèmes à volume de réfrigérant variable [email protected] 64 Technologie de Climatisation SYSTEMES A DETENTE DIRECTE Le rafraîchissement de l’air est obtenu à l’aide d’un évaporateur (unité intérieure) placé dans le local à traiter. On retiendra : - les climatiseurs mobiles - les climatiseurs de fenêtre ou window - les split system et/ou multi split system - les armoires de climatisation 1.3.1 Les climatiseurs mobiles Ces appareils sont mobiles et de puissance frigo très faibles (de l’ordre de 0.5 à 2Kw). C’est un appareil en un seul bloc, il est à prévoir le passage du tuyau de condensats et du flexible de ventilation de l’unité de condensation à l’extérieur et du flexible de ventilation de l’unité de condensation. 1.3.2 Les climatiseurs fenêtre C’est un appareil en seul bloc installé en allège ou en hauteur et dont un côté se trouve à l’intérieur du local à climatiser et l’autre côté à l’extérieur. Figure 26 Climatiseur fenêtre Applications courantes Le climatiseur fenêtre est utilisé dans les édifices non ventilés et non climatisés. Il dessert normalement un espace fermé de petite dimension qui autrement ne pourrait être climatisé. Il est surtout utilisé pour régler un problème local. Fonctionnement normal Le climatiseur fenêtre offre des capacités variant de 1 000 à 7 000 fg/h. Certains modèles peuvent aller jusqu’à 10 000 fg/h. [email protected] 65 Technologie de Climatisation Il utilise un système de réfrigération à détente directe pour refroidir l’air venant de la pièce. Certains appareils permettent un apport d’air extérieur arbitraire. Le contrôle de la température s’effectue à l’aide d’un thermostat électrique monté sur l’appareil. De nos jours, l’apparition de télécommandes à distance permet une commande plus aisée. Le ventilateur qui est généralement à 3 vitesses permet d’ajuster le degré de refroidissement et de déshumidification de l’air. L’air est projeté directement dans la pièce à 1 ou .5 mètres devant l’appareil. Un filtre primaire permet de retirer une partie des poussières. Avantages Installation facile et rapide Résout un problème localisé d’inconfort Peu coûteux à l’achat Inconvénients Bruyant, Mauvaise distribution de l’air Espérance de vie courte Coût d’entretien élevé (perte de réfrigérant) Filtration de l’air de piètre qualité 1.3.3 Les splits system et/ou multi split system Le split system est constitué de 2 parties distinctes : - L’ensemble évaporateur-détendeur situé à l’intérieur du local à climatiser - l’ensemble compresseur-condenseur situé à l’extérieur ou dans un local bien ventilé Les 2 parties sont reliées par une liaison frigorifique constituée de 2 tubes cuivre (liquide et gaz). Les liaisons frigorifiques sont calorifugées. L’alimentation électrique de l’appareil s’effectue soit au niveau du condenseur (unité extérieure), soit au niveau de l’évaporateur (unité intérieure). Le raccordement électrique entre les deux parties est effectué par un câble de liaison. Bien souvent les condenseurs sont à air mais il peut arriver que le condenseur soit à eau généralement à eau perdu, dans ce cas de figure le condenseur peut être placé dans un local clos. Figure 27 Split System [email protected] 66 Technologie de Climatisation Suivant le modèle de l’unité intérieure, on distingue : - les splits system muraux - les splits system en allège (ou console) - les splits system plafonniers - les splits system du type cassette Figure 28 Types de Split System Figure 29 Multi Split System Il existe des splits system ou l’unité extérieure est raccordée à plusieurs unités intérieures (2, 3, 4 ou 5 unités intérieures), un tel appareil est alors appelé Multi-split system. Multi Split System 3 Dans la plus part des cas, la régulation des appareils est assuré par un thermostat qui fonctionne en tout ou rien. Il faut noter cependant l’apparition depuis peu de split dit INVERTER . Les Inverter permettent de faire varier la vitesse de rotation du compresseur suivant la demande de froid de local. De tels systèmes permettent une amélioration du COP (coefficient d'efficacité énergétique) de 20% et une réduction de la consommation d’énergie électrique de 30% par rapport aux splits traditionnels. Figure 30 Régulations TOR / Inverter Régulation Tout ou Rien Régulation Inverter 3 [email protected] 67 Technologie de Climatisation 1.3.4 Les armoires de climatisation Les armoires de climatisation peuvent être utilisées pour la climatisation de confort mais elles sont très utilisées pour le conditionnement des locaux techniques (salles informatiques) où il faut assurer à la fois le contrôle de la température et de l’hygrométrie de l’air. Dans les locaux techniques, les armoires soufflent quelques fois vers le bas dans un plancher technique, la reprise de l’air s’effectuant en partie haute ou en façade de l’appareil; de telles systèmes sont appelés armoires à flux inversé et conviennent pour les locaux informatiques et/ou de télécommunications. Suivant le type de condenseur, on peut citer les types d’armoire suivants : - les armoires à condenseur à air intégré - les armoires à condenseur à air séparé - les armoires à condenseur à eau associé à une tour de refroidissement Outre la batterie froide de rafraîchissement de l’air, on peut rencontrer : - résistances de chauffage (déshumidification air) - section d’humidification La batterie froide des armoires peut être à détente directe (fluide frigorigène) ou à eau glacée. Figure 31 Armoires de climatisation Armoire à condenseur à air intégré Armoire à flux normal Armoire à condenseur à air intégré Armoire à flux inversé Armoire à condenseur à air séparé Armoire à condenseur à eau associé à une tour de refroidissement [email protected] 68 Technologie de Climatisation SYSTEMES TOUT AIR Ces systèmes reposent sur le principe de traitement d’air centralisé avec une distribution d’air vers les zones à traiter. Ce sont des systèmes qui fonctionnent soit à débit d’air constant, soit à débit d’air variable. Lorsque le système est à débit d’air variable, le principe de fonctionnement consiste à adapter le débit de soufflage aux charges variables des locaux à climatiser. Cette variation étant obtenue par des terminaux d’air à débit d’air variable commandés par des sondes de température ambiante. On retiendra : - les centrales de traitement d’air - les monoblocs de toiture ou roof-top 1.3.5 Les centrales de traitement d’air (CTA) Une CTA est un assemblage de modules ayant chacun une fonction précise et dont le rôle est de traiter et/ou modifier les caractéristiques de l’air qui y circule. Les principaux modules rencontrés d’une CTA sont : - le module de réglage ou registre (permet de régler l’admission de l’air entrant dans la CTA) - la zone de mélange (effectue le mélange entre l’air extérieur appelé air neuf et l’air recyclé) - la zone de filtration (assure la filtration de l’air) - la zone de refroidissement (batterie à Eau Glacée qui rafraîchit l’air), la batterie froide peut être également une batterie à fluide frigorigène (détente sèche) - la zone d’humidification (éventuellement pour humidifier l’air) - la zone de chauffage (résistances électriques ou batterie à eau chaude pour déshumidifier l’air) - la zone de ventilation (ventilateur de distribution de l’air, la zone ventilation peut se trouver également au niveau de l’entrée de la CTA et servir de ventilateur de reprise ou d’extracteur d’air vicié) Figure 32 Centrales de traitement d’air [email protected] 69 Technologie de Climatisation 1.3.6 Les monoblocs de toiture ou roof-top Ce sont des appareils construits en un seul bloc et qui sont généralement réservés à la climatisation de grandes surfaces (hypermarchés, salles de cinéma). Ils sont placés généralement sur des toitures d’où leur nom. Cependant ils peuvent être installés au sol dans certains cas. Une installation de réseaux de gaine composés généralement d’un circuit de soufflage de l’air et d’un circuit de reprise de l’air complète ces équipements. Les réseaux de gaines assurent la distribution de l’air, les éléments terminaux sont des grilles ou des diffuseurs. Les gaines peuvent être en tôle (généralement isolées par de la laine de verre), en staff (feuille de polystyrène recouvert de plâtre) ou en plaques de polyuréthane ou de fib-air Applications courantes Ce type d’appareils est très utilisé par les promoteurs compte tenu du faible coût d’achat et du peu d’espace utile occupé au plancher. On retrouve ces unités dans le domaine commercial et les immeubles à bureaux. Fonctionnement normal Ce système fonctionne habituellement comme un système à débit constant, température variable. Conçu d’une manière compacte, il incorpore dans un caisson toutes les composantes essentielles permettant ainsi une installation en toiture. Le pourcentage d’air frais peut être fixe (en fonction de l’évacuation) ou variable pour les appareils plus complets, ce qui permet de faire du refroidissement gratuit lorsque les conditions extérieures sont favorables. En règle générale, ce système dessert une zone. EN option, il est possible d’avoir un système multi-zones (Système de type « Package ») ans certains cas, il comporte des boites à volume d’air variable en fin de course. Figure 33 Monoblocs Avantages Peu coûteux à l’achat N’occupe pas d’espace utile au plancher Inconvénients Confort moyen (peu de modulations de puissance d’où une grande variation de la température de l’espace desservi) Plus bruyant parce que plus compact et plus près de l’espace à desservir Vie utile moindre que les plus gros systèmes (15 à 20 ans plutôt que 25 à 30 ans pour les autres) Ne peut desservir plusieurs pièces adéquatement sauf en version multi-zones Entretien souvent négligé Soumis aux intempéries [email protected] 70 Technologie de Climatisation SYSTEMES TOUT EAU Ces systèmes sont équipés d’une batterie d’eau. Le mélange air neuf (air extérieur) et air recyclé (air intérieur) est filtré, refroidi et pulsé dans le local. Ces appareils sont appelés ventilo-convecteurs : - à 2 tuyaux correspondant à l’aller et au retour (AR) de l’eau (fonctionnement en refroidissement seul ou en chauffage seul) - à 3 tuyaux correspondant aux 2 allers (aller Eau Glacée « EG » et aller Eau Chaude « EC ») et à un retour commun (fonctionnement en chauffage et/ou refroidissement) - à 4 tuyaux correspondant à un AR pour l’EG et à un AR pour l’EC (fonctionnement en refroidissement et/ou chauffage) Les ventilo-convecteurs se retrouvent dans les systèmes de climatisation centralisée «à Eau Glacée», dans de tels systèmes, il sera noté la présence de centrales de traitement d’air pour le conditionnement de certaines zones (grands volumes) ou pour le renouvellement de l’air (air neuf traité). Figure 34 Climatisation centrale à eau glacée Figure 35 Ventilo-convecteur Dans les applications en Afrique Tropicale, il n’est pas nécessaire d’équiper les ventiloconvecteurs de batterie de chauffage (eau chaude ou résistances électriques), ces appareils fonctionnant toujours en refroidissement. [email protected] 71 Technologie de Climatisation La production de l’EG (eau glacée) pour les ventilo-convecteurs et/ou les centrales de traitement d’air est assurée par des appareils appelés groupes frigorifiques (GF). Les groupes frigorifiques sont constitués généralement constitués d’un évaporateur du type multitubulaire horizontal à détente sèche où l’eau est refroidie puis distribuée aux éléments terminaux (VC) à travers un réseau (tubes acier) par l’intermédiaire de pompe. Les groupes peuvent être à condenseur à air ou à condenseur à eau. Les groupes frigorifiques à condenseurs à air sont installés à l’extérieur dans une zone suffisamment dégagée pour assurer un refroidissement correct des condenseurs. Les groupes frigorifiques à condenseurs à eau sont installés généralement dans un local technique (sous sol en général), l’eau de refroidissement des condenseurs tant véhiculée par un circulateur vers une tour de refroidissement située à l’extérieur (au RDC ou en toiture) pour permettre son refroidissement . Figure 36 Groupes frigorifiques Groupe frigorifique à condenseur à air Groupe frigorifique à condenseur à eau Figure 37 Tours de refroidissement On rencontre plusieurs modèles de VC (console, console non apparent, plafonnier apparent, plafonnier encastré, cassette) Figure 38 Types de ventilo-convecteurs Console non apparen (non carrossé ) meuble Console (apparent ou carrossé) [email protected] Cassette Plafonnier encatré 72 Technologie de Climatisation SYSTEMES VRV Les systèmes à volume de réfrigérant variable (VRV) ou à débit de réfrigérant variable (DRV) constituent sans doute l’une des innovations les plus importantes en matière de climatisation ces dix dernières années. Le principe de fonctionnement est basé sur la variation du débit de fluide frigorigène en fonction de la température ambiante. Un détendeur électronique (au niveau de chaque unit intérieure) ajuste en permanence le flux frigorigène pour répondre aux exigences de charge, ce qui permet de maintenir une température à un niveau virtuellement constant et confortable, sans les fluctuations caractéristiques des systèmes de régulation marche/arrêt. Le système VRV est constitué d’une unité extérieure raccordée à plusieurs unités intérieures. Suivant la puissance de l’appareil, l’unité extérieure comprend un ou plusieurs compresseurs du type INVERTER (vitesse variable). La technologie à ce jour permet de raccorder jusqu’à plus de 30 unités intérieures à une seule unité extérieure et ce en utilisant un seul circuit frigorifique et des pièces de raccordement (collecteurs et raccords). Chez certains constructeurs, les systèmes VRV autorisent des combinaisons d’unités extérieures permettant d’avoir un grand nombre d’unités intérieures raccordées. Le système VRV présente plusieurs avantages : - facilité d’installation et flexibilité de modification - économie d’énergie (jusqu'à 30% d’économie) - fonctionnement silencieux - commandes individuelle et centralisée possibles - Coefficient de performance (COP) élevé (plus de 3.5) Figure 39 Schémas de principe VRV Figure 40 Unités Intérieures VRV [email protected] Figure 41 Unités Extérieures VRV 73 Technologie de Climatisation INVENTAIRE DES SYSTEMES Il existe à ce jour une multitude de systèmes dont les principaux sont : - le système à 100% d’air neuf - le système à débit d’air variable - le système multi-zone - le système à débit d’air constant, température variable - le système double gaine - le système à induction - le système à réchauffage terminal - le système avec ventilo-convecteur ou unité autonome compacte Parmi les systèmes cités, certains ne sont pas adaptés à notre contexte. Il existe aussi des systèmes mixtes qui sont des combinaisons de ceux déjà cités. Les systèmes couramment rencontrés dans les pays tropicaux sont : - le système avec ventilo-convecteur et/ou unités compactes autonomes - le système à débit d’air constant, température variable - le système multi-zones - le système à 100% d’air neuf - le système à débit d’air variable (ce système est utilisé très rarement de nos jours) 1.3.7 Les systèmes avec ventilo-convecteurs ou unités compactes autonomes Applications courantes L’unité autonome peut être installée dans l’entre-plafond de chaque étage d’un petit édifice à bureaux ou dans une pièce unique comme un commerce au détail. Elle est surtout utilisée pour climatiser les locaux excentrés ou comme équipement d’appoint. Fonctionnement normal Les unités compactes autonomes contiennent dans un même boîtier tous les éléments nécessaires au traitement de l’air, elles sont donc semblables aux climatiseurs fenêtre mais sont conçus pour véhiculer des débits plus importants. Le ventilo-convecteur est mis en marche par l’occupant dès son entrée dans le local. Pour cela, le contact est en général situé à proximité de celui de l’éclairage. Ainsi, il peut être arrêté en même temps que l’éclairage à la sortie des locaux. La régulation est assurée par un thermostat relié à la soupape de la batterie froide ou par arrêt du compresseur. On distingue deux types : - l’unité compacte autonome avec système de réfrigération intégré dont le condenseur peut être refroidi à l’air ou à l’eau - l’unité compacte autonome sans système de refroidissement et donc alimentée par un serpentin de refroidissement alimenté en eau glacée. Dans certains cas, il sert d’appoint pour le traitement d’ambiance. Elles sont simplement posées dans le local à climatiser, montées dans l’entre-plafond en position horizontale ou dans un local peu éloigné ce qui nécessite un réseau de conduits. Les unités compactes fonctionnent surtout en air recirculé avec un pourcentage d’air neuf dépassant pas le 15 à 20% pour celles qui assurent la totalité des charges. L’aspiration de l’air recirculé est directement dans la pièce au bas de l’appareil. [email protected] 74 Technologie de Climatisation La quantité d’air neuf est constante et est basée sur les besoins des occupants et la quantité d’air extraite (le système ne dispose en général pas de système de rejet de l’air ; cette fonctionnalité étant assurée par la légère surpression des locaux ou par les extractions d’air). Dans le cas des salles d’informatique, les gros ordinateurs centraux comportent des ouvertures à partir du bas du boîtier laissant le passage à l’air pour refroidir les composants électroniques. - Avantages Simplicité Régulation de pièce facile Frais d’installation faibles Encombrement réduit - Inconvénients Entretien coûteux et fastidieux dû aux appareils dispersés à chaque étage Filtration réduite Humidification et déshumidification aléatoires Bruit assourdissant à l’usure des composants Batterie de refroidissement à drainer pour l’évacuation des condensats 1.3.8 Les systèmes à débit d’air constant – température variable Applications courantes Ce système de ventilation est le moins coûteux à exploiter. Il sert à alimenter des locaux à occupation unique tels que les bureaux et les locaux ayant les mêmes besoins de refroidissement. C’est une conception fréquente depuis 1960 et elle est la plus répandue dans nos pays. Fonctionnement normal Le système fonctionne à basse vitesse et à basse pression. Le ventilateur fonctionne à débit d’air constant. La quantité d‘air admis est proportionnelle à la puissance de climatisation et au volume de renouvellement d’air par heure à maintenir dans le local. La proportion d’air neuf et d’air recyclé est constante. La quantité minimale d’air de renouvellement est fonction des besoins des occupants et la quantité d’air rejeté. La température de l’air soufflé dans les locaux est variable. Un seul thermostat de pièce contrôle tout le système d’alimentation d’air mono-gaine. Figure 42 Système à débit d’air constant tempér. variable Inconvénients Ne peut desservir plusieurs pièces adéquatement seule la pièce avec le thermostat est bien desservie, inconfort dans les locaux avec plusieurs ouvertures (fenêtres) Volume d’air circulé important et impossibilité de le réduire quand le système fonctionne à puissance réduite. [email protected] 75 Technologie de Climatisation 1.3.9 Le système multi-zones Applications courantes Figure 43 Système multi-zones Ce type de système est en général utilisé dans les immeubles ou il y a plusieurs zones à desservir et dont les charges et les taux d’occupation sont plus ou moins légèrement différents. C’est une variante du système à volume d’air constant, température variable mais éclatée pour un meilleur confort et une meilleure régulation. 1.3.10 Les systèmes à 100% d’air neuf Les applications courantes On retrouve ce système dans des locaux où l’on rejette d’importantes quantités d’air (garage intérieur, salle de mécanique, entrepôt, cuisine, laboratoires, hôpitaux). Ces systèmes peuvent être utilisés pour renouveler l’air pré-traité qui alimente d’autres systèmes comme les systèmes multi-zones, dans les immeubles à bureaux. Fonctionnement normal Le système fonctionne à basse vitesse et à basse pression, le débit d’air est habituellement constant car il est égal à la quantité d’air évacué. La température de l’air soufflé est constante aux environs de la température à maintenir dans le local. Le système ne comporte ni boîte de mélange, ni de retour d’air. Figure 44 Système à 100% d’air neuf Avantages Maintient les locaux desservis en légère surpression évitant ainsi les infiltrations d’air excessives, permet de distribuer l’air adéquatement dans l’espace desservi, ce qui rend les locaux plus confortables Robuste, vie utile (25 à 30 ans) Simplicité du système dans sa conception et son fonctionnement Frais d’installation peu élevés : le système est habituellement installé dans la pièce desservie ou dans une pièce voisine. Inconvénients Très coûteux à exploiter, modulation de débit complexe à réaliser lorsque plusieurs extracteurs sont assujettis au seul système d’alimentation d’air [email protected] 76 Technologie de Climatisation 1.3.11 Le système à volume d’air variable (VAV) Applications courantes Ce type de système peut rendre de précieux services dans les locaux ou les apports de chaleur sont importants et ou la diversité des besoins en refroidissement est très grande comme dans les immeubles de bureaux à occupation intermittente. Fonctionnement normal Le système fonctionne à haute ou à basse vitesse et pression. Ce type de système de ventilation peut être installé partout ou il y’a plusieurs locaux à desservir et ou l’on désire un certain niveau de confort. Le système fonctionne par réduction du débit d’air par ajustement de la pression statique dans la gaine. Le confort dans le local est contrôlé par un thermostat qui agit sur les volets dans la boîte de réduction de débit. Il assure en général un bon niveau de confort lorsque les locaux sont occupés en permanence et que les gains internes et solaires sont à peu près constants. Le thermostat réduit la quantité d’air admise par action sur les volets pour la régulation. Un pressostat placé dans la gaine d’alimentation contrôle la vitesse du ventilateur. L’humidité est contrôlée par un humidistat placé dans la gaine de retour et qui agit sur la soupape de la batterie chaude. Les ventilateurs fonctionnent à débit variable. Il existe quatre façons de faire varier le débit : - Utiliser des volets motorisés à l’entrée ou à la sortie du ventilateur - Faire varier l’angle d’attaque des pales d’un ventilateur axial - Faire varier les iris vortex d’un ventilateur centrifuge - Faire varier la vitesse du ventilateur La quantité d’air admis est proportionnelle à la puissance de climatisation et au nombre de renouvellements d’air par heure à maintenir dans le local. Cependant, comme les gains solaires ne sont pas les mêmes sur chaque façade, on peut utiliser cette diversité pour réduire la quantité d’air totale du système, ce qui est impossible avec les autres systèmes. Dans les zones périphériques, l’action peut être couplée à un refroidissement (par ventiloconvecteurs) le long des murs extérieurs pour compenser les pertes. La proportion d’air de renouvellement et d’air recirculé varie. La quantité minimale d’air de renouvellement est basée sur les besoins des occupants et la quantité d’air évacué. La température de l’air soufflé est constante. Avantages [email protected] Inconvénients 77 Technologie de Climatisation - - Capacité de répondre aux besoins de refroidissement des locaux desservis Contrôle précis des températures dans les pièces lorsque le système est utilisé pour des applications normales Possibilité de climatiser des immeubles de grande superficie Possibilité de réduire la quantité d’air admis quand la puissance de refroidissement est réduite Réduction de la force motrice des ventilateurs Gaspillage d’énergie infime Frais de fonctionnement peu élevés Durée de vie : 25 à 30 ans pour les gros systèmes 20 à 25 ans pour les petits systèmes - Réglage des systèmes plus difficile à réaliser Frais d’installation élevés Contrôle plus difficile dans les pièces qui requièrent un refroidissement d’appoint Mauvaise distribution d’air à débit minimal, ce qui entraîne une moins bonne qualité de la ventilation des locaux Figure 45 Système à volume d’air variable [email protected] 78 Technologie de Climatisation MATERIELS DES INSTALLATIONS DE CLIMATISATION A partir des classifications adoptées, la liste suivante du matériel de climatisation et de conditionnement d’air peut être établie : - Climatiseurs mobiles Climatiseurs de fenêtre Split System et multi-split system Armoires de climatisation Centrales de traitement d’air (CTA) Monoblocs de toiture (Roof-Ttop) Ventilo-convecteurs Appareils VRV (Volume de réfrigérant variable) Groupes de production d’eau glacée Au niveau des composants spécifiques, on retrouve exactement les mêmes que ceux étudiés dans les installations de ventilation, une installation de climatisation ou de conditionnement étant avant tout une installation de ventilation. Les groupes de production d’eau glacée peuvent être également classés comme des appareils de climatisation. Il faut noter que ces équipements occupent également une place de choix dans l’industrie ou l’eau glacée participe à des processus de fabrication ou est utilisée pour refroidir des machines ou des produits. Parmi les configurations de groupes d’eau glacée, on retrouve : - les groupes d’eau glacée à condenseur à air - les groupes d’eau glacée à condenseur à eau intégré - les groupes d’eau glacée à condenseur à eau séparé [email protected] 79 Technologie de Climatisation 1. LES MATERIELS PARTICULIERS LES RIDEAUX D’AIR Les rideaux d’air sont des appareils complémentaires des installations de génie climatique qui assurent une séparation climatique d’avec l’extérieur, ce qui limite considérablement les perturbations dues à l’air extérieur provenant des ouvertures. Dans certains cas, ils sont munis d’un système de chauffage d’où le nom de rideaux d’air chaud, ils sont principalement utilisés : - à l’entrée des boutiques, grands magasins, supermarchés - à l’entrée des bâtiments publics (administrations, aéroports…) - à l’entrée des bâtiments industriels (hall de stockage, ateliers…) Outre son impact sur la clientèle, les visiteurs ou les voyageurs (absence de manipulation de portes), les rideaux d’air auront un impact économique important puisqu’ils limiteront les déperditions vers l’extérieur de l’air frais d’une zone climatisée. D’une manière générale, les rideaux d’air ont un jet d’air du haut vers le bas et fonctionnent en recyclage complet. Figure 46 Rideaux d’air LES ELIMINATEURS D’ ODEURS Dans la plus part des cas, les installations de génie climatique fonctionnent avec un certain pourcentage d’air neuf exempt d’odeurs particulières. Dans certains cas de figures, l’élimination des odeurs doit faire l’objet d’un traitement spécifique : - lorsque l’air neuf contient des odeurs particulières - lorsqu l’air repris contient des odeurs Dans le dernier cas, l’élimination des odeurs est indispensable lorsque : - l’on désire recycler une partie ou la totalité de l’air repris - l’on veut éviter de renvoyer à l’extérieur l’air pollué avec les odeurs [email protected] 80 Technologie de Climatisation On retiendra 3 principes de traitement des odeurs : - Les générateurs d’ozone L’action d’élimination tient au caractère instable de l’ozone (O3) qui tend à perdre un atome pour se transformer en oxygène (O2). L’atome libre chreche à se fixer en oxydant les particules animales ou végétales (odeurs animales, odeurs de cuisine, fumée de tabac…), ce qui les réduit à l’état de poussières inertes. - Les filtres à charbon actif Les filtres à charbon actif sont capables d’adsorber un certain nombre de gaz et de vapeurs en fixant leurs molécules. Lorsque ces gaz et vapeurs sont à l’origine d’odeurs, celles-ci se trouvent éliminées. - Les photo-catalyseurs Ils agissent par l’activation d’un matériau semi-conducteur tel que l’oxyde de titane par un rayonnement ultraviolet. Ce qui a pour effet de former des radiations capables de capter des molécules organiques (odeurs). Figure 47 Purificateur d’air avec technique photo-catalytique 1.3.12 LES RECUPERATEURS D’ENERGIE Un récupérateur d’énergie est un échangeur de chaleur qui permet de tirer parti de la l’énergie qui serait perdue autrement. Les récupérateurs d’énergie ont fait leur preuve dans les pays tempérés dans les systèmes de chauffage. Par exemple pour un local traité en double flux, l’air repris étant d’environ 22°C, s’il est rejeté directement à l’extérieur on perdrait la chaleur qu’il contient. Au contraire, si on le fait passer par un récupérateur de chaleur, cela permet de préchauffer l’air extérieur froid. De la même manière pour un local climatisé alimenté en double flux, l’air repris qui est frais peut par l’intermédiaire d’un récupérateur de chaleur rafraîchir l’air extérieur chaud. En théorie, un récupérateur de chaleur (récupérateur d’énergie) peut récupérer : - soit de la chaleur sensible seulement - soit de la chaleur latente seulement - soit de la chaleur totale (sensible et latente) On définit les indices de récupération suivant les différents cas de figures (cf. tableau 10). [email protected] 81 Technologie de Climatisation Figure 48 Repérage des indices dans une installation équipée d’un récupérateur de chaleur Chaleur Sensible Chaleur Latente Chaleur Totale Tableau 10 Indices de récupération de chaleur Sur Air Neuf Sur Air Repris T22 − T21 T −T Φ2 = Φ 1 = 11 12 T11 − T21 T11 − T21 x − x 21 x −x Ψ2 = 22 Ψ1 = 11 12 x11 − x 21 x11 − x21 h − h21 h −h Λ 2 = 22 Λ 1 = 11 12 h11 − h21 h11 − h21 Les différents systèmes de récupérateurs de chaleur peuvent se classer en trois catégories : - Les systèmes à régénération Dans ces systèmes, un matériau accumulateur emmagasine la chaleur sensible (température), la chaleur latente (humidité) ou les deux pour la restituer ultérieurement. Il existe des récupérateurs rotatifs dans lesquels la masse accumulatrice est solide et les récupérateurs à circuit dans lesquelles elle est liquide. - Les systèmes à récupération Ce sont des récupérateurs à surfaces d’échanges solides qui ne permettent habituellement que la transmission de chaleur (récupérateurs à plaques). - Les systèmes du type pompe à chaleur Ces systèmes ne sont rentables que lorsqu’on peut tirer avantage de la production de froid au niveau de l’évaporateur. En effet, ils permettent de récupérer plus d’énergie que les autres systèmes mais nécessitent une plus grande dépense d’énergie. Figure 49 Récupérateurs de chaleur (à plaques, glycole, rotatif) [email protected] 82 Technologie de Climatisation 1. ISOLATION ACOUSTIQUE GENERALITES Toute installation de Génie Climatique engendre des bruits du fait de la présence de machines tournantes telles que les pompes, les compresseurs et les ventilateurs. Un bruit se propage facilement et rapidement dans un espace donné et une des règles de l’acoustique consiste à limiter ce bruit au point d’émission à un niveau aussi faible que possible et par conséquent choisir des machines aussi silencieuses que possible. Lorsque cela n’est pas possible, il est nécessaire de prendre des mesures d’isolement acoustique de façon que le bruit transmis en un point donné ne dépasse celui exigé par la réglementation ou tout simplement celui en dessous duquel il ne crée pas de gêne pour les personnes ou ne pas risquer d’occasionner des dégâts matériels (vibrations). Nous avons déjà mentionné des sources de bruits dans le domaine du génie climatique que sont : - les ventilateurs - les pompes - les compresseurs Il existe d’autres sources de bruits que sont : - les conduits - les bouches - les registres de réglage DEFINITIONS 1.3.13 La puissance sonore La puissance sonore Lw exprimée en décibels (dB) est une donnée spécifique qui est utilisée pour caractériser la source de bruit elle même. Elle présente trois intérêts : - caractérisation de l’équipement - base de tout calcul - base de toute comparaison Pour un ventilateur, le niveau de puissance acoustique est donnée par la formule W avec : suivante : Lw = 10 ⋅ Log Wa W : puissance acoustique du ventilateur en W Wa : puissance acoustique de la source de bruit de référence = 10-12 W Pour un conduit droit, la puissance sonore engendrée peut s’exprimer par la relation suivante : Lw = 10 + 50 ⋅ Log (W ) + 10 ⋅ Log ( A) avec : W : vitesse de l’air en m/s A section du conduit en m² [email protected] 83 Technologie de Climatisation 1.3.14 La pression sonore La pression sonore (Lp exprimée en dB) est une donnée spécifique pour caractériser la source de bruit elle même. Elle présente deux intérêts : - caractérisation de l’équipement dans son environnement (position, distance, local…) - résultat à obtenir dans le local La pression sonore se mesure à l’aide d’un sonomètre. 2 P Elle s’exprime par la relation suivante : L p = 10 ⋅ Log avec : Po P : Pression acoustique en Pa Po : Pression de référence, seuil d’audibilité à 1000 Hz = 2.10-5 Pa 1.3.15 Commentaires et calculs sur des niveaux sonores La puissance sonore et la pression sonore sont toutes exprimées en dB mais il s’agit de deux grandeurs physiques différentes. La puissance est une caractéristique intrinsèque du matériel tandis que la pression caractérise ce matériel dans son environnement. Variation Pression Excitation 10 100 1000 Tableau 11 Sensibilité de l’oreille Impression de l’oreille Logarithme (base 10) Sensation 1 1 = Log 10 2 2 = Log 100 3 3 = Log 1000 Addition de niveaux sonores Soit une puissance appliquée de 10-6 W Le niveau de puissance correspondant est de 60 dB. En supposant que la puissance appliquée double, quelle sera le niveau de puissance correspondante ? Lw = 10 Log (2 x 10-6/10-12) = 10 Log 2 + 10 Log (10-6/10-12) = 3 +60 = 63 dB Conclusion : Lorsque la puissance sonore double, la sensation auditive n’est pas doublée. Attention : Les niveaux de puissance peuvent s’additionner sans risque mais pour les niveaux de pression, il faut vérifier que l’environnement est le même. Courbes isophoniques [email protected] 84 Technologie de Climatisation L’oreille humaine n’entend pas tous les sons de la même manière : 60 dB à 63 Hz (graves) ne sont pas aussi bien perçus que 60 dB à 1000 Hz (aigus). L’homme est plus réceptif aux hautes qu’aux basses fréquences. Cela nous amène à introduire la notion de courbes isophoniques, c’est-à-dire des courbes d’égale sensation du son : par exemple l’oreille perçoit la même sensation pour un son de 50 dB à 100 Hz que pour un son de 20 dB à 1000 Hz (Diagramme Fletcher - Munson). Figure 50 Diagramme Fletcher - Munson Pondération A A partir des courbes isophoniques, il a été établi une pondération « A » restituant la sensibilité différentielle de l’oreille en fonction des fréquences ou le niveau des basses fréquences, peu entendues est abaissé. Le dB(A) représente ce qu’entend l’oreille pour des faibles niveaux (< 60 db(A)). Le calcul de cette pondération s’effectue par l’ajout des coefficients suivants à la valeur réelle en dB. Fréquence (Hz) 63 125 150 500 1000 2000 4000 Pondération A -26.7 -16.3 -8.5 -3 0 +1.2 +1 NB : pour distinguer le dB(A) du dB non pondéré, on appelle souvent ce dernier dB(lin). Il existe 2 autres pondérations : la B et la C pour des niveaux plus importants (< 85 dB pour la B, > 85 dB pour la C) Calcul du niveau global En considérant un spectre en bande d’octave, le calcul global se réalise en ajoutant deux à deux les valeurs des niveaux de chaque bande de fréquence. Ce niveau global peut être calculé soit en dB(lin), soit en dB(A). Critères de confort Deux spectres sonores différents mais identiques en niveau global dB(A) peuvent représenter une gêne différente notamment si un de ces spectres présente une émergence significative dans une bande par rapport aux bandes adjacentes. Pour des raisons de confort, plusieurs critères ont été définis afin de prendre en compte ce phénomène, tels que le Noise Criteria (NC) utilisé aux Etats Unis et le Noise Rating (NR) adopté en norme ISO et NF. Le Noise Rating (ISO) : pour respecter une courbe NR donnée, il faut que le spectre se situe en dessous de la courbe NR sur toutes les bandes de fréquences. Niveaux acoustiques préconisés On distingue 2 cas de figures suivant que l’on soit à l’intérieur ou à l’extérieur du bâtiment. [email protected] 85 Technologie de Climatisation A l’extérieur du bâtiment, les limites fixées tiennent compte de l’implantation ? La valeur maximale peut être définie comme une émergence par rapport au bruit ambiant (3 à 5 dB (A) suivant les cas). A l’intérieur des locaux, il existe des exigences réglementaires. Le tableau suivant rend compte des recommandations du Giac (Groupement Interprofessionnel d’Aide au Conseil). Tableau 12 Niveaux de pression acoustique Type de local Niveau de pression acoustique Exigence haute Exigence basse dB(A) dB(A) Restaurant d’entreprise 35 50 Restaurant, cafétariat 35 45 Foyer - salle fumeur 35 45 Salle de réunion 30 40 Piscine sportive, patinoire 40 45 Piscine ludique 45 50 Salle de relaxation 30 35 Salle EPS 35 45 Gymnase 40 50 Grande salle, palais sports 40 50 Atrium 40 50 Galerie marchande 45 55 Hall d’aéroport 40 50 Hall de gare, d’exposition 45 55 Magasin de vente 40 50 Lieu de culte, église 30 45 Musée 30 40 Type de bâtiment Garderie d’enfants Commerces Bureaux Restaurants Tableau 13 Niveaux de pression sonore Type de local Niveau de pression sonore dB(A) A B C Crèches 30 40 45 Maternelles Supermarchés 40 45 50 Bureaux et salles de conférence 35 40 45 Bureaux paysagés Cafétérias et restaurants 35 45 50 Les lettres A, B, C correspondent à des catégories de bâtiments et n’ont aucune relation avec les pondérateurs A, B ou C apportés au dB (d’après projet de norme européenne CEN TC 156/WG 6) MATERIEL [email protected] 86 Technologie de Climatisation Une classification du matériel d’amortissement acoustique est donnée comme suit : Les baffles acoustiques Il en existe pour les moyennes et hautes fréquences et pour les basses et moyennes fréquences. Ils sont généralement constitués d’un cadre en acier galvanisé et de laine minérale monobloc revêtue d’un voile. (cf. figure 19) Les caissons rectangulaires acoustiques Ils ont constitués d’un caisson en acier galvanisé avec brides de raccordement et de baffles acoustiques. (cf. figure 19) Les silencieux cylindriques avec ou sans noyau Ils ont une forme circulaire avec une enveloppe extérieure en acier galvanisé, un isolant acoustique revêtu d’une tôle perforée. Ils peuvent être munis de noyau central sous forme d’ogive. (cf. figure 19) Les conduits acoustiques Ce sont des gaines semi rigides en aluminium et en polyester (quelquefois) avec un isolant acoustique. (cf. figure 19) Les plots antivibratiles Ils évitent la transmission des vibrations des machines tournantes à la structure du bâtiment. Il en existe 2 types : à ressorts et à caoutchouc. Les plots antivibratiles à ressorts sont constitués d’un carter en fonte, de ressorts en acier et d’un réglage de niveau en hauteur par vis central. Les plots antivibratiles caoutchouc sont en caoutchouc naturel protégé sur le dessus par une coupelle métallique. Figure 51 Plots antivibratiles Les matelas antivibratiles Ils sont en élastomère souple rainuré sur les 2 faces. Ils participent aux supportages des conduits et des petits caissons de ventilation. Figure 52 Matelas antivibratile [email protected] 87 Technologie de Climatisation TRAITEMENT ACOUSTIQUE D’UN LOCAL TECHNIQUE Des dispositions particulières peuvent être prises pour éviter la transmission des bruits d’un local technique aux locaux avoisinants : Isolement acoustique des murs et du plafond Il peut être prévu des parois doubles ou triples et des panneaux acoustiques dans le local lui-même. Dito pour le plancher qui peut être réalisé avec une chape flottante. Vibrations produites par les machines tournantes Des dispositions telles que l’emploi de plots antivibratiles peuvent être utilisées. Conduits aérauliques et tuyauteries Il faut prévoir l’utilisation de manchettes souples de raccordement aux divers appareils. Manchettes souples pour les conduits aérauliques Manchons antivibratiles pour les tuyauteries Matériau isolant entre le fourreau et les conduits (tuyauteries, gaines) Silencieux sur conduits de soufflage et/ou de reprise [email protected] 88 Technologie de Climatisation 1. DISTRIBUTION DE L’EAU DANS LES INSTALLATIONS GENERALITES La distribution de l’eau constitue un volet important des installations de climatisation et de conditionnement d’air. Lorsque la production du froid est assurée pour des groupes d’eau glacée, il faudra distribuer l’eau glacée à travers toute l’installation. Les principaux réseaux sont les suivants : - réseau de circulation de l’eau glacée (ou eau chaude) entre la production et les appareils terminaux (ventiloconvecteur, CTA...) - réseau de circulation de l’eau de refroidissement entre la production et les systèmes de refroidissement (pour les systèmes à condenseurs à eau) Chacun de ces réseaux peuvent faire l’objet de sous réseaux selon la configuration de l’installation. Dans le premier cas, il s’agit de transporter l’eau glacée depuis la production (évaporateur du groupe d’eau glacée) jusqu’aux batteries des appareils terminaux de climatisation ou de conditionnement. A ce niveau l’échange de chaleur entre l’air ambiant et la batterie froide du terminal est assuré pour refroidir le local, l’eau va se réchauffer par le transfert de chaleur du local et va revenir à l’organe de production pour être refroidie à nouveau et le cycle recommence. Dans le second cas de figure, il s’agit des groupes de production d’eau glacée où les condenseurs sont à eau c’est-à-dire que leur refroidissement est assuré par de l’eau. Il s’agit d’un type donné des GEG (groupes d’eau glacée). La distribution d’eau servira dans ce cas à transférer l’eau chaude issue du refroidissement des condenseurs vers une tour de refroidissement où sa température va s’abaisser par un échange thermique avant de revenir aux condenseurs pour assurer à nouveau le refroidissement et le cycle recommence. LES DIFFERENTS TYPES DE RESEAUX DE DISTRIBUTION D’EAU Les réseaux peuvent être classés suivant la nature du fluide véhiculé : - eau glacée (processus industriel, climatisation, conditionnement d’air) - eau chaude (processus industriel, chauffage) - eau glycolée (processus industriel) Suivant la nature du matériau, on peut retenir : - les réseaux en acier (acier noir, acier galvanisé) - les réseaux en fonte - les réseaux en cuivre - les réseaux en PVC Suivant le régime du circuit d’eau dans les tuyaux aller et retour : - régime 7°C / 12°C (eau glacée) - régime 6°C / 10°C ‘eau glacée) - régime 30°C / 35 °C (eau de refroidissement des condenseurs) [email protected] 89 Technologie de Climatisation En conditionnement d’air, les réseaux de distribution sont généralement en acier noir. Ces dernières années l’utilisation du PVC (spécial) a connu un certain essor. Dans certains cas de figure, les réseaux sont calorifugés dans le but de : - diminuer les déperditions thermiques sur le parcours de la distribution - éviter les phénomènes de condensation qui se produisent chaque fois que la température superficielle du conduit est inférieure à la température de rosée de l’ambiance autour de ce conduit. Les matériaux d’isolation généralement utilisés sont : - les coquilles de polystyrène (généralement utilisées en double couche et croisées) - les coquilles de polyuréthane ou de styrofoam - les manchons en armaflex (élastomère alvéolaire) - la laine de verre en rouleau (eau chaude) Les ponts thermiques sont à éviter dans toute installation avec des conduits isolés. Comme dans le cas des gaines isolées situées à l’extérieur, il est nécessaire de prévoir une protection mécanique pour les tubes isolés situés à l’extérieur. Les protections mécaniques les plus rencontrées sont : - le ciment avec grillage déployé - le revêtement isoxal (aluminium) Le revêtement isoxal est quelque fois préconisé pour des tubes situés à l’intérieur pour certains locaux techniques. Il ne faudra pas perdre de vu que le revêtement isoxal engendre un coût financier important. Sur le marché, on retrouve des tubes pré-isolés et même des tube pré-isolés avec revêtement mécanique. Il faudra se référer au catalogue constructeur pour les caractéristiques techniques de ses matériaux. Figure 53 Schéma de principe de la distribution d’eau [email protected] 90 Technologie de Climatisation DIMENSIONNEMENT DES RESEAUX DE DISTRIBUTION Le dimensionnement des réseaux de distribution d’eau est basé sur la méthode des pertes de charges (PDC) constantes. Il est souvent fait appel aux abaques et aux règles de calcul. Les singularités (coudes, tés, réductions…) seront remplacées par des longueurs équivalentes de tronçons droits. La détermination du diamètre principal sera effectué sur la base du débit global et de la vitesse de départ de l’eau. Ces éléments permettront de déterminer le diamètre de la conduite principale ainsi que la PDC correspondante. Cette PDC supposée constante sera utilisée pour fixer les diamètres des tronçons secondaires en fonction des débits véhiculés. Bien souvent les tuyauteries principales seront fixées par les diamètres des raccordements de la machine frigorifique ou du composant à raccorder (évaporateur, condenseur, batterie…). Cependant, suivant la capacité de l’installation, le diamètre de raccordement peut être quelque fois inférieur aux diamètres de raccordement du groupe frigorifique. Au niveau des appareils terminaux (ventiloconvecteurs), le diamètre de la tuyauterie terminale ne pourra être inférieur aux connexions de l’appareil. Bien au contraire, la tuyauterie finale peut être plus grande d’un pas par exemple aux connexions de l’appareil terminal. La vitesse maximale préconisée dans les installations est de 2 m/s. Les vitesses minimales terminales au niveau des appareils terminaux sont de l’ordre de 0.2 m/s. La plage des vitesses acceptables est de 0.2 m/s à 2m/s. La figure donnée en annexes 3 permet de déterminer les dimensions des différents tronçons d’un réseau. Tableau 14 Longueur équivalente de perte de charge local (mètres) Dim. Nominal 15 20 25 32 40 50 65 80 Tuyau (mm) Coude 0.5 0.6 0.9 1.1 1.3 1.6 2.1 2.6 Té lisse 0.3 0.4 0.6 0.8 0.9 1.1 1.4 1.7 Té passant 1 1.3 1.8 2.3 2.8 3.5 4.2 5.7 Robinet 0.1 0.15 0.2 0.3 0.35 0.4 0.5 0.6 Reducer (3/4) 0.1 0.15 0.2 0.3 0.35 0.4 0.5 0.6 Vanne sphériq. 4.5 6.5 9.0 11 16 21 26 30 [email protected] 91 Technologie de Climatisation LES ACCESSOIRES DE RESEAUX DE DISTRIBUTION D’EAU Le tracé des réseaux de distribution nécessite la mise en œuvre d’organes de robinetterie et d’accessoires annexes. Les accessoires rencontrés sur un réseau de distribution d’eau glacée sont : 1.3.16 Les vannes ou robinets Ce sont des organes de fermeture ou d’ouverture. Les plus rencontrés sont les vannes à boisseau sphérique et les vannes papillon. Ce sont des organes à action manuelle. Cependant, ils peuvent être motorisés par l’adjonction d’un servomoteur. Figure 54 Vanne à boisseau sphérique Figure 55 Vanne papillon 1.3.17 Les vannes de réglage (vannes Quitus) Ce sont des vannes dont le débit est réglable. Ce réglage peut être effectué à l’aide d’une mallette de réglage ou manuellement par l’utilisation d’abaques. Figure 56 Vanne de réglage [email protected] 92 Technologie de Climatisation 1.3.18 Les Vannes 2 voies (V2V), 3 voies (V3V), 4 voies (V4V) Les V2V sont des vannes commandées par un servomoteur permettant l’ouverture ou la fermeture de la vanne suivant une consigne extérieure. Certains versions peuvent assurer une ouverture ou fermeture modulante en fonction de la consigne. Les V3V sont des vannes avec deux entrées et une sortie. Ce sont des vannes motorisées. Une des entrées est ouverte ou fermée suivant une consigne extérieure. L’ouverture ou la fermeture de cette entrée peut être modulante suivant les modèles. Les V4V sont utilisées pour assurer la circulation d’un fluide ou d’un autre suivant sa position. Son application classique reste le fonctionnement en chauffage ou en refroidissement d’un même appareil suivant la saison. Figure 57 Vannes 2 voies / 3 voies 1.3.19 Les clapets anti-retour Ce sont des organes qui n’autorisent que le passage de l’eau dans un seul sens. Ils sont généralement placés au refoulement des pompes. Figure 58 Clapet anti-retour [email protected] 93 Technologie de Climatisation 1.3.20 Les filtres et les systèmes de traitement de l’eau Ce sont généralement des filtres à tamis dont le rôle est de retenir les impuretés contenues dans les conduits. Ils sont généralement placés à l’entrée des pompes. Les systèmes de traitement de l’eau trouvent leur utilisation dans certains cas de figure où les caractéristiques de l’eau doivent obéir à certaines exigences d’ordre technique. Ils sont généralement mis en œuvre sur la ligne d’appoint ou de remplissage du circuit. Pour les circuits d’eau glacée, un adoucisseur est généralement suffisant. Pour l’eau de refroidissement des condenseurs, il est quelques fois mis en oeuvre des traitements anti-tartre (contrôle de conductivité de l’eau, purge d’eau et remplissage du bac de la tour de refroidissement) et/ou biocide (contre le développement des microbes, des bactéries et des algues). Figure 59 Filtres à tamis Figure 60 Adoucisseur 1.3.21 Les manchettes antivibratoires Ce sont des accessoires qui permettent d’amortir les vibrations entre les appareils en mouvement et les conduits. Ils sont généralement placés aux raccordements des groupes frigorifiques ainsi qu’à l’entrée et la sortie des pompes. 1.3.22 Les disconnecteurs Ils jouent le rôle de non-retour et sont généralement placés sur la ligne d’appoint en eau de ville ou la ligne de remplissage du circuit. [email protected] 94 Technologie de Climatisation 1.3.23 Les compteurs d’eau Ils sont généralement placés sur la ligne d’appoint en eau de ville et renseignent sur la quantité d’eau en appoint ou la quantité d’eau nécessaire au remplissage du circuit. Figure 61 Compteur d’eau 1.3.24 Les contrôleurs de débit Ces organes rendent compte de la circulation de l’eau par l’établissement d’un contact électrique. Ils font souvent office de protection, coupant par exemple la production d’eau glacée en cas de manque d’eau dans l’évaporateur d’un groupe ou autorisant la production d’eau glacée en cas de présence d’eau après l’ordre de démarrage du groupe. Figure 62 Contrôleur de débit 1.3.25 Les purgeurs d’air Ces organes permettent d’évacuer l’air qui s’est introduit dans les conduits. Ils existe des purgeurs automatiques mais ils peuvent être manuels par l’utilisation d’une vanne de faible diamètre. Le purgeur est généralement placé en tête de colonnes car c’est dans ces endroits que l’air se réfugie. Figure 63 Contrôleur de débit [email protected] 95 Technologie de Climatisation 1.3.26 Les lyres et coudes de dilatation Les contractions des tuyauteries qui résultent des différences de température peuvent être absorbées par des lyres ou des coudes. 1.3.27 La bouteille tampon Dans certaines applications de distribution d’eau glacée ou d’eau chaude, le réseau est constitué d’un réseau primaire et d’un réseau secondaire. Le primaire concerne en généralement la production d’eau glacée ou d’eau chaude et le secondaire se charge de la distribution de l’eau aux terminaux. La jonction entre les deux réseaux est assurée par un réservoir appelé bouteille tampon. Cette bouteille joue le rôle de découplage entre la production et la distribution d’eau glacée, elle peut se comporter ainsi comme un accumulateur de froid. 1.3.28 Les organes de mesures Ce sont les généralement les thermomètres et les manomètres qui renseignent respectivement sur la température et la pression en un point donné du conduit. Figure 64 Manomètres [email protected] Figure 65 Thermomètres 96 Technologie de Climatisation 1.3.29 Les pompes et surpresseurs Les pompes assurent la circulation de l’eau depuis la production jusqu’à la distribution. Ce sont généralement des circuits fermés et les pompes serviront à vaincre les PDC dues à la tuyauteries ainsi qu’aux organes annexes (batteries appareils terminaux, coudes, vannes…). Le terme circulateur devrait donc être utilisé à la place de pompe. Les surpresseurs en conditionnement d’air permettent de maintenir un niveau de pression suffisant dans le réseau. Appelés aussi groupes de maintien de pression, ils sont composés en général de pompes et d’une ou plusieurs bâches suivant les cas. Figure 66 Circulateurs [email protected] 97 Technologie de Climatisation LES CONDENSATS Les condensats représentent l’eau issue de la condensation de la vapeur d’eau contenue dans l’air au contact des batteries froides des appareils de climatisation. Pour rappel, le phénomène de condensation apparaît chaque fois que la température périphérique de la batterie tombe en dessous du point de rosée de l’ambiance. Ceci est généralement le cas pour les installations de climatisation et l’eau est recueillie dans un bac de rétention (isolé la plus part des cas) puis évacuée à l’aide d’un conduit vers l’extérieur ou vers les évacuations EP (eaux pluviales) par exemple. Le tracé des évacuations doit faire l’objet d’attentions particulières : - respecter une pente d’évacuation - les tronçons en plafonds doivent être calorifugés dans la plus part des cas (calcul à faire) - le raccordement au niveau des appareils nécessitent la mise en œuvre de siphons pour permettre un bon écoulement d’une part et d’autre part éviter dans quelques cas la remontée des odeurs - le raccordement des condensats avec d’autres réseaux (EP par exemple) doit respecter un certain nombre de règles au risque de transformer ce point soit en un lieu d’évacuation des eaux concernées, soit à un endroit avec des odeurs - les évacuations verticales lorsqu’elles sont directement raccordées à un regard par exemple peuvent ne pas être isolées Dans les cas de figures ou une évacuation naturelle n’est pas possible (problème de pente), il est fait appel à des pompes de relevage. Certains équipements tels que les unités intérieures du type cassette sont équipées d’origine de pompes de relevage. Les réseaux d’évacuation sont généralement réalisés en PVC qualité évacuation et l’isolant généralement employé est l’armaflex (manchons caoutchouc). [email protected] 98 Technologie de Climatisation 1. REGULATION DEFINITION En définition, une installation du génie climatique a pour but la maîtrise des conditions intérieures d’un local donné. Ce qui suppose la mise en œuvre d’équipements capables de produire les conditions intérieures désirées d’une part et d’autre part d’assurer le maintien de ces conditions en fonction des perturbations extérieures et intérieures; ainsi intervient le rôle de la régulation. De manière générale, une boucle de régulation comprend : - un organe de détection de la grandeur à régler (température, humidité, pression...) - un régulateur qui compare la valeur mesurée avec la valeur de consigne de la grandeur à régler et en fonction de l’écart constaté va élaborer un signal de réglage - un actionneur qui va agir en fonction du signal de réglage - un organe de réglage qui de part son positionnement via l’actionneur va agir de façon à réduire le plus possible l’écart constaté Il convient de se familiariser avec certains termes utilisés dans la régulation : Le point de consigne C’est la température ou la pression statique ou le niveau d’humidité que la régulation cherchera à maintenir à l’endroit où se trouve la sonde. C’est à partir du point de consigne qui lui a été fixé que le régulateur va émettre son signal. Par exemple, le régulateur identifie le point de consigne à partir de la tension reçue du détecteur, la température de consigne de 25°C est atteinte si pour une sonde de 0 à 100° C qui transmet un signal de 0 à 10 V, la tension émise est de 2.5 V. Le régulateur augmentera ou réduira de son côté la tension transmise à l’actionneur de sorte à se rapprocher du point de consigne. La bande proportionnelle C’est le degré de tolérance de la variable contrôlée proportionnellement au signal reçu de la sonde. Lorsque la tension émise par la sonde s’écarte de celle du point de consigne, le régulateur réagit et modifie lui aussi la tension émise vers l’appareil contrôlé Par exemple, pour une température de consigne de 25°C + ou – 2°C et une sonde dont la plage de mesure est comprise entre 0 et 100°C, la bande proportionnelle est de : BP = 27 –23 / 100 – 0 =4% Le degré d’autorité C’est un ajustement du régulateur lorsque celui-ci reçoit les signaux simultanément de deux transmetteurs (détecteurs). Ce genre de situation survient lorsqu’on veut modifier par exemple le point de consigne par rapport à l’évolution de la température extérieure (ou une autre variable). Le degré d’autorité spécifie de combien le point de consigne du transmetteur principal sera déplacé pour chaque unité de variation du transmetteur secondaire. Ainsi, il est égal à : DA = Différence de tension de la plage de contrôle du transmetteur principal / Différence de tension de la plage de contrôle du transmetteur secondaire DA = Différentiel de température / Différence de température du transmetteur secondaire x Plage du transmetteur secondaire / Plage du transmetteur principal [email protected] 99 Technologie de Climatisation Exemple : Si nous voulons faire varier la température de consigne selon la température extérieure telle que : Pour T ext = 32°C – T cons = 23°C Pour T ext = 36°C – T cons = 25°C Les deux transmetteurs ont des plages de mesure de 0 à 100°C DA = (25-23)/(36-32)x(100-0)/(100-0) = 50% LES ORGANES DE DETECTION OU DETECTEURS Les détecteurs permettent de saisir la valeur instantanée de la grandeur à régler et de la convertir en une grandeur physique exploitable qui peut être : - un mouvement mécanique - une résistance ohmique - un signal standard (0-10V, 4-20mA...) Les principaux détecteurs rencontrés en génie climatique sont : - les détecteurs de température - les détecteurs d’humidité - les détecteurs de pression - les autres détecteurs (qualité de l’air, CO2, enthalpie...) 1.3.30 Les détecteurs de température Les détecteurs de températures sont constituées d’un élément sensible à la température dont les modifications d’états font varier un signal de sortie en fonction de la variation de la température. On peut citer différents types de détecteurs de température : - les détecteurs à dilatation qui fonctionnent en tout ou rien (thermostats) - les détecteurs à sortie proportionnelle à la température Les thermostats permettent d’établir ou de couper un contact électrique (ou pneumatique) lorsque la consigne de température est atteinte. Il regroupe à la fois les organes de détection et de régulation. Parmi les thermostats, il faut distinguer : - les détecteurs à tige métallique (tige à fort coefficient de dilatation thermique associée à une tige dont la dilatation est à peine sensible à la température) - les détecteurs à bilame (deux métaux enroulés et ayant des coefficients de dilatation thermique différents) - les détecteurs à membrane et tube capillaire (dilatation en fonction de la température d’un fluide liquide ou gazeux) Pour les détecteurs à sortie proportionnelle, c’est-à-dire que le signal de sortie varie en fonction des variations du signal d’entrée (température), l’organe de détection peut être: - résistances en platine ou nickel - éléments semi-conducteurs spéciaux - thermo - éléments (couple de deux métaux différents soudés ensemble et dont l’élévation de température entraîne une tension thermoélectrique) Suivant type de régulateur associé, ces détecteurs peuvent être montés directement dans le circuit de mesures du régulateur ou couplés avec un transformateur de mesure qui convertit le signal de sortie en un signal électrique standard (0-10V, 4-20mA) [email protected] 100 Technologie de Climatisation 1.3.31 Les détecteurs d’humidité Les détecteurs d’humidité sont constitués d’organes sensibles que sont des corps hygroscopiques (matériaux synthétiques, coton, sois, faisceau de cheveux) qui se dilatent ou se rétractent en fonction de la variation de la température ambiante. Lorsque l’élément sensible est monté avec un contact approprié, on parle d’hygrostat. Un hygrostat regroupe donc les organes de détection et de régulation, il permet ainsi d’établir ou de couper un contact électrique (ou pneumatique) lorsque la consigne d’humidité est atteinte. Il existe un autre type de régulateur qui à l’inverse des hygrostats qui fonctionne en tout ou rien, réagit aux variations d’humidité par des variations de résistances électriques ou de capacités de certains matériaux. Pour ces régulateurs, le signal de sortie peut servir d’entrée à un régulateur ou faire l’objet d’une transformation pour produire un signal électrique standard. 1.3.32 Les détecteurs de pression Les détecteurs de pression permettent de rendre compte de la pression dans un fluide liquide ou gazeux. Il peut s’agir de pression absolue ou de pression différentielle. Les types de détecteurs de pression rencontrés sont : - les détecteurs à capsules à membrane (la déformation mécanique est convertie en un signal électrique qui peut servir de grandeur d’entrée pour un régulateur ou transformé en un signal standardisé, la plage de mesures peut s’étaler de 100mbar aux pressions les plus élevées) - les détecteurs à cellule céramique capacitive (plage de mesures de 5 mbar à 40 bar) - les détecteurs à cellule métallique piezorésistive (sur une plage de mesures de 0.5 mbar à 400 bar) 1.3.33 Autres détecteurs On peut citer : - les détecteurs de qualité d’air , ces détecteurs permettent de rendre compte de la concentration relative d’un mélange de gaz (vapeur de cuisine, fumée de tabac...) sur une échelle de 0 à 10, le signal de sortie étant du type 0 à 10V. les détecteurs de CO2, il s’agit de la mesure d’un gaz précis les détecteurs d’enthalpie, ils rendent compte de l’enthalpie d’une ambiance, ils sont composés de deux sondes de mesure (température et humidité) et d’un calculateur qui calcule la valeur de l’enthalpie, ils sont généralement associés à des régulateurs d’enthalpie dans le souci d’optimisation énergétique des installations [email protected] 101 Technologie de Climatisation LES REGULATEURS En définition, un régulateur est un appareil capable de comparer une valeur mesurée avec une valeur de consigne de la grandeur à régler et en fonction de l’écart constaté va élaborer un signal de réglage. Le régulateur reçoit un signal d’entrée en provenance du détecteur et élabore un signal de sortie suivant des bases prédéterminées de manière à ce que la grandeur réglée reste égale à la valeur de consigne. On distinguera les régulateurs fonctionnant sans énergie auxiliaire et les régulateurs fonctionnant avec une énergie auxiliaire. 1.3.34 Les régulateurs fonctionnant sans énergie auxiliaire Pour ce type de régulateur, la valeur instantanée de la grandeur réglée agit directement sur l’actionneur (régulateur à action directe). Pour exemples, on peut citer : - régulateurs de pression pour vanne 2 voies (l’énergie du fluide fournit l’énergie nécessaire à la commande de vanne) - robinets thermostatiques 1.3.35 Les régulateurs fonctionnant avec énergie auxiliaire Parmi ce type de régulateur, il faut distinguer : - les régulateurs électriques - régulateurs pneumatiques Les régulateurs électriques Les régulateurs électriques sont divisés en régulateurs électromécaniques et en régulateurs électroniques. Les régulateurs électromécaniques Il s’agit de régulateurs du type à action discontinue. On retiendra : - la régulation en tout ou rien - la régulation à sortie flottante (3 positions) La régulation tout ou rien suppose 2 et seulement 2 états de fonctionnement (contact établi ou pas, contact coupé ou pas, consigne atteinte ou pas) tandis que la régulation 3 positions (également appelée régulation flottante) permet de prendre toute position intermédiaire entre deux positions extrêmes. Ce sont généralement les régulateurs de température (détecteur = bilame), d’humidité (détecteur =corps hygroscopique) et de pression (détecteur = membrane). Ces régulateurs réagissent à une impulsion mécanique qu’ils transforment en signal électrique (établissement ou coupure d’un contact), d’ou le nom de régulateur électromécanique. [email protected] 102 Technologie de Climatisation Les régulateurs électroniques Ces régulateurs ont comme signal d’entrée une grandeur analogique issue de détecteurs (température, humidité ou pression). Ce signal est transformé en signal numérique, traité (suivant des algorithmes ou fonctions de transitions) et retransformé en signal analogique pour attaquer l’actionneur. Ces régulateurs sont constitués de composants électroniques (microprocesseurs) d’ou l’appellation de régulateur électronique. Les fonctions de transition généralement rencontrés sont : - type proportionnel (P) - type intégral (I) - type proportionnel-intégral (PI) - type propotionnel-intégral-dérivé (PID) Les régulateurs pneumatiques Pour ce type de régulateur, l’énergie auxiliaire est de l’air comprimé. C’est une régulation du type à action proportionnelle c’est-à-dire qu’à chaque valeur de température, d’humidité ou de pression correspond une position déterminée de l’organe de réglage. Les principaux éléments d’une telle régulation sont : - la production d’air comprimé (compresseur y compris réservoir d’air comprimé) - les détecteurs de température, humidité, pression... - les servomoteurs pour la commandes des organes de réglage (vannes et registres) - les tuyauteries de liaison (cuivre ou acier ou matériau synthétique) entre les différents composants On distinguera les régulateurs : - à action directe (la pression augmente quand la valeur instantanée température, humidité...) augmente - à action inverse LES ACTIONNEURS Dans les installations du Génie climatique, les actionneurs assureront la modification du positionnement des organes de réglage qui vont agir soit sur le débit d’eau, soit sur le débit d’air. Les actionneurs agissent sur les organes de réglage suivants : - les vannes (pour ce qui est du débit d’eau) - les registres (modulation du débit d’air) - les clapets coupe-feu (interruption du conduit d’air) - les volets de désenfumage (ouverture de conduits pour assurer évacuation des fumées) Les actionneurs sont généralement regroupés sous l’appellation servomoteurs Un servomoteur se positionne sur la base d’un signal de commande qui est lui-même issu d’un régulateur Il faut noter le cas particulier de servomoteur commandé par une information issue d’un détecteur sans régulateur à proprement parlé, on parle lors de servomoteur à action directe. [email protected] 103 Technologie de Climatisation Il existe différents type de servomoteurs suivant l’énergie utilisée pour les mouvoir : - servomoteurs thermiques - servomoteurs pneumatiques - servomoteurs hydrauliques - servomoteurs électriques On s’intéressera aux servomoteurs électriques qui sont les plus utilisés dans le domaine du génie climatique. Les principales caractéristiques d’un servomoteur sont : - sa force (en N) ou son couple (en N.m) - son temps de positionnement - sa sécurité (autrement dit la position qu’il occupe en cas de défaut d’alimentation) - sa tension d’alimentation Un servomoteur est quelque fois associé à un régulateur et à un détecteur et ce en une seule unité (exemple : installation VAV volume d’air variable) LES ORGANES DE REGLAGE Suivant la nature du fluide, on distinguera les vannes qui serviront au réglage du débit des fluides liquides (eau glacée, eau chaude...) et l’ensemble registres-claptes coupe feuvolets pour les fluides gazeux, en particulier l’air. 1.3.36 Les vannes Les vannes peuvent être classées suivant différents critères : - le diamètre nominal DN en mm (15, 20, 25, 32...) - la pression nominale en bar (6, 10, 12...) - le matériau du corps (corps en fonte grise, en bronze, en fonte d’acier) - le matériau du siège et obturateur (en bronze ou en acier inoxydable) - le type d’assemblage (brides, manchons, à braser) - le nombre de voies (2 voies, 3 voies, 4 voies) - le montage (en mélange ou en répartition) - la forme du clapet - la source d’énergie (électrique, pneumatique, hydraulique) 1.3.37 Les registres – Clapets Coupe Feu – Volets de transfert Les registres, clapets et volets sont des organes insérés dans les conduits et qui permettent de réguler le passage du débit d’air à travers ces conduits. Le registre désigne un ensemble de plusieurs lames qui vont s’ouvrir ou fermés suivant un certain angle et ce suivant l’effet de l’actionneur. Le clapet coupe feu est un organe dont la section est identique généralement au conduit dans lequel il est inséré et sa fonction est de se fermer en cas de détection incendie pour éviter la propagation du feu. Le volet de transfert est un organe de section généralement identique au conduit dans lequel il est disposé et sa fonction est de s’ouvrir en cas d’incendie pour assurer l’évacuation des fumées. [email protected] 104 Technologie de Climatisation Les éléments à prendre en compte dans le choix des équipements sont les suivants : - le couple nécessaire pour assurer la manœuvre de l’organe (fonction de la section du conduit et de la vitesse de l’air) - le débit de fuites (pour les registres) - le type de montage (pour les registres : montage en mélange, en prise d’air, en rejet d’air, en by-pass) Figure 67 Systèmes de régulation Système à volume d’air variable Plafond rafraîchissant Figure 68 Régulation Système VRV [email protected] 105 Technologie de Climatisation LA REGULATION INFORMATISEE OU COMMANDE CENTRALISE Le développement de la technologie permet aujourd’hui d’utiliser des procédés jusque la destinés aux industries dans la gestion des bâtiments. Ainsi, après la gestion informatisée de l’entretien vient la gestion informatique du fonctionnement des systèmes électromécaniques du bâtiment appelée automatisation ou commande centralisée ou gestion technique centralisée. Un système de commande automatique d’un bâtiment peut être très simple ou très compliqué. Tout système de commande automatique se compose de trois éléments fondamentaux qui sont : - le capteur qui peut être une sonde de température, d’humidité, etc. - le contrôleur ou régulateur qui reçoit le signal du capteur et qui le compare à la valeur de consigne fixée - l’appareil contrôlé qui peut être un moteur, une vanne, etc. L’ordinateur peut être couplé avec le système initial de contrôle. Il peut aussi remplacer le contrôleur et émettre directement les ordres selon la programmation faite. Cet outil de gestion de l’énergie dispose d’énormes possibilités. Il est capable de gérer plusieurs bâtiments à distance. Le technicien qui se propose d’installer un tel système dans le bâtiment dont il a la responsabilité est conduit à le faire pour : - Améliorer les conditions de confort et d’exploitation - Augmenter la sécurité - Réduire les coûts d’exploitation y compris ceux de l’énergie - Gérer le bâtiment avec plus d’efficacité Pour cela, divers logiciels de gestion allant des activités les plus simples aux plus complexes lui sont offertes : - Programmation des horaires d’arrêt et de départ - Contrôle énergétique - Réduction des appels de puissance - Cyclage des appareils - Optimisation des durées de fonctionnement - Optimisation de la ventilation - Optimisation des températures de l’air d’alimentation et de l’eau - Optimisation du fonctionnement des refroidisseurs - Régulation de l’éclairage - Contrôle des entrées et sorties dans l’édifice - Surveillance et sécurité dans le bâtiment - Etc. [email protected] 106 Technologie de Climatisation 1. DISPOSITIFS DE SECURITE CONTRE L’INCENDIE GENERALITES En cas d’incendie, les installation de génie climatique peuvent participer à l’extension du sinistre par : - la combustibilité des matériaux qui le constituent - le passage privilégié des fumées qui risquent d’envahir les locaux contigus A cet effet, il existe une réglementation (nombreux textes) et des normes relatives aux dispositifs de sécurité contre l’incendie. Les systèmes de protection incendie qui sont destinés à préserver la sécurité des biens et des personnes s’effectuent suivant deux types d’actions préventives : - la protection passive (compartimentage) - la protection active (désenfumage) Les mesures préconisées sont liées au classement du bâtiment. Suivant la réglementation française souvent adoptée en Afrique francophone, on peut retenir : - la circulaire du 7 juin 1974 relatif au désenfumage dans les immeubles de grande hauteur (IGH) - l’arrêté du 18 octobre 1977 portant règlement de sécurité pour la construction des IGH - l’arrêté du 25 juin 1980 portant approbation des dispositifs générales du règlement de sécurité contre les risques d’incendie et de panique dans les établissements recevant du public (ERP) - la circulaire du 3 mars 1982 relative aux instructions techniques prévues dans le règlement de sécurité des établissements recevant du public (ERP) ; cette circulaire comporte plusieurs annexes dont les instructions techniques (IT) N° 246 et 247. Il existe bien d’autres références de textes. Il existe des définitions propres aux dispositifs de sécurité incendie : - la zone qui représente un volume correspondant selon le cas à un local, un niveau, une cage d’escalier, un canton, un secteur ou un compartiment. Il existe des zone de Détection (ZD) et des Zones de mise en Sécurité (ZS). - le Système de Sécurité Incendie (SSI) qui désigne l’ensemble des matériels servant à collecter tous les ordres ou informations liés à seule sécurité incendie. Dans sa version élaborée, on retrouve les SDI (Système de Détection Incendie) et les SMSI (Système de Mise en Sécurité Incendie) - le Dispositif Actionné de Sécurité (DAS) est le dispositif qui participe directement et localement à la mise de sécurité et ce par changement d’état. [email protected] 107 Technologie de Climatisation LA PROTECTION PASSIVE La protection passive ou compartimentage a pour but d’éviter la transmission de fumées mais aussi des flammes d’un local à l’autre par l’intérieur d’un conduit aéraulique, d’une grille ou d’une bouche. On peut citer le matériel suivant utilisé pour la protection passive : - les bouches murales pare flammes 1 heure (1H) et 2 heures (2H) - les bouches coupe-feu 1H et 2 H - les clapets terminaux pare-flammes - les clapets terminaux coupe feu 30 mn, 45 mn, 90 mn - les clapets coupe-feu (CCF) 1H et 2H (cf. figure 20) Les clapets coupe-feu (CCF) occupent une place de choix dans la protection des constructions (en ERP et en IGH). Il s’agit généralement de CCF 2H 500Pa. Les CCF sont soit circulaires (diamètres normalisés), soit rectangulaires. Le mécanisme de commande peut être : - autocommandé (déclenchement sans ordre extérieur), l’équipement est constitué d’un fusible thermique 70°C, le ré-enclenchement est manuel. - télécommandé (déclenchement avec ou sans ordre extérieur), l’équipement est constitué d’un fusible thermique 70°C et d’un déclencheur électromagnétique 24Vcc ou 48 Vcc à émission ou à rupture, le ré-enclenchement est manuel. - télécommandé avec réarmement motorisé, dito ci-dessus mais l’équipement comporte en plus un moteur de réarmement 24Vcc/Vca ou 48 Vcc/Vca. Figure 69 Bouches de ventilation et clapets terminaux [email protected] 108 Technologie de Climatisation LA PROTECTION ACTIVE La protection active ou désenfumage consiste à la mise en œuvre de ventilateurs ou la création de surpressions. Ces dispositifs permettent l’extraction à l’extérieur des fumées, des gaz toxiques et des imbrûlés et permettent de réaliser des conditions propices à la fuite du public et à l’intervention des secours. On peut classer le matériel de désenfumage suivant la liste ci-dessous : - les conduits qui doivent être incombustibles du point de vue réaction au feu et stables au feu au moins un quart d’heure quant à leur résistance au feu. Les caractéristiques de ces conduits répondent à des exigences diverses en fonction du type de construction - les volets de désenfumage sont des matériels normalement fermés qui sont placées sur des conduits de désenfumage. Ils s’ouvrent lorsqu’ il est nécessaire d’évacuer des fumées. L’ouverture est commandée par un fusible ou une bobine électromagnétique. Ils sont généralement CF 2 H. - les exutoires (placés sur les parois extérieures) et les pyrodomes (placés en toiture) sont utilisés pour l’évacuation des fumées des cages d’escalier à l’extérieur. - les ventilateurs sont utilisés pour évacuer les fumées des installations de désenfumage à extraction mécanique. Ils doivent pouvoir assurer leur fonction avec des fumées à 400°C pendant 2 heures. Figure 70 Volets de désenfumage [email protected] 109 Technologie de Climatisation 1. COMPARAISON ENTRE LES MEDIUMS DE TRANSFERT Les médiums de transfert d’énergie dans le domaine du génie climatique sont : - l’eau - l’air - les réfrigérants (R22, R407C…) Le tableau ci-dessous donne les coefficients de transfert d’énergie suivant le médium. Médium Type de transfert Chaleur échangée (kJ/kG) Eau Sensible 21 kJ/kG (Ceau = 4.18KJ/Kg/°C - ∆T=5°C) Air Sensible 10 kJ/kG (Cair = 1KJ/Kg/°C - ∆T=10°C) Réfrigérant Latent 205 kJ/kG (R22 / R407C) Evaporation à 0°C Pour une charge frigorifique de 30 KW, les calculs des conduits donnent les dimensions de conduits consignées dans le tableau ci-dessous. Médium Dimensions des conduits Hypothèses Eau 2 conduits de 50 mm ∆T=5°C chacun Pdc = 30 mm/m Air Combinaisons possibles : ∆T=10°C 600 mm x 600 mm Vitesse air = 7.5 m/s Diamètre 650 mm 1000 mm x 400 mm Réfrigérant 1 conduit 12 mm (liquide) Suivant abaques de sélection R407C 1 conduit 28 mm (gaz) Le tableau suivant est une simulation donnant la puissance consommée pour une charge frigorifique de 136 KW suivant le médium utilisé. Médium Puissance électrique Matériels mis en jeu consommée Eau 4.7 KW Pompes et moto-ventilateurs des terminaux Air 7.4 KW Moto-ventilateurs de soufflage/reprise Réfrigérant 2.5 KW Moto-ventilateurs des terminaux [email protected] 110 Technologie de Climatisation 1. TRAVAUX D’ ENTRETIEN DES INSTALLATIONS Les installations de Génie Climatique ont un besoin réel d’entretien régulier pour pouvoir fonctionner correctement. Jusqu’à une date récente, les travaux d’entretien visaient simplement le bon fonctionnement des installations mais depuis quelques années, ces travaux participent dans une certaine mesure à l’amélioration de l’efficacité énergétique des installations. Il faut noter que de manière implicite, les travaux d’entretien courant participent à l’amélioration de l’efficacité énergétique des installations. Concernant les travaux d’entretien courant, les opérations couramment rencontrées sont les suivantes : - le nettoyage des filtres et/ou leur changement en temps opportun le nettoyage des batteries (batteries froides ou chaudes, condenseurs, évaporateurs) le nettoyage des conduits et volets la vérification du fonctionnement des volets (motorisés ou pas) la vérification de l’étanchéité des entrées et sorties d’air (garnitures d’étanchéité des volets d‘air) la vérification des points de consigne du thermostat (ou autres accessoires) ainsi que leur calibration la vérification des accessoires d’entraînement la vérification de l’ampérage la vérification de l’exactitude des horaires des minuteries (arrêt/marche) la vérification des asservissements la lubrification des éléments tournants (moteurs, ventilateurs) la vidange de certains accessoires (compresseurs) la réduction des pertes sur le réseau aérauliques (mauvais joints, raccords souples déchirés) le contrôle du traitement chimique des eaux [email protected] 111 Technologie de Climatisation 1. BIBLIOGRAPHIE [1] : LE RECKNAGEL – TOME 3 – MANUEL PRATIQUE DU GENIE CLIMATIQUE – RECKNAGEL – SPRENGER - CHHRAMEK 3ème EDITION -PYC EDITION [2] : APPROCHE PRATIQUE DES INSTALLATIONS FRIGORIFIQUES ASSOCIATION MATAL FORMATION [3] : DOCUMENT PRISME – FORMATION D’EXPERTS-CONSEILS EN EFFICACITE ENERGETIQUE POUR LE SECTEUR INDUSTRIEL IEPF – ACCT - CMA [4] : MANUEL CARRIER – TOME 2 – DISTRIBUTION DE L’AIR CARRIER INTERNATIONAL LTD NEW YORK USA [5] : MEMOTECH GENIE ENERGETIQUE P. DAL ZOTTO – J.M. LARRE – A/ MERLET – L. PICAU EDITIONS CASTEILLA [6] : GUIDE DE L’ AERAULIQUE CATALOGUE France AIR EDITION 2002 - 2003 [7] : CLIMATISATION CONDITIONNEMENT D’AIR TOME 1 – TRAITEMENT D’AIR JACQUES BOUTELOUP – MICHEL LE GUAY – JEAN LIGEN [9] : CDROM ENERGIE+ - VERSION 3 ARCHITECTURE ET CLIMAT UNIVERISTE CATHOLIQUE DE LOUVAIN [10] : Sites INTERNET www.france-air.com www.jshumidificateurs.com www.ciat.fr www.daikin.be www.sika.net www.larobinetique.fr www.salmson.fr [email protected] 112 Technologie de Climatisation 1. ANNEXES 2. Annexes Désignation Dimensionnement réseaux aérauliques Courbes N°7 Pertes de charge dans les gaines circulaires Table 6 Diamètres et sections équivalents de gaines rectangulaires Table 7 Vitesses maximales recommandées dabs les réseaux basse pression Table 8 Pression dynamique Table 11 Pertes de charge dans les coudes circulaires Table 12 Pertes de charge dans les coudes rectangulaires Courbes N°9 Pertes dans les coudes et tés circulaires Table 13 Pourcentage de la section initiale pour perte linéaire constante Courbes N°10 Rapport L/Q Courbes N°11 Gains de pression statique (basse vitesse) Table 18 Poids des matériaux pour gaines Dimensionnement réseaux hydrauliques Figure 3.3.1.D Pertes de charge linéique des tubes en acier noir Eau glacée à 9°C Figure 3.3.1.E Pertes de charge linéique des tubes en acier noir Eau chaude à 35°C Figure 3.3.2.I Longueurs équivalentes Le [email protected] 113 Technologie de Climatisation [email protected] 114 Technologie de Climatisation [email protected] 115 Technologie de Climatisation [email protected] 116 Technologie de Climatisation [email protected] 117 Technologie de Climatisation [email protected] 118 Technologie de Climatisation [email protected] 119 Technologie de Climatisation [email protected] 120 Technologie de Climatisation [email protected] 121 Technologie de Climatisation [email protected] 122 Technologie de Climatisation [email protected] 123 Technologie de Climatisation [email protected] 124 Technologie de Climatisation [email protected] 125 Technologie de Climatisation [email protected] 126 Technologie de Climatisation [email protected] 127 Technologie de Climatisation [email protected] 128