Principe de fonctionnement |
Le
système de conditionnement d'air "tout air, à débit constant, double
gaine" est un système où deux niveaux de température d'air sont
préparés en centrale, puis distribués par deux gaines distinctes vers
le/les locaux. On l'appelle également "dual duct".
En pratique, un caisson central assure un premier
niveau de préparation de l'air (par exemple jusque 16°), puis une
batterie de post-chauffe et une de refroidissement préparent de l'air
chaud et de l'air froid, distribués dans deux gaines différentes.
Des boîtes de mélange sont prévues à l'entrée de chaque local, ou
zone de locaux ayant des besoins similaires. Chaque registre de
mélange est piloté par un thermostat d'ambiance.
En voici un exemple :
Ce système constitue une branche de la grande famille du conditionnement d'air "tout air" :
- débit constant
- monogaine
- unizone
- basse pression
- haute pression (avec boîte de détente)
- multizone
- basse pression
- haute pression (avec boîte de détente)
- double gaine multizone (avec boîte de mélange)
- basse pression
- haute pression (avec boîte de détente)
- monogaine
- unizone
- basse pression
- haute pression (avec boîte de détente)
- multizone
- basse pression
- haute pression (avec boîte de détente)
- double gaine multizone (avec boîte de mélange)
- basse pression
- haute pression (avec boîte de détente)
- débit variable
- avec chauffage par radiateurs indépendants
- avec chauffage par batterie à eau chaude
- avec chauffage par radiateurs indépendants
- avec chauffage par batterie à eau chaude
Comme on le voit, il existe de nombreuses variantes !
Expliquons chacun des termes :
> "tout air"
L'air est le fluide caloporteur de chaleur, de froid, ou d'humidité. Ainsi :
- si en hiver le local présente des déperditions, l'air sera pulsé à 28°C, par exemple,
- si en été, le local subit des apports solaires, l'air sera pulsé à 16°C,
- si, dans la salle de cinéma, le film très suggestif provoque beaucoup de dégagement de vapeur de la part des spectateurs, l'air sera pulsé très sec !
> "débit constant"
Le débit est fixé par le ventilateur (qui ne dispose que d'une seule vitesse de rotation).
La régulation est réalisée par action sur la température et le taux d'humidité de l'air pulsé.
> "double gaine"
Les pièces climatisées sont alimentées par deux
gaines, par exemple une gaine d'air chaud à 35°C, et une gaine d'air
froid à 16°C.
> "multi-zones"
Le système "double gaine" est forcément
multi-zones : on crée plusieurs zones dans le bâtiment, chaque zone
pouvant recevoir un air traité spécifiquement en fonction de ses
besoins.
Remarque : une zone peut comprendre plusieurs locaux.
> "basse ou haute pression"
On parle de basse pression du ventilateur :
- si pression < 800 Pa, ou 80 mmCE
- si vitesse dans les gaines < 7 m/s
On parle de réseau haute pression si la vitesse dans les conduits atteint de 12 à 16 m/s
Détails technologiques du traitement de l'air |
L'air
est d'abord pré-traité en centrale : mélange éventuel de l'air neuf
et de l'air repris, filtration, préchauffage éventuel de l'air
(notamment pour éviter tout risque de gel de la batterie froide) et
pulsion dans deux caissons.
Un caisson est équipé d'un échangeur de postchauffe et si nécessaire d'un système d'humidification (généralement un humidificateur à vapeur) : c'est le préparateur du réseau chaud.
Un deuxième caisson est équipé d'une batterie
froide, assurant éventuellement la déshumidification : c'est le
préparateur du réseau froid.
Le chauffage de l'air est assuré
- soit par batterie électrique,
- soit par batterie d’eau chaude préparée en chaufferie.
Le refroidissement de l'air est assuré
- soit par l’évaporateur d’un groupe frigorifique (système à détente directe),
- soit par de l’eau glacée préparée par un groupe de production frigorifique.
Les
parois des caissons sont à double enveloppe en tôle d'acier
galvanisé ou peint. Un isolant acoustique et thermique de 25 mm
d'épaisseur minimale est fixé entre les deux tôles.
A l'entrée de chaque local, ou de chaque zone de
locaux, les deux flux d'air sont mélangés dans une "boîte de mélange"
terminale. Le débit total est donc constant, c'est la proportion
d'air chaud et d'air froid qui varie.
Variantes technologiques |
Réseau sous haute pression
Pour réduire les sections, on augmente la vitesse de
l'air dans les gaines. Les pertes de charge augmentent et obligent à
travailler à haute pression au ventilateur. Des dispositifs de détente
sont alors associées aux boîtes de mélange.
La pression du ventilateur est généralement > 1 000 PA, ou 100 mmCE et la vitesse dans les gaines > 10 m/s.
A débit égal, doubler la vitesse de l'air dans les
gaines (par rapport au système basse pression) permet de diminuer par
deux la section nécessaire. Mais les frottements de l'air sur les
parois des gainages sont proportionnels au carré de la vitesse. Et
donc le ventilateur doit vaincre des pertes de charges beaucoup plus
élevées, pouvant à la limite atteindre 2 000 PA Aussi, actuellement,
pour des raisons d'économie d'énergie (et de bruit), on ne dépasse
plus 15 m/s, ce qui génère des pressions de ventilateur de 500 à
1 500 PA.
Après passage dans une boîte de détente, l'air est diffusé par les bouches de soufflage.
Les boîtes de détente sont généralement des boîtes
insonorisées, comportant un organe déprimogène (tôle perforée par
exemple). Un régulateur maintient le débit à valeur constante.
A
ces pressions, des précautions sérieuses sont à prendre en matière
acoustique, notamment au niveau des appareils terminaux (amortisseur
de bruit).
Recyclage partiel
En vue de diminuer les coûts d'exploitation, l'air
extrait peut être recyclé partiellement. On part de l'idée que l'on
ne peut faire du froid et du chaud en même temps et que donc un des
2 échangeurs est à l'arrêt.
Dès lors, en été la batterie froide refroidit et la
batterie chaude est à l'arrêt. Dans le réseau chaud circule de l'air
mélangé entre l'air recyclé et l'air extérieur (chaud).
En hiver, seule la batterie chaude fonctionne. Et
dans le réseau froid circule de l'air mélangé entre l'air recyclé et
l'air extérieur (froid).
Et en mi-saison ? Que faire lorsque des locaux ont
des demandes différentes ? Astuce : les deux batteries fonctionnent
mais la batterie de chaud est alimentée par l'eau de condensation du
groupe frigorifique qui produit l'eau glacée !
Récupération de la chaleur sur l'air extrait
Pour récupérer l'énergie contenue dans l'air extrait
tout en évitant généralement tout risque de contamination, l'air
sortant croise l'air neuf entrant dans un échangeur de chaleur.
Et toute combinaison des variantes précédentes ...
Il est bien entendu possible de combiner les différentes variantes reprises ci-dessus.
Domaine d'application |
Le
système "tout air" a de l'intérêt lorsqu'un débit d'air élevé et
constant est souhaité, que les besoins des locaux sont extrêmement
variables d'une zone à l'autre, et que le système doit répondre avec une
très grande rapidité aux variations de charges.
Par exemple, il s'adapte tout particulièrement à un
ensemble de salles de réunion, dans un bâtiment fort vitré. Egalement, à
un complexe de salles de cinéma.
Mais ce système reste une solution luxueuse à l'exploitation.
En pratique, on le rencontre peu dans les bureaux
(l'inertie des bureaux ne demande généralement pas une grande
souplesse), parfois en secteur hospitalier, plus souvent dans le
secteur industriel avec exigences élevées de régulation.
Avantages |
- Possibilité d'adapter individuellement les ambiances suivant les locaux,
- rapidité de la réponse du système à la demande des locaux,
- possibilité d’utilisation d’air extérieur pour le refroidissement gratuit (free cooling),
- contrôle de l’humidité relative en centrale et de l’empoussièrement.
Inconvénients |
- Le débit d'air est constant. Or il est dimensionné pour la situation extrême, généralement celle de l'été, en période de canicule avec un soleil de plomb ! Conclusions : de tels débits entraînent une consommation élevée des ventilateurs et, dans certains cas, de l'inconfort ... toute l'année !
- La consommation élevée du ventilateur devient très élevée dans le cas des installations haute pression.
- L'encombrement de la centrale, des caissons de préparation terminaux et du double réseau de gaines (gros débits, section importante des conduites d'air neuf, d'air pulsé et d'air extrait).
Exemple.
Une
salle de spectacles est maintenue à 20°C. De l'air chaud est pulsé
à 30°C. Les déperditions du local sont de 20 kWatts. Quelle sera
la section de la conduite nécessaire ?La capacité calorifique de l'air étant de 0,34 Wh/m³.K, le débit est donné par :
débit = puissance / 0,34 x DT° (en m³/h).
Ici, débit = 20 000 / 0,34 x 10 = 5 882 m³/h = 1,63 m³/s
Sur
base d'une vitesse de 8 m/s, la section devient 1,63 / 8 =
0,2 m², soit une section de 40 cm x 50 cm, ou une conduite
circulaire de 0,5 m de diamètre !La même puissance est transportée par de l'eau dans une tuyauterie de 1,75 cm de diamètre ! (vitesse : 1 m/s) |
C'est
pour limiter cet encombrement que l'on a recours à une conception de
réseau de gaines sous haute pression. L'encombrement est plus limité
mais reste toujours plus élevé que pour le système mixte eau + air,
par exemple.
- Intégration obligatoire dès la conception du bâtiment.
- Coût d'exploitation très important :
- Risque
de "casser" de l’énergie : le réseau de froid prépare l'air à
une température correspondant aux besoins du local le plus
demandeur (le local informatique, exposé au Sud, par exemple !).
Dès lors, tous les autres locaux devront mélanger cet air froid avec
de l'air du réseau chaud...! Une régulation centrale doit
piloter le tout "intelligemment", et profiter de l'air
extérieur lorsque sa température peut être valorisée, sans quoi
les coûts d'exploitation sont catastrophiques ! (à noter qu'un
tel système qui ferait du chaud et du froid simultanément est
interdit en France, sauf si le fluide chauffant est de
récupération, par exemple sur le condenseur de la machine frigorifique).
- Il
n'est pas possible de moduler le débit d'air neuf en fonction de
la présence ou non d'occupants dans chacune des zones.
- Des
fuites d'un réseau vers l'autre apparaissent toujours dans la boîte
de mélange où de 3 à 10 % du débit total est perdu malgré la
fermeture du clapet.
- Les
batteries électriques sont peu coûteuses à l'investissement mais
très onéreuses à l'usage, à l'opposé des batteries d'eau chaude qui
sont coûteuses à l'investissement (deux tubes).
- Le recyclage de l'air paraît aléatoire, puisque l'air extrait sera issu d'un mélange, sauf en plein hiver et en plein été... Une étude de rentabilité s'impose !
- Risque
de "casser" de l’énergie : le réseau de froid prépare l'air à
une température correspondant aux besoins du local le plus
demandeur (le local informatique, exposé au Sud, par exemple !).
Dès lors, tous les autres locaux devront mélanger cet air froid avec
de l'air du réseau chaud...! Une régulation centrale doit
piloter le tout "intelligemment", et profiter de l'air
extérieur lorsque sa température peut être valorisée, sans quoi
les coûts d'exploitation sont catastrophiques ! (à noter qu'un
tel système qui ferait du chaud et du froid simultanément est
interdit en France, sauf si le fluide chauffant est de
récupération, par exemple sur le condenseur de la machine frigorifique).
- Si la vitesse de déplacement de l'air est augmentée pour diminuer les sections, le niveau de bruit sera nettement plus élevé et demandera un traitement acoustique sérieux.
- Nécessité d'équipements de plus grande solidité pour résister aux pressions, si variante en haute pression.
- Enfin, et ce n'est pas négligeable, le coût d'investissement de départ est très élevé !
Très honnêtement, avec de tels inconvénients, y a-t-il encore intérêt à avoir un système avec traitement centralisé ?
Niveau sonore |
Le
niveau NR 35 (soit 40 dB(A) environ), exigence souvent souhaitée
dans les locaux climatisés, demande un traitement acoustique soigné,
surtout dans le cas des installations "haute pression". Tout
particulièrement, les boîtes de mélange sont sources de bruit.
Si nécessaire, le caisson est posé sur un socle
antivibratoire. Des manchettes souples doivent être prévues entre le
caisson et les gaines afin de minimiser la transmission des
vibrations du ventilateur vers les locaux.