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Climatisation des bureaux :
le choix parmi les systèmes "air-eau"


Ventilo-convecteur.


Éjecto-convecteur.


Poutres froides.


Plafonds froids,...

En bref !

  Ils ont en commun d'avoir les apports thermiques (froid et chaud) transportés par un réseau d'eau, distinct du réseau d'air hygiénique. Comment choisir parmi ces systèmes ?

 Solution 1 : le ventilo-convecteur

Parmi les principaux avantages du ventilo-convecteur, on épinglera sa flexibilité à faire du chaud ou du froid local par local, à la demande et avec une large gamme de puissances pour un coût modéré. Du côté des inconvénients, on sera sensible, entre autres, à la mise en évidence du bruit des ventilateurs, de l'inconfort thermique et l'impossibilité d'y associer un "free cooling" sur l'air hygiénique.

 Solution 2 : l'éjecto-convecteur

Dans un éjecto-convecteur, la pulsion d'air hygiénique est intégrée dans l'équipement. Par induction, l'air du local passera au travers de l'échangeur pour vaincre les besoins thermiques. Beaucoup de points communs en font le concurrent direct du ventilo-convecteur. Comme lui, l'éjecto-convecteur ne peut s'adapter au free cooling de part les faibles débits d'air hygiéniques engendrés. Il est plus facile d'entretien, mais moins souple en terme d'adaptation aux exigences de modularité architecturale et en terme de réglage aéraulique. De plus, il coûte plus cher en investissement et en placement. Il en ressort que la solution par éjecto-convecteurs paraît moins intéressante que celle par ventilo-convecteurs. Si cette technique a été utilisée dans les années 60 et 70, il semble qu'elle ne soit plus que rarement installée dans les bâtiments neufs aujourd'hui.

 Solution 3 : le plafond rayonnant froid

De l'eau froide circule dans des conduites fixées sur le faux plafond métallique du local. Ce système offre principalement un confort thermique (permet de disposer d'une plage thermique neutre plus large) et acoustique accru, la possibilté de faire du "free chilling" sur le circuit d'eau, diminue les coûts d'exploitation et d'investissement en production de froid, ... Par contre, on constate qu'un plafond froid est limité en puissance (de l'ordre de 90 W/m²), présente des coûts d'installation élevés, nécessite l'adjonction d'un système de chauffage indépendant, ...

 Solution 4 : la poutre froide

La poutre froide peut être considérée comme complémentaire au plafond froid avec les mêmes avantages (préparation d'eau froide avec un meilleur COP, possibilité de réaliser du "free-chilling") et inconvénients. On retrouve deux sortes de poutres froides : la statique et la dynamique. La poutre dynamique présente une puissance frigorifique plus importante que la statique avec comme désavantage d'augmenter l'inconfort thermique (le froid tombe sur le dos).

 Solution 5 : la pompe à chaleur sur boucle d'eau

Le principe consiste à placer une boucle d'eau dans l'ensemble du bâtiment. Cette eau évolue à une température de l'ordre de 30 à 35°C. Dans chaque local, une machine frigorifique réversible est greffée sur le circuit et fonctionne soit en chaud ou en froid suivant la demande. Ce système offre une bonne souplesse pour des locaux dont les besoins thermiques sont différents, car l'excès de chaud part vers les locaux en demande de chaleur et vice versa. Malheureusement, ce n'est pas nécessairement le cas dans les espaces bureaux (les demandes sont semblables) et l'installation n'a pas une performance terrible.

Solution 1 : le ventilo-convecteur

 

 

 

Parmi la famille "air-eau", le ventilo-convecteur est sans aucun doute le système le plus fréquemment utilisé.

Des avantages incontestables

  • Une souplesse d'adaptation aux variations de la charge dans les locaux, puisqu'il permet une régulation local par local. Un arrêt de l'équipement est même possible localement, chose difficile à faire avec une installation par éjecto-convecteur ou plafonds froids, arrêt volontaire ou forcé (un contact d'ouverture de fenêtre peut imposer l'arrêt).

  • Une large gamme de puissance (par opposition aux systèmes par plafonds froids rayonnants qui sont limités à ce niveau).

  • Une bonne adaptation aux exigences actuelles en matière de découpage des zones périphériques des bâtiments à structure répétitive (un appareil par module de façade, par exemple). Mieux, rien n'empêche d'installer initialement un appareil pour deux modules et, moyennant les réservations nécessaires sur les collecteurs hydrauliques, de pouvoir ultérieurement greffer un échangeur supplémentaire si la puissance frigorifique augmente ou si une cloison est créée.

  • Un faible encombrement, permettant notamment aux appareils de prendre facilement la place des radiateurs en cas de rénovation du bâtiment.

  • Une possibilité de libérer le sol s'il est accroché au plafond ou intégré dans le faux plafond.

  • Un coût modéré à l'investissement, même si les exigences de qualité attendues en matière de régulation peuvent parfois faire augmenter les budgets.

  • Un coût modéré à l'exploitation, du moins s'il est comparé aux systèmes "tout air". Il est toutefois battu sur ce plan par les installations par plafonds froids, par exemple, notamment suite aux fonctionnements des ventilateurs.

  • Une possibilité de valoriser la performance d'une chaudière à condensation en hiver puisque le réseau d'eau chaude peut fonctionner à très basse température.

Comme inconvénient, on notera :

  • L'impossibilité du ventilo-convecteur de contrôler le taux d'humidité de la pièce, mais ce n'est généralement pas un critère gênant pour un immeuble de bureaux puisqu'on peut réaliser cet objectif à partir de l'air hygiénique.

  • Le niveau de bruit qui est directement lié à la vitesse du ventilateur et à la surface du ou des batteries d'échange (il faut être très strict dans le niveau de bruit à imposer au cahier des charges).

  • La difficulté de réaliser une bonne intégration dans l'habillage et vis-à-vis de la grille de pulsion.

  • La difficulté d'assurer un confort thermique correct, notamment sans courants d'air dans la zone de travail,...

  • Les débits d'air hygiéniques sont constants et limités à 1 ou 2 renouvellements horaires du local. Il est donc impossible de réaliser du free-cooling sur l'installation, c'est-à-dire de profiter de l'air frais et gratuit extérieur.

Cahier des charges 

Règles communes aux systèmes de climatisation à eau.

Cahier des charges 

Ventilo-convecteurs.

Cahier des charges 

Distribution d'eau.

Solution 2 : l'éjecto-convecteur

Dans un éjecto-convecteur, la pulsion d'air hygiénique est intégrée dans l'équipement. Par induction, l'air du local passera au travers de l'échangeur pour vaincre les besoins thermiques.

Le schéma ci-dessus présente la version 2 tubes, qui permet un apport d'eau chaude ou froide selon la saison.

Si les charges sont très variables d'un local à l'autre, d'un moment à l'autre (présence d'un masque solaire qui provoque des ombres sur la façade, par exemple), une installation 4 tubes sera adaptée.

Ventilos et éjectos, beaucoup de qualités communes

On retrouve dans les qualités de l'éjecto-convecteur beaucoup de qualités qui font la force du ventilo-convecteur :

  • L'installation permet un contrôle individualisé de la température dans le local et réagit facilement aux variations de charges (surtout s'il y a 4 tubes).

  • C'est un système bien adapté aux exigences actuelles en matière de découpage des zones périphériques des bâtiments à structure répétitive (mais ici un appareil par module est quasi obligatoire).

Et un même défaut, la pulsion d'air neuf à débit constant et donc l'impossibilité de réaliser du free-cooling sur l'installation, c'est à dire de profiter de l'air frais et gratuit extérieur (à noter que l'éjecto utilise généralement un air neuf supérieur à celui du niveau hygiénique).

Pour le confort thermique des locaux, les deux systèmes sont comparables. Toutefois, aux charges intermédiaires, la distribution de l'air est plus stable avec les éjecto-convecteurs et le delta T° est réduit, ce qui génère un meilleur confort thermique.

Comparaison entre les deux systèmes :

Si l'éjecto-convecteur est choisi, c'est après une étude comparative détaillée vis-à-vis de son concurrent direct, le ventilo.

Comme avantages spécifiques, on relève que :

  • L'absence de ventilateur rend la maintenance très aisée : seul un nettoyage périodique des batteries et des buses est nécessaire. Il n'existe généralement pas de filtres sur l'éjecto, pour réduire les pertes de charge.

  • L'encombrement est limité puisque l'air primaire est acheminé vers les locaux sous haute vitesse, ce qui réduit les sections des gaines. Mais cette haute vitesse (donc haute pression) génère du bruit et les effets d'induction ont été améliorés, si bien que les constructeurs proposent aujourd'hui des éjectos fonctionnant à vitesse normale.

Mais comme inconvénients, on aura :

  • Une sensibilité importante à l'équilibrage aéraulique du réseau d'air. De plus, toute ouverture des fenêtres est interdite sous peine de déséquilibrer totalement la distribution de l'air et de là, la distribution de chaleur induite !

  • Un coût d'installation élevé : une taille minimale de l'ordre de 100 éjectos est nécessaire pour amortir un tel système, ce qui limite l'application aux grands immeubles.

  • La contrainte de devoir raccorder chaque appareil au réseau de distribution d'air primaire, contrainte surtout gênante pour un projet de rénovation. Comme généralement les éjectos sont placés en allège, il faut prévoir des trémies verticales (gaines techniques) réparties en façade, puis une distribution horizontale des gaines en allège. La présence de clapets coupe-feu dans chaque trémie augmente le coût global. Et l'obligation de l'allège réduit la liberté de l'architecte.

  • Un défaut de souplesse en cas de modification de la puissance des équipements... Par exemple, si un local de bureau est réaffecté en local informatique, la puissance frigorifique devra probablement être augmentée. En solution ventilo, il suffit de remplacer le ventilo-convecteur. Par contre, il n'est pas possible de modifier l'éjecto-convecteur puisque pour augmenter sa puissance, il faudrait augmenter le débit d'air inducteur, ce qui est impossible puisque les réseaux d'air sont réalisés une fois pour toutes.

  • Un défaut de souplesse en cas de modification ultérieure des cloisons, si bien que l'on est parfois obligé de sélectionner un appareil par module, solution qui s'avère très coûteuse...

  • L'impossibilité d'agir sur le débit d'air pulsé.

  • Un débit d'air pulsé supérieur au débit hygiénique (lié à la puissance frigorifique souhaitée), ce qui entraîne des consommations permanentes.

  • L'impossibilité de "couper" des parties d'installation.

  • L'importance de procéder systématiquement au nettoyage des éjecteurs et au contrôle de l'équilibrage du réseau d'air primaire. Un éjecteur sale ou suralimenté en air émet, en effet, un son aigu particulièrement désagréable.

  • Globalement, une efficacité énergétique bonne, mais pas optimale, car des pertes apparaissent dans l'éjecto au niveau des batteries, lorsque la régulation est faite par clapets d'air. Si l'air primaire alimente simultanément tous les locaux, même ceux qui sont inoccupés (comme dans le cas des ventilos), des pertes thermiques et mécaniques supplémentaires en résultent.

Conclusions

De l'ensemble de ces critères, il ressort que la solution par éjecto-convecteurs paraît moins intéressante que celle par ventilo-convecteurs. Si cette technique a été utilisée dans les années 60 et 70, il semble qu'elle ne soit plus que rarement installée dans les bâtiments neufs aujourd'hui.

Solution 3 : le plafond rafraîchissant

 

De l'eau froide circule dans des conduites fixées sur le faux plafond métallique du local.

Des avantages appréciés

  • Le confort est meilleur que dans les systèmes traditionnels (par ventilo-convecteurs par exemple) :

    1. Parce que l'apport de froid par rayonnement est plus stable (inerte) et mieux réparti spatialement que l'apport de froid par air. L'impression d'avoir "la tête au frais" est agréable.

    2. Par la diminution des courants d'air froid et des déplacements de poussières dans les locaux, puisque le débit d'air est limité au débit hygiénique. A noter que ce débit d'air neuf est souvent augmenté (doublé) pour pouvoir contrôler l'humidité en période estivale. Ce qui exige un soin tout particulier dans la façon de distribuer l'air.

    3. Par l'absence de bruit : fonctionnement statique, sauf débit hygiénique.

  • La préparation d'eau glacée à une température "élevée" de 15°C environ permet la sélection d'une machine frigorifique avec un excellent coefficient d'efficacité frigorifique (ou "COP frigorifique"). Cette propriété n'est effective que si une machine frigorifique est spécifiquement prévue pour l'alimentation en eau froide des plafonds. Elle est en partie perdue si la même machine frigorifique est utilisée pour préparer l'air neuf déshumidifié ...

  • Cette température élevée permet d'imaginer, durant une bonne partie de l'année, un refroidissement direct de l'eau glacée soit dans un aéro-refroisseur, soit dans une tour de refroidissement en toiture, en by-passant ainsi la machine frigorifique. Cette technique est généralement appelée "free-chilling". La consommation liée au froid se résume à l'alimentation des pompes de circulation ! La présence d'une source d'eau froide naturelle peut également être mise à profit (rivière, lac, ...).

  • Le confort apporté par le rayonnement froid au dessus des occupants permet une augmentation de 2°C de la consigne de température ambiante des systèmes traditionnels (température max = 26°C ou 27°C, au lieu des 24 ou 25°C habituels pour des ventilos ou des poutres froides, par exemple). Il s'en suit une légère réduction de la puissance frigorifique nécessaire (entre 4 et 10 %) mais surtout une augmentation des capacités de travailler en free-cooling nocturne puisque l'on peut davantage profiter de l'effet "tampon" du local qui peut démarrer sa journée à 21° et la terminer à 27°C.

  • Les coûts d'exploitation énergétiques sont plus faibles que dans le cas des systèmes traditionnels (ventilo-convecteurs par exemple). Une étude de cas réalisée par Tractebel Development Engineering précise ce facteur. On épargne la consommation des ventilateurs des ventilo-convecteurs, mais on augmente un peu la consommation des pompes de distribution de l'eau puisque qu'un delta T° aller-retour de 2 à 3 K est réalisé contre 5 à 6 K pour les ventilos.

  • La régulation est en partie auto-adaptative : une augmentation des charges du local provoque une augmentation de sa température et donc une augmentation de la puissance de refroidissement.

  • L'entretien est réduit.

  • L'encombrement au sol est nul, ce qui peut être également le cas avec des ventilos-convecteurs en plafond, mais ils génèrent alors nettement plus d'inconfort lié à la pulsion d'air.

  • Le traitement des zones internes par ce système est moins encombrant que par ventilo-convecteurs.

Des inconvénients qui peuvent limiter l'application des plafonds froids :

  • La puissance frigorifique reste très limitée par rapport aux systèmes à ventilo-convecteurs : de l'ordre de 90 W/m² de plafond actif. Si ce système doit vaincre des apports internes importants (bureautique, éclairage, occupants), la réserve disponible pour les apports solaires n'est que de l'ordre de 25 W/m². Ceci sous-entend que les apports solaires des vitrages soient limités :

    • soit par la conception du bâtiment créant des ombres portées,
    • soit par la mise en place de protections solaires extérieures,
    • soit par le placement de stores intérieurs clairs combinés à des vitrages performants,
    • soit par la configuration des lieux (bureaux paysagers, salles profondes).

  • Le coût d'installation est plus élevé que le système des ventilo-convecteurs, surtout en rapport à la puissance frigorifique fournie.
  • Ce coût est notamment lié à la régulation que l'on rend parfois assez sophistiquée pour éviter tout risque de condensation. Ce risque doit cependant être évalué à sa juste mesure.
  • Par rapport au ventilos, le chauffage en hiver reste à imaginer. Plusieurs solutions sont possibles :

    • soit un chauffage de l'air pulsé (mais les débits ne permettent de couvrir que peu de déperditions, le bâtiment doit donc être fort isolé au départ),
    • soit le chauffage par le plafond (mais inconfortable),
    • soit un chauffage par le plafond limité aux premiers panneaux situés en façade (plus confortable, mais limité en puissance),
    • soit un chauffage traditionnel par radiateur (solution généralement appliquée en rénovation puisque l'on peut récupérer l'installation existante).
  • Le système requiert une hauteur de faux plafond disponible, mais limitée (par exemple 160 mm). Les conduits d'air d'un diamètre de 150 mm (max) posent nettement moins de problèmes qu'avec un système "tout air".
  • L'inconnue sur la tenue dans le temps de ce type de produit (problèmes hydrauliques, manque de performance dans les circuits mal éventés, ...) diminue progressivement, l'expérience étant maintenant d'une bonne dizaine d'années. Ce risque peut être limité par un suivi de réalisation rigoureux.

Cahier des charges 

Règles communes aux systèmes de climatisation à eau.

Cahier des charges 

Plafonds froids.

Cahier des charges 

Distribution d'eau.

Solution 4 : la poutre froide

 

Le complément aux plafonds froids...

Généralement, le plafond froid est perçu comme l'installation de grand confort. Mais la faible puissance spécifique est un frein majeur... Lors du dimensionnement, cela "coince" au niveau du local d'angle suite à l'ensoleillement sur 2 façades. C'est à ce moment que des poutres sont proposées en supplément du plafond, pour augmenter l'effet frigorifique (le fait que ces équipements travaillent à même régime de température d'eau est d'ailleurs un avantage).

... ou le système de refroidissement à part entière

Il est possible de prévoir le refroidissement complet du local uniquement par poutres froides, qu'elles soient statiques ou dynamiques

Des avantages

On retrouve beaucoup de qualités du plafond froid :

  • La préparation d'eau glacée à une température de 15°C environ qui permet la sélection d'une machine frigorifique avec un excellent coefficient d'efficacité frigorifique (ou "COP frigorifique").

  • Durant une bonne partie de l'année, le refroidissement direct de l'eau glacée dans un aéro-refroidisseur ou dans une tour de refroidissement en toiture, en by-passant ainsi la machine frigorifique ("free-chilling").

  • L'encombrement au sol est nul !

Le prix est généralement très compétitif, surtout pour la poutre statique, bien sûr.

Des inconvénents

Le confort apporté par les poutres froides est objet à discussion 

  • La poutre statique génère une "coulée" d'air froid très désagréable sur les personnes situées sous les poutres. Elle ne peut a priori se placer que dans les locaux de grande hauteur.

  • Par contre, la poutre dynamique semble plus confortable car elle induit un mélange avec l'air ambiant plus élevé et donc une température de l'air plus homogène.

  • Cependant, à l'intersection entre les flux d'air créés par deux poutres voisines parallèles, les deux flux d'air risquent de tomber sur la tête d'un utilisateur !

L'utilisation de poutres froides demande donc une plus grande vigilance que les plafonds froids en matière de vitesses d'air résiduelles et d'inconfort lié aux turbulences.

Il faut se rendre compte qu'avec une poutre dynamique on peut brasser jusqu'à 6 à 8 fois le volume d'air du local. Cela génère beaucoup de difficultés de distribution de l'air, amplifiées par la position de l'échangeur en plafond. Des astuces doivent être trouvées pour que l'air "coule" le long des parois avant de gagner le coeur du local. Mais on ne sait pas toujours quel sera le meuble placé le long de la paroi, ni si la paroi elle-même ne sera pas déplacée un jour...

De là, les solutions d'intégration au dos d'une armoire, sur le mur opposé à la fenêtre. C'est certainement une belle solution technique mais figée une fois pour toutes et donc peut-être démodée dans quelques années...?

En fait, la poutre dynamique développe la même configuration rigide que l'éjecto. C'est le débit d'air neuf qui va induire l'air du local et la puissance frigorifique lui sera liée. Pas de possibilité d'augmenter ultérieurement cette puissance comme on l'a avec les ventilos.

Puisque l'air neuf est le moteur du système dynamique, et que l'air neuf est indispensable au local, le système ne peut jamais être arrêté, ce qui est un inconvénient par rapport aux ventilos qui peuvent profiter d'une plage neutre.

Le taux d'air neuf varie entre 1 et 2,5 Volume/heure, ce qui génère des consommations supplémentaires de chauffage de l'air capté à la température extérieure en hiver.

Tout cela cadre mal avec la mobilité de plus en plus recherchée dans les bureaux actuels.

Solution 5 : la pompe à chaleur sur boucle d'eau

Le principe consiste à placer une boucle d'eau dans l'ensemble du bâtiment. Cette eau évolue à une température de l'ordre de 30 à 35°C.

Dans chaque local, une machine frigorifique réversible est greffée sur le circuit.

Si le local demande du refroidissement, elle fonctionnera en machine frigorifique et l'eau évacuera la chaleur du condenseur. Si le local demande à être chauffé, la machine travaillera en pompe à chaleur et refroidira la boucle d'eau.

S'il y a égalité entre les locaux en demande de chaud et de froid, c'est parfait, la boucle d'eau effectuera le transfert entre locaux. S'il y a excès de chaleur à extraire des locaux, un échangeur en toiture refroidira l'eau de la boucle. Si au contraire, la majorité des locaux sont en demande de chaleur, une chaudière traditionnelle fournira le complément.

Ce système est évidemment avantageux lorsque l'on pressent des demandes très variables et opposées dans le bâtiment. Mais en pratique, ce cas ne se rencontre qu'une petite partie de l'année. Le reste du temps, la performance globale ne semble pas très élevée. L'investissement initial reste très élevé. Et le coût d'exploitation reste élevé en hiver suite à l'énergie thermique électrique.

Une part de la mauvaise performance est liée à cette température intermédiaire de la boucle : 35°C, c'est finalement une température élevée pour un condenseur à eau, alors qu'en hiver ou en mi-saison l'air extérieur permet des températures plus faibles.

En pratique, on rencontre ce type d'installation dans les galeries commerciales : la boucle d'eau et les installations extérieures sont disposées en base, et chaque commerçant installe son propre équipement. Il est facile de répartir les consommations entre locataires.

Pour un immeuble de bureaux à charge très variable, avec souhait de récupération d'énergie entre locaux, la climatisation par Débit de Réfrigérant Variable (variante avec 3 tubes) apportera très certainement une solution plus souple.

 

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