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Principe de fonctionnement

Le système de conditionnement d'air "tout air, à débit constant, mono-gaine" est un système où l'air est préparé (chauffé, refroidi, humidifié,...) en centrale dans un caisson de traitement d'air, puis envoyé par un réseau de gaines vers le/les locaux.

En voici un exemple, appliqué à une zone :

Il 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)

- débit variable
        - 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.
Par exemple :

  • si en hiver le local présente des déperditions, l'air pourra être pulsé à 28°C,
  • mais si en été, le local subit des apports solaires, l'air pourra être pulsé à 16°C,
  • et 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.

>  "mono-gaine"

Un seul réseau de gaines est créé, et donc un seul niveau de température est disponible pour la(les) pièce(s) climatisée(s).

>  "uni-zone ou multi-zones"

Uni-zone : il n'existe qu'une seule zone à traiter (une salle de conférences, par exemple),

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 d'air dans les gaines comprises entre 2 et 7 m/s

On parle de réseau haute pression si la vitesse dans les conduits atteint de 12 à 16 m/s

Une unité de toiture (ou "roof top") aurait pu être classée dans les installations "tout air, à débit constant, mono-gaine". Elle présente la spécificité d'être équipée d'un refroidissement à détente directe.

 

 

Détails technologiques de la centrale de traitement

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.

L'humidification est réalisée :

Un réseau de pulsion distribue l'air traité et un réseau d'extraction en assure la reprise. En général, le débit de pulsion est légèrement supérieur au débit d'extraction afin de maintenir les locaux en surpression.

Constitution du caisson de traitement d'air.

Les parois 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.

 

Variantes technologiques

Réseau sous haute pression

Pour réduire l'encombrement, l'air est préparé en centrale dans le caisson de traitement d'air, puis conduit à haute vitesse vers le/les locaux.  On parle alors de système "tout air, à débit constant, mono gaine, uni-zone, haute pression" !

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.

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).

Réchauffage batteries terminales

Que faire si le bâtiment présente des zones différentes ? Par exemple des bureaux placés sur des façades différentes... Une première solution consiste à placer les batteries terminales en tête des différentes zones pour adapter la fourniture aux besoins.

Généralement, on rencontre soit des batteries alimentées eau chaude, soit des batteries électriques. Ceci ne répond qu'aux besoins variables de l'hiver... A noter qu'il est possible de placer une batterie de froid complémentaire à l'entrée de l'une ou l'autre zone, mais l'avantage d'une centralisation du traitement disparaît progressivement ...

Chauffage par radiateurs

Le chauffage peut être assuré indépendamment, par un réseau de radiateurs en allège des fenêtres par exemple. Mais la régulation de la température des ambiances n'est pas toujours simple car il peut y avoir conflit entre les deux systèmes.

Recyclage partiel

En vue de diminuer les coûts d'exploitation, l'air extrait peut être recyclé partiellement.

Des registres motorisés modulent les débits d'air recyclé et d'air rejeté. Le débit d'air neuf peut donc varier mais sans jamais descendre sous le débit minimal d'air neuf hygiénique en période d'occupation.

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.

Humidification par humidificateur à vapeur

Dans ce cas, la batterie de post-chauffe peut être supprimée.

Toute combinaison des variantes précédentes

A titre d'exemple, on rencontre ainsi des installations "tout air, à débit constant, mono gaine, multi-zones, haute pression"

 

Domaine d'application

Le système "tout air" a de l'intérêt lorsqu'un débit d'air élevé et constant est souhaité : on pense par exemple aux salles de spectacles où de toute façon on doit apporter de l'air aux personnes ...

Le système "tout air - unizone" a de l'intérêt lorsque 

  • Un seul local est à climatiser, généralement de grand volume : salle de spectacles, salle d'opération, salle de réunion, ...

  • Il existe plusieurs locaux dont le fonctionnement thermique est similaire et pour lesquels un respect strict des consignes de température n'est pas imposé : plusieurs bureaux similaires sur une même façade, ...
  • Il y a présence de locaux à chauffage très intermittent comme des salles de réunion, de spectacles,... : dans ce cas, la variante avec système de chauffage complémentaire par radiateurs permet d’assurer un chauffage de base entre 10 et 15°C en période de non-occupation, et une mise en confort très rapide dès l’arrivée des personnes (ou par horloge). Ce système est économique et supprime la surchauffe des locaux en période de forte occupation grâce aux possibilités de ventilation et de rafraîchissement, et à la faible charge des parois.

Le système "tout air - unizone" a de l'intérêt dans le cas où les charges thermiques varient mais que les locaux peuvent être regroupés en zones de fonctionnement thermique similaire (et pour lesquels une modulation limitée des consignes de température est requise) : le placement de batteries terminales permettra alors de répondre plus précisément aux besoins.

Pourrait-on l'appliquer à un complexe de plusieurs salles de cinéma ? Probablement pas puisqu'il faudra chauffer la salle où deux nostalgiques regardent un film de Ingmar Bergmann, et refroidir la salle voisine où 350 personnes regardent avec passion "Titanic : le retour" où le bateau resurgit du fond des mers (tiens, cela me donne une idée...)

 

Avantages

  • Simplicité globale,
  • facilité de dimensionnement,
  • régulation simple, fiable et centralisée,
  • fonctionnement stable, donc coût de maintenance réduit,
  • pas d’alimentation en eau chaude ou froide dans les locaux, sauf si la variante avec batteries de réchauffage en eau chaude est choisie,
  • faible niveau sonore, sauf avec les installations haute pression,
  • 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 à Haute Pression.
  • L'encombrement de la centrale et du 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.
  • Si uni-zone, température et humidité de soufflage uniques, d'où, si plusieurs locaux :

    • Un manque de précision dans le respect des consignes.

    • Une surconsommation suite à l'absence de régulation par pièce.
  • Si multi-zone :

    • Risque de "casser" de l’énergie : le caisson de préparation primaire refroidit l’air en fonction des besoins de la zone la plus demandeuse et les batteries de post-chauffe des autres zones devront réchauffer l’air par la suite... Une régulation centrale doit piloter le tout "intelligemment", sans quoi les coûts d'exploitation sont catastrophiques !
      (A noter qu'un tel système est d'ailleurs 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.

    • Si l’air doit pouvoir être refroidi et réchauffé distinctement dans chaque zone, une batterie de chauffe et un groupe de refroidissement peuvent être ajoutés pour chaque zone, mais le coût d'installation devient prohibitif.

    • Un compromis peut consister à installer une batterie froide terminale uniquement pour la zone la plus demandeuse de froid.

    • 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).
  • 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.
  • Equipements de plus grande solidité pour résister aux pressions, si variante en haute pression.

 

Coûts

Installation : de 125 à 190 €/m² (HTVA) pour une installation complète.

Maintenance : contrat annuel de maintenance, suivant la surface, de 1,75 à 5 €/m².

 

Niveau sonore

Un niveau de 40 dB(A) environ est possible dans les locaux climatisés, mais ceci dépend fortement du traitement acoustique réalisé, surtout dans le cas des installations "haute pression".

Si nécessaire, le caisson est posé sur un socle antivibratoire. Des manchettes souples sont prévues entre le caisson et les gaines afin de minimiser la transmission des vibrations du ventilateur vers les locaux.

 

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