Sommaire
Principe de fonctionnement
Le ventilo-convecteur est au radiateur, ce que le mix-soup est au presse purée ! Cela va plus vite mais cela fait du bruit… !
Plus sérieusement,
Un radiateur traditionnel est alimenté par une eau à …50°…70°… dans une ambiance à 21°. L’échange de chaleur s’effectue facilement grâce à un tel écart de température.
Mais pour fournir du froid, on fait circuler de l’eau (dite “glacée”) à …5°…10°… dans une ambiance à 24° : l’écart de température devient trop faible pour fournir une bonne puissance frigorifique. On passe dès lors à un échange forcé : un ventilateur est ajouté et le radiateur est remplacé par une batterie d’échange. En pulsant de l’air sur l’échangeur, la puissance frigorifique est fortement augmentée mais le bruit envahit les locaux.. !
Pour assurer le refroidissement l’été mais aussi le chauffage en hiver, un ventilo-convecteur comprendra donc :
- une prise d’air du local (à chauffer ou à refroidir),
- un filtre grossier pour arrêter les poussières,
- un ou plusieurs ventilateurs, à faible vitesse,
- une ou deux batteries d’échange, de faible section, alimentées en eau chaude et/ou en eau glacée,
- éventuellement une résistance électrique d’appoint
- un bac inférieur pour récolter les condensats,
- et un habillage éventuel qui coiffe le tout pour l’intégrer au local.
On le retrouve en position verticale (allège de fenêtre), ou en position horizontale (accroché au plafond ou intégré dans un soffit
Types de ventilo-convecteur
Il existe quatre grandes familles :
1. Les ventilos “à 2 tubes réversibles” : ils ne disposent que d’un seul échangeur, alimenté alternativement en eau chaude en hiver, et en eau glacée en été. Mais un risque de perte d’énergie apparaît par mélange entre eau froide et eau chaude si la zone neutre est trop faible (voir régulation des ventilos).
2. Les ventilos “à 4 tubes” : ils disposent de deux échangeurs, pouvant être connectés en permanence soit au réseau d’eau chaude, soit à celui d’eau glacée.
La taille (le nombre de rangs) de l’échangeur de froid est plus élevé que celui de la batterie chaude, suite au delta T° plus faible sous lequel travaille la batterie froide. On dit que “le pincement” est plus faible entre T°eau et T°air dans l’échangeur.
3. Les ventilos “à 2 tubes – 2 fils” : pour diminuer les coûts d’installation, on ne prévoit que le réseau d’alimentation en eau glacée. Pour assurer le chauffage d’hiver, une résistance électrique d’appoint est prévue (le ventilateur pulse l’air du local au travers de la résistance, comme dans le cas d’un convecteur électrique direct).
Mais le prix du kWh électrique étant nettement plus élevé que le kWh thermique, les coûts d’exploitation seront importants…
4. Les ventilos “2 tubes réversibles + 2 fils” : astuce ! Ce dernier système peut être utilisé en fonctionnement deux tubes (c.-à-d. eau glacée en été, eau chaude en hiver), la résistance électrique sert alors uniquement en résistance d’appoint en mi-saison.
Les coûts d’exploitation sont dès lors plus limités que dans la version “2 tubes “.
Remarque : nous avons écarté ici la solution “3 tubes” (1 départ chaud, 1 départ froid et 1 retour commun) qui a été installée autrefois, mais qui ne l’est plus aujourd’hui puisque le mélange entre l’eau chaude et l’eau froide est aujourd’hui considéré comme inacceptable.
Détails technologiques
Quelques détails technologiques
> Vannes
La batterie d’échange air-eau à tubes ailettés est encadrées par deux vannes d’isolement et une vanne de réglage du débit d’eau. Cette vanne est commandée par un thermostat dont le bulbe est situé dans la prise d’air.
> Ventilateurs
La ventilation est assurée par une ou deux turbines, centrifuge ou tangentielle, de 40 à 50 Pa de pression totale, généralement à 3 vitesses (avec un sélecteur accessible à l’utilisateur… qui le positionne souvent en première vitesse pour limiter le bruit !). La puissance demandée est généralement de l’ordre de 80 à 125 W, suivant les modèles.
> Condensats
Le bac de récupération des condensats sera raccordé au réseau d’évacuation. Dans le cas où le ventilo est accroché au plafond, cette évacuation n’est pas toujours aisée. On aura parfois recours à une petite pompe de relevage des eaux de condensat.
> Habillage
L’habillage est constitué en acier galvanisé, généralement recouvert intérieurement de laine de verre ou de mousse polyuréthane pour des raisons thermiques et acoustiques. Mais il arrive que pour des raisons esthétiques, la carcasse du ventilo soit intégré dans la structure décorative du local ou dans une armoire et dans ce cas, seules les grilles restent visibles.
Des ventilos particuliers
Il est possible d’intégrer complètement le ventilo dans un faux plafond ou un faux plancher (des hauteurs d’équipement de 200 à 300 mm existent).
Soit il s’agit un appareil “cassette” : il aspire l’air du local en partie centrale et le repulse après traitement latéralement, tangentiellement au faux plafond.
Certains ventilos sont prévus pour être intégrés sous le plancher des locaux montés sur vérins (local informatique, par exemple). Dans ce cas, l’ouverture de l’appareil doit pouvoir se faire par le dessus.
Soit il s’agit d’un appareil dont le raccordement est prévu via des gaines de distribution vers différentes grilles de pulsion. Cela améliore le confort (meilleure diffusion de l’air, diminution du bruit, …) mais il faut que le ventilo reste facilement accessible pour la maintenance (ouverture prévue par le dessous).
Variante : le Module de Traitement d’Air (MTA)
Il s’agit d’une variante côté “émission” : les ventilos sont remplacés par de petits caissons de préparation, disposés en batterie dans le local technique.
Au départ, il s’agit de la réponse d’un constructeur à un promoteur immobilier qui lui demandait : “faites-moi un système simple, modulable, facile à entretenir”.
Ce caisson comprend
- une batterie chaude (à eau ou électrique),
- une batterie à eau glacée,
- une prise d’air neuf,
- un filtre de classe F5,
- un ventilateur centrifuge,
- un régulateur pouvant communiquer avec une centrale de régulation (GTC),
- un départ pour le soufflage,
- un retour pour la reprise.
Ces caissons sont prolongés par des gaines pour alimenter les diffuseurs d’air dans les locaux (ces diffuseurs assurent aussi bien la pulsion que la reprise).
Ils sont eux-mêmes les extrémités d’une gigantesque pieuvre qui les nourrit
- en air neuf prétraité,
- en eau glacée,
- éventuellement en eau chaude.
Tout a été prévu pour diminuer la main d’œuvre : préindustrialisation des supports, raccordement par flexible,… Chaque équipement défaillant est rapidement démonté et remplacé.
La régulation est particulièrement performante (dans la version “full options” !)
- action sur l’ouverture des vannes, à basse vitesse,
- puis action sur le ventilateur s’il faut augmenter les puissances (périodes de relance, par exemple),
- pilotage possible de l’éclairage et des stores extérieurs,
- possibilité de fonctionner en tout air neuf (free cooling de nuit, par exemple)
Chaque module de 25 à 50 m2 dispose de son propre caisson, et peut donc définir ses propres conditions de confort.
Le principe de fonctionnement est donc fort proche de celui des ventilo-convecteurs. Mais en plus, il apporte une flexibilité totale s’adaptant très bien aux bâtiments modulaires dont on voudrait pouvoir modifier les cloisons (immeubles de bureaux, chambres d’hôtel,…).
Le coût d’installation fort élevé est sans doute un inconvénient du système …
Variante : le système modulaire à eau glacée ou “Hydrosplit”
Il s’agit d’une variante côté “production” et “distribution”.
Cette technique, encore appelée “hydrosplit”, est un système modulaire, préfabriqué, pour ventilos 2 tubes – 2 fils (sans être exhaustif, et à titre d’information, on range dans cette catégorie “l’Hydroflow” de Carrier, “l’Aquajet” de Technibel, “l’Aquastream” de Trane, ….).
Est vendu “en kit”
- un groupe d’eau glacée,
- un module hydraulique de distribution primaire,
- des modules hydrauliques de distribution secondaire,
- sur lesquels viennent se greffer des ventilos 2 tubes – 2 fils.
- Groupe frigorique généralement disposé en toiture.
- Circulateur de la boucle primaire .
- Capacité tampon, dimensionnée pour absorber les besoins frigorifiques durant 5 à 10 minutes
(le compresseur est équipé d’un anti-court cycle qui interdit le démarrage du compresseur durant 5 à 10 minutes). - Circulateur secondaire.
- Clapet anti-retour.
- Unité terminale de traitement d’air (ventilo-convecteur).
- Module hydraulique secondaire. **
- Module de bypass qui permet une irrigation permanente de la boucle.
*par exemple, chez un fabricant, la boucle primaire peut présenter 50 m. de dénivellation verticale et 100 m. d’éloignement.
**par exemple, chez un fabricant, il peut y avoir jusqu’à 9 modules de distribution secondaire, auxquels on peut raccorder 8 ventilos chacun, soit un total de 72 ventilos dans le bâtiment.
L’objectif commercial est de faire baisser les prix par cette standardisation du produit, et d’ouvrir le marché de la climatisation aux chauffagistes qui n’ont plus qu’à assembler le mécano !
Pourquoi pas… mais ce système entraîne un chauffage électrique direct, peu écologique et d’un coût d’exploitation fort élevé ! Il faut s’assurer que les besoins de chauffage seront tout à fait occasionnels.
Certains systèmes sont greffés sur une installation frigorifique réversible, d’autres présentent l’avantage de pouvoir lui raccorder également une distribution d’eau chaude (pour réaliser du “2 tubes” ordinaire). cela peut constituer alors une solution intéressante en rénovation, puisqu’il y a récupération de la chaudière existante.
La régulation locale des ventilo-convecteurs
On peut imaginer différents niveaux, en fonction de la qualité énergétique du projet
- Gestion locale : uniquement laissé à l’initiative de l’occupant, donc pas de certitude de l’arrêt du ventilo en période d’inoccupation, ni de respect des consignes. Cela peut fonctionner toute la nuit…
- Gestion locale + gestion centrale : cette fois, l’occupant peut faire varier la température de 1 ou 2 degrés autour d’une consigne fixée centralement. Par exemple, en centrale, on peut imposer une conduite économique de 20° (chaud) – 25° (froid). La garantie d’une plage neutre est assurée. De plus, la programmation horaire est possible centralement.
- Gestion locale + gestion centrale + contrôle de présence : un détecteur de présence perfectionne la gestion dans les locaux à utilisation intermittente.
Il existe actuellement des systèmes de centralisation pour unités terminales accessibles financièrement, sortes de GTC minimum, avec une incidence non négligeable sur la consommation énergétique.
Dans tous les cas, la gestion doit considérer la température, le débit hydraulique et le débit aéraulique. Si le débit aéraulique est souvent laissé aux bons soins de l’occupant, les deux autres paramètres sont
Régulation de température du ventilo
Deux principes sont possibles
- soit la vitesse du ventilateur est constante et le régulateur module la température de l’eau en fonction des besoins de l’ambiance au moyen d’une vanne à trois voies,
- soit la température de l’eau est constante et le régulateur module la vitesse du ventilateur en fonction des besoins de l’ambiance.
La première solution est très confortable, d’autant que la vitesse du ventilateur est fixée par l’occupant (réglage manuel à 3 positions), occupant qui choisit ainsi le niveau de bruit qu’il souhaite. Bien sûr, si les besoins sont élevés et que la vitesse du ventilateur est faible, la consigne ne sera pas atteinte…
Commutateur de vitesse du ventilateur.
La deuxième solution est moins chère, mais nettement moins confortable, surtout si le ventilateur fonctionne en tout ou rien. Il faut au minimum un appareil à trois vitesses ou, mieux, un ventilateur à vitesse variable.
Dans les deux cas, on prévoira une plage neutre suffisamment large (minimum 2°C) : par exemple, une plage neutre entre 21 et 24°C. La température intérieure du local va “flotter” entre ces deux valeurs, sans consommation énergétique.
Il est préférable que la sonde de température soit placée dans l’ambiance : si elle était placée dans la reprise d’air, il faudrait laisser le ventilateur en 1ère vitesse même lorsque la température ambiante est en plage neutre…!
Ventilateur en vitesse 1 dans la zone neutre.
Ventilateur à l’arrêt dans la zone neutre.
Remarque : une technique URE consiste à placer un contact de feuillure sur les châssis de telle sorte que le fonctionnement du ventilo-convecteur soit interrompu lors de l’ouverture des fenêtres.
Régulation des débits hydrauliques du réseau
Dans les circuits avec vannes à trois voies, le débit hydraulique total de l’installation est constant.
Par contre, dans les installations avec vannes deux voies, lorsque celles-ci se ferment, la pompe risque de souffrir. Deux solutions sont possibles :
- Soit une vanne à décharge (encore appelée vanne à soupape différentielle) est placée en parallèle sur le réseau de distribution. La pompe est protégée, elle travaille à débit constant, mais sa consommation est constante également, alors qu’on aurait pu économiser de l’énergie électrique !
- Soit la pompe travaille à vitesse variable, en maintenant une pression constante dans le réseau. Ceci est nettement plus économique, mais suppose une protection des installations de production lorsque le débit d’irrigation devient faible : un by-pass pour la chaudière et un ballon tampon pour la machine frigorifique.
Gestion de la pointe électrique dans les installations 2 tubes – 2 fils
Il est utile de prévoir une technique de délestage pour éviter le fonctionnement simultané des résistances électriques des installations 2 tubes – 2 fils !
| Pour en savoir plus sur le délestage certains équipements électriques. |
Un fonctionnement séquentiel est possible puisque le bâtiment constitue en lui-même un réservoir tampon et que la stabilité des températures intérieures ne sera que peu affectée par les coupures provoquées par le délesteur.
La programmation devrait également permettre de profiter au mieux des tarifs de nuit, en réalisant les relances du matin avant 7h00 (heure variable régionalement suivant les distributeurs).
Schémas d’installation et régulation des ventilos 2 tubes
Deux systèmes s’entrecroisent au niveau de l’échangeur
- le circuit d’eau (transfert thermique de la production vers l’émetteur),
- le circuit d’air (transfert thermique de l’émetteur vers la pièce).
et les régulations de ces deux systèmes sont distinctes.
Sur ce schéma de base, on distingue 2 régulations :
1. Une vision de la régulation locale de chaque ventilo-convecteur
- avec vanne 3 voies,
- avec vanne 2 voies et régulateur de pression différentielle,
- avec vanne 2 voies et circulateur à vitesse variable.
2. Une régulation de l’alimentation eau chaude/eau glacée des ventilo-convecteurs
- chaud ou froid + commutation été/hiver,
- chaud ou froid par une machine frigorifique réversible,
- chaud et froid simultanément + distribution par zone,
- chaud et froid simultanément + distribution par zone + circulateur de zone.
Schémas d’installation et régulation des ventilos 4 tubes
Trois systèmes s’entrecroisent au niveau de l’échangeur
- le circuit d’eau glacée,
- le circuit d’eau chaude,
- le circuit d’air (transfert de l’émetteur vers la pièce).
et les régulations de ces systèmes sont distinctes.
Sur ce schéma de base, on distingue dès lors 2 régulations :
1. Une régulation locale de chaque ventilo-convecteur :
- avec vanne 3 voies,
- avec vanne 2 voies et régulateur de pression différentielle,
- avec vanne 2 voies et circulateur à vitesse variable.
2. Une régulation de l’alimentation eau chaude/eau glacée des ventilo-convecteurs
- production de chaud et froid distinctes,
- production combinée de chaud et froid, via une machine frigorifique avec récupération de chaleur au condenseur.
Schéma d’installation et régulation des ventilos “2 tubes – 2 fils”
Le schéma d’installation des ventilos “2 tubes – 2 fils” est simple : hydrauliquement, seul le réseau d’eau glacée est réalisé.
La résistance d’appoint électrique est, soit commandée en tout ou rien, soit soumise à une régulation progressive (régulation chrono-proportionnelle).
Les schémas de régulation sont simples puisque les productions de chaud et de froid sont indépendantes. L’équipement frigorifique peut être complété par un stockage de glace.
Auteur : les anciens
Eté 2008 : Brieuc.
Notes : 20.03.09