Le choix des techniques HVAC

1. Le choix des techniques HVAC • Chauffer ? …C’est juste apporter un appoint en façade ! • C’est donc la gestion de l’été qui sera le point de départ du choix !

2. Le choix des techniques HVAC • Climatiser ou refroidir naturellement ? On ne peut refroidir naturellement que si la charge thermique maximale ne dépasse pas 50 W/m²… Remarques : • ratio clim classique : 100 W/m²… • Possibilité de pulser en appoint de l’air hygiénique refroidi mécaniquement.

3. Charge thermique maximale ?

4. Free cooling Si charge < 50 W/m², refroidir par free-cooling • Ventilation unilatérale • Ventilation transversale • Ventilation par tirage • thermique

5. Free cooling 1 Ventilation unilatérale

6. Free cooling 2 Ventilation transversale

7. Free cooling 3 Ventilation par tirage thermique

8. Free cooling 3bis Variante : la ventilation hybride (extraction assistée par ventilateur)

9. Free cooling Organisation du free-cooling • Obligation d’une inertie forte  plancher et plafond apparents ! • En première approximation : • atteindre un minimum de 6 renouvellements horaires de l’air du local, lorsque le Delta T° est de 8 K entre T°intérieure et T°extérieure. • dimensionner les ouvertures sur base d’une vitesse d’air de 1 m/s • Exemple : si volume = 1.000 m³, débit d’air > 6.000 m³/h = 1,7 m³/s • d’où 1,7 m² de section d’ouverture d’entrée d’air • et 1,7 m² de section d’ouverture de sortie d’air.

10. Climatisation Si charge > 50 W/m², refroidir mécaniquement • "Tout air" • "Air + eau" • "VRV" Ventilos-convecteurs

11. Climatisation Choix du système de climatisation • Si densité d’occupation élevée (salle conférences, salle réunions, paysagers à forte densité, …) • Système "tout air", idéalement à débit d’air variable ! • (voir fichier « salle de spectacles.ppt ») • Si transferts de chaleur internes (locaux informatiques fonctionnant en hiver, locaux à charge très variable, …) • Système "VRV" • Tous les autres cas (locaux de bureaux, chambres d’hôtel, …) • Système "Air + Eau", idéalement parplafonds refroidissants!

12. Schéma de principe de l’installation HVAC « Air + Eau »

13. Schéma de principe de l’installation HVAC « Air + Eau » 1° ventilation

14. Schéma de principe de l’installation HVAC « Air + Eau » Schéma de principe de l’installation HVAC « Air + Eau » 1° ventilation 2° chauffage

15. Schéma de principe de l’installation HVAC « Air + Eau » 1° ventilation 2° chauffage 3° réfrigération

16. 3 exemples d’immeubles de bureaux à Bruxelles • Royale – Brialmont • Brussimmo • Belliard

17. Exemple 1 : bâtiment Royale-Brialmont

19. Structure portante Entraxe de 720 cm défini par les parkings en sous-sol Réparti en 3 modules de 180 et 2 modules de 90

24. Détail du système HVAC : poutres froides dynamiques • Ce sont des poutres à 4 tubes (2 chaud / 2 froid). Une poutre par module. • La sonde placée sur la reprise d’air commande les 2 vannes chaud et froid. • Contraintes : • on produit de l’air chaud par en haut… • l’apport de chaud et de froid est conditionné par la pulsion d’air hygiénique. • un débit d’air neuf double du débit hygiénique est nécessaire ! • le réseau d’arrivée d’air est combiné au système thermique (difficulté de modifier les puissances, par exemple)

25. Interview de l’ingénieur du bureau d’études : « …Les consommations sont élevées… les grandes surfaces vitrées sont catastrophiques au niveau du froid… (inconfort des occupants près des fenêtres)… C’est une nouvelle mode en architecture mais il faut savoir que cela correspond à une économie d’énergie zéro. Retenez-le ! » « … On a manqué de hauteur libre dans le plafond. Des gaines spéciales très, très plates de 18 cm ont du être fabriquées pour pouvoir gérer les croisement avec les chemins de câble !... » Question : quelle est la perte d’énergie liée à ce format de gaine ?

26. Impact de la forme de la gaine sur la consommation du ventilateur Soit un conduit de 200 cm². Si la vitesse est de 5 m/s, le débit est de 0,1 m³/s Exemple : une section de 200 cm² est générée par un diamètre de 16 cm. (section = p x R² = p x ز/ 4) Mais aussi par un conduit de 10 sur 20 cm. Ou de 5 sur 40 cm. OUI, les sections sont équivalentes… Mais le débit qui passera dedans NON !

27. Impact de la forme de la gaine sur la consommation du ventilateur En terme de « pertes de charges » (= frottement sur les parois) Øéquivalent = 1,265 x (( a³ x b³) / (a + b)) 0,2 Exemple : pour transporter un débit donné, un conduit de 10 sur 20 aura les mêmes pertes de charges qu'un conduit circulaire de : 1,265 x (( 10³ x 20³) / (10 + 20)) 0,2 = 15,4 cm un conduit de 40 sur 5 aura les mêmes pertes de charges qu'un conduit circulaire de : 1,265 x (( 5³ x 40³) / (5 + 40)) 0,2 = 14,2 cm Autrement dit, à puissance égale le débit transporté sera de : 0,1 m³/s 0,093 m³/s 0,079 m³/s

28. Recommandations : • ne jamais descendre sous un rapport 1/3 entre les côtés ! • Préférer des conduits circulaires car possibilité de joints d’étanchéité.

29. - de préférence ,installer des conduits galvanisés. • Les conduits en asbeste ciment ont une rugosité 1,5fois supérieure à ces derniers • et les conduits isolés intérieurement, une rugosité 1,5 à 2fois supérieure. • Conduits isolés (thermique et acoustique) intérieurementau moyen de laine minérale recouverte de tissu de verre.

30. Impact des pertes de charges locales sur la consommation du ventilateur

31. Impact des pertes de charges locales sur la consommation du ventilateur

32. Dimensionnement des équipements : synthèse Master 2 – St Luc – 09-09-22

33. 0° - Point commun Débit = Section x Vitesse Vitesse = 1 m/s en déplacement naturel (cheminée de ventilation, par exemple) …2… m/s au droit d’une bouche de pulsion d’air …5… m/s dans un conduit avec déplacement forcé par ventilateur Ex : un conduit de 40 sur 40 cm transporte de l’air issu d’un caisson de traitement d’air. Débit approximatif transporté (en m³/h) ? Débit = 0,4 x 0,4 m² x 5 m/s x 3.600 s /h = 2.880 m³/h • Ex : un conduit circulaire doit transporter 7.200 m³/h. Quelle diamètre ? • ________ • Section = débit/vitesse = 7.200 m³/h / 3.600 s/h / 5 m/s = 0,4 m² --> Diamètre = √(0,4 x 4/π) = 0,71 m • Ex : une grille de ventilation naturelle doit laisser passer 180 m³/h. • Quelle longueur de grille au–dessus des fenêtres ? • (sur base de 1cm de hauteur d’ouverture) • Section = débit/vitesse = 180 m³/h / 3.600 s/h / 1 m/s = 0,05 m² --> longueur = 0,05/0,01 = 5 m

34. 1° Ventilation hygiénique De l’air frais est apporté aux personnes à une température neutre : 21°C.

35. 1° Ventilation hygiénique De l’air frais est apporté aux personnes à une température neutre : 21°C. Débit ? Si nombre de personnes connu : débit = 30 m³/h/pers x Nbre pers Sinon, ratios de la Réglementation Wallonne Exemple : 2,9 m³/h/m² dans un bureau. Chauffage ? Puissance de chauffe = Débit x 0,34 Wh/m³.K x (21° - (- 8°)) K Refroidissement et déshumidification ? Puissance = Débit x 4,8 Wh/m³ Où 4,8 Wh/m³ = différence d’enthalpie (= d’énergie) entre air entrant à 30°C 50% HR et sortant à 25°C 50% HR

36. 4,8 Wh/m³ enthalpie

37. 21° -2,2° 21° 15,2° -8° Remarque : si un récupérateur de chaleur est présent, il peut préchauffer l’air neuf et diminuer d’autant la puissance de la batterie de chauffe. Exemple : soit un récupérateur avec un rendement de 80%. L’air entre à -8° et sort à 21 °C. L’air, qui arrive à -8°C, entre à -8° + 80% (21 – (-8°) = 15,2° C dans la batterie de chauffe.

38. 2° Chauffage des locaux • De la chaleur est fournie aux locaux pour vaincre les déperditions du local et conserver la température de consigne hivernale de 20°C. • Situation 1 - La ventilation est centralisée (= l’air neuf hygiénique arrive déjà chaud ) Le chauffage du local ne doit fournir que la somme des pertes par les parois . Ex : Puissance radiateur = S ai Ui SiDT°

39. Situation 2 - La ventilation est organisée dans le local Le chauffage doit compenser les pertes par les parois + le chauffage de l’air de ventilation. Ex : Puissance radiateur =[ S ai Ui Si + 0,34 Wh/m³.K x Débit vent.] x (20 - (-8°C))

40. 3° Climatisation des locaux • Du froid est fourni aux locaux pour vaincre les apports de chaleur du local et conserver la température de consigne estivale de 25°C maximum.

41. 3° Climatisation des locaux • Du froid est fourni aux locaux pour vaincre les apports de chaleur du local et conserver la température de consigne estivale de 25°C. • Situation 1 : La ventilation est centralisée (= l’air neuf arrive déjà refroidi ) • La climatisation du local doit vaincre les apports : • Exemple pour un bureau : • des personnes : 70 W / pers • des équipements de bureautique : 25 W/m² au sol • de l’éclairage 10 W/m² au sol • du soleil par les fenêtres et par les murs 400 W/m² de vitrage S,E,O • 600 W/m² de vitrage Hor • 200 W/m² de vitrage N Situation 2 : La ventilation est organisée dans le local La climatisation doit compenser en + le refroidissement de l’air de ventilation. Ex : Puissance climatiseur = S tous les apports ci-dessus + Débit x 4,8 Wh/m³ Où 4,8 Wh/m³ = différence d’enthalpie entre air entrant à 30°C 50% HR et sortant à 25°C 50% HR

42. 3° Climatisation des locaux • Astuce 1 : • L’homme humidifie l’air ambiant… • Si l’appareil frigorifique (climatiseur, batterie de ventilo-convecteur, …) est très froid, la vapeur produite par l’homme va condenser. • Il faut compter 60 Watts/pers. • de puissance frigorifique en + .

43. 3° Climatisation des locaux • Astuce 2 : • Le soleil peut entrer par les fenêtres de plusieurs façades … • Il faudra cumuler les apports solaires … et voir quand ils sont maximaux ! • + • 0 6 12 18 24 0 6 12 18 24 • apports vitrage Est apports vitrage Sud • = apports totaux : 0 6 12 18 24

45. 4° Application 1 • Données : soit : • une salle de réunion de 15 personnes • des déperditions par -8°C de 4.000 Watts • des apports de chaleur par +30°C de 8.000 Watts (y compris la chaleur latente des occupants) • Quels débits pulsés ? • Ventilation : • Chauffage, si air pulsé à 35° C : > Débit d’air chaud = • Climatisation, si air pulsé à 15°C • > Débit d’air froid = = 15 x 30 = 450 m³/h Puissance/rcair x DT° = 4.000 W / (0,34 x (35°-20°)) = 785 m³/h Puissance/rcair x DT° = 8.000 W / (0,34 x (25°-15°)) = 2.350 m³/h • D’où choix des débits d’air ? • Débit d’air pulsé : 2.350 m³/h Débit d’air neuf : 450 m³/h • Débit d’air extrait : 2.350 m³/h Débit d’air recyclé : 1.900 m³/h • Si débit constant, • Température réelle de chauffage en hiver : 20 + 4.000 / (0,34 x 2.350) = 25°C

46. 4° Application 1 • Données : • une salle de réunion de 15 personnes • des déperditions par -8°C de 4.000 Watts • des apports de chaleur par +30°C de 8.000 Watts • Quelles puissances des batteries dans le caisson ? • Puissance batterie de chauffe : • Puissance batterie de refroidissement : Déperditions de parois + chauffage air neuf = 4.000 + 0,34 x 450 x (20 – (-8) ) = 8.285 W Apports + refroidissement et déshumidification de l’air neuf = 8.000 + 4,8 Wh/m³ x 450 = 10.160 W

47. 4° Application 2 Un ventilateur souffle sur 2 échangeurs, alimentés en eau chaude ou en eau glacée.

48. 4° Application 2 • Données : soit : • une salle de réunion de 15 personnes • des déperditions par -8°C de 4.000 Watts • des apports de chaleur par +30°C de 8.000 Watts • (y compris la chaleur latente des occupants) • Quels débits pulsés ? • Ventilation : 15 x 30 = 450 m³/h • Chauffage, si régime d’eau 60°C – 45°C : • Climatisation, si régime d’eau 6°C – 11°C : > Débit d’eau chaude = Puissance/rceau x DT° = 4.000 W / (1163 x (60°-45°)) = 0,23 m³/h > Débit d’air froid = = Puissance/rceau x DT° = 8.000 W / (1163 x (11°-6°)) = 1,38 m³/h

49. Section = Débit / vitesse = 1,38 m³/h / 3.600 s/h /0,6 m/s = 0,00064 m² = 6,4 cm² --> Diamètre = √(6,4 x 4/π) = 2,9 cm = 29 mm Choix d’un tuyau de diamètre nominal : 32 mm Diamètre extérieur : 42 mm épaisseur de l’isolant thermique autour du conduit : 15 mm Diamètre extérieur du conduit avec isolant : 72 mm DIMENSIONS DE MISE EN OEUVRE du conduit : DMO mm 140

50. Il existe un formulaire qui vous fournit ce type d’info :