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Dimensionnement des équipements : synthèse

Dimensionnement des équipements : synthèse. Master 2 – St Luc – 09-09-22. 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 !. Le choix des techniques HVAC.

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Dimensionnement des équipements : synthèse

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

  2. 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 !

  3. 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… • si la charge est de 60 W/m², possibilité de pulser en appoint de l’air hygiénique refroidi mécaniquement.

  4. Charge thermique maximale ? • Voir : • syllabus • outil d’évaluation : « Bilan thermique d’un local en été » • sur www.energieplus-lesite.be • Entrée climatisation/calculs

  5. 3 stratégies pour le refroidissement naturel : • Stratégie 1 : perméabilité variable de l’enveloppe = free-cooling • Stratégie 2 : circulation d'eau froide dans les planchers, eau refroidie "de manière naturelle  = slab cooling • Stratégie 3 : intégration d’air frais extérieur dans la climatisation, • conçue pour ne donner qu’un complément frigorifique en période de canicule Refroidissement direct. Refroidissement indirect.

  6. Dimensionnement si refroidissement naturel par free-cooling nocturne? L’air des locaux doit être refroidi par de l’air extérieur de nuit à raison de 6 renouvellements d’air par heure ! Donc si volume = 1.200 m³, il faut assurer 7.200 m³/h, ou 2m³/s ! Puisque la vitesse de l’air en déplacement naturel = 1 m/s, La section (des grilles de fenêtres, de cheminée, …) = 2m³/s / 1m/s = 2 m² ! A noter que l’inertie de ces bâtiments doit être élevée : le froid de la nuit doit encore se ressentir à 4 h de l’après-midi ! Le refroidissement naturel, c’est un choix architectural de départ…

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

  8. 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 « DRV«  (Débit de Réfrigérant Variable) = pompe à chaleur interne au bâtiment • Tous les autres cas (locaux de bureaux, chambres d’hôtel, …) • Système "Air + Eau", idéalement parplafonds refroidissants!

  9. Organisation des équipements • Les gaines d’air sont coûteuses et encombrantes, il faut limiter la longueur des prise et rejet d’air. • Les groupes de traitement d’air seront placés à proximité des locaux utilisateurs et près des façades. • L’eau chaude et l’eau glacée peuvent être préparées à distance… • Mais l’air est traité localement ! • Une seule chaufferie et une seule machine frigorifique, • même pour plusieurs bâtiments.

  10. 0° - Point commun de tout dimensionnement 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

  11. 1° Ventilation hygiénique De l’air frais est apporté aux personnes à une température neutre : 20°C.

  12. 1° Ventilation hygiénique De l’air frais est apporté aux personnes à une température neutre : 20°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 (20° - (- 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

  13. 4,8 Wh/m³ enthalpie

  14. 20° -2,4° 20° 14,4° -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 extérieur entre à -8° et l’air intérieur sort à 20 °C. Après passage dans le récupérateur, l’air arrive -8° + 80% (20 – (-8°)) = 14,4° C dans la batterie de chauffe.

  15. 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°

  16. 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))

  17. 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.

  18. 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 • Valeurs à multiplier par le facteur solaire !! 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

  19. 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 sur la batterie de froid. • Il faut compter 60 Watts/pers. • de puissance frigorifique en + .

  20. 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

  21. 4° Application 1 • Données : soit : • une salle de réunion de 15 personnes • des déperditions des parois 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

  22. 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

  23. 4° Application 2 Un ventilateur souffle sur 2 échangeurs, alimentés en eau chaude ou en eau glacée.

  24. 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

  25. 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

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

  27. Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC - Formulaire. Utilisation du Formulaire.... 26 m Résumé ... 9,5 m 18 m 28

  28. A.1. Présentation de la salle. 26 m 9,5 m 18 m 29

  29. A.2. Les techniques.Choix du système de climatisation 1° Vu la densité d’occupation (1,2 m²/personne), le débit de ventilation hygiénique est important : sur base de 30 m³/h.personne, on apportera 25 m³ d’air neuf par h et m².  Choix d’un système de climatisation « tout air » : la chaleur et/ou le froid utiliseront l’air comme fluide caloporteur.

  30. 2° • Les gaines d’air sont coûteuses et encombrantes, il faut limiter la longueur des prise et rejet d’air. • Le groupe de traitement d’air sera placé • à proximité de la salle et près des façades. L’eau chaude et l’eau glacée peuvent être préparée à distance… Mais l’air est traité localement !

  31. Choix du mode de diffusion de l’air Solution : Pulsion en bas et reprise en haut : • Solution meilleure car • l’air frais arrive directement aux personnes, • la charge thermique des spots ne perturbe pas les spectateurs.

  32. Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC.A.2. Les techniques.Choix du mode de diffusion de l’air Exemple 1 : Palais de Justice d’Anvers bouches d’extraction bouchesde pulsion

  33. Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC.A.2. Les techniques.Choix du mode de diffusion de l’air Exemple 2 : Flagey

  34. Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC. A.2. Les techniques.Choix du mode de diffusion de l’air Vue du silence(*) sous le studio 4 (*) espace tampon acoustique entre les 2 salles

  35. Choix du mode de diffusion de l’air Ces bouches provoquent un mélange d’air très rapide avec l’air ambiant (on parle de bouches à « haute induction ») De plus, ces grandes sections de bouche permettent une faible vitesse d’air, et donc une absence de bruit !

  36. Si récupérateur, l’énergie des spectateurs et des spots préchauffe l’air neuf !

  37. Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC.A.2. Les techniques.L’air hygiénique comme air de refroidissement ? Bilan thermique d’une personne si on pulse de l’air frais sous elle : • La puissance sensible à évacuer est de 70 Watts par spectateur • On ne peut pulser moins de 4K (idéal) sous la température ambiante, • sous peine de courants d’air froid… • Pour obtenir 24°C à l’équilibre : • 70 W = débit d’air x 0,34 Wh/m³.K x (24 – 20) K • débit = 70/(0,34 x 4) = 50 m³/h.personne • soit un débit total de 300 pers x 50 m³/h.pers = 15.000 m³/h 24oC 20oC

  38. Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC.A.2. Les techniques.L’air hygiénique comme air de refroidissement ? Bilan thermique d’été : 27,1° 24° 20° Une fois arrivé au plafond, l’air atteint les équipements divers (± 6 kW) et les parois chauffées par le soleil (± 3,5 kW). La charge thermique totale est donc de ± 9,5 kW. La température de l’air devient : 24°+ 9.500 /(0,34 x 9000) = ± 27,1°C

  39. Problèmes… En regime hivernal, la relance (= le réchauffage) de l’installation,le lundi à 3h du matin par exemple, se fera avec de l’air frais extérieur chauffé à 35o C… Et regime estival, le passage dans le récupérateur est plutôt à éviter, autant ne pas préchauffer l’air frais ! Avez-vous une meilleure solution à proposer ?

  40. Fonctionnement en régime hivernal Amélioration 1 - installer un by-pass pour un recyclage complet. 28° 24° 20° Un by-pass du récupérateur permet de relancer l’installation en la bouclant sur elle-même au matin (pas d’apport d’air neuf lorsque les occupants ne sont pas présents).

  41. Fonctionnement en régime estival Amélioration 2 : évacuer l’air sans passer par le récupérateur 28° 24° 20°

  42. Fonctionnement en régime hivernal - recyclage complet Fonctionnement avant l’arrivée des occupants 20° 20° 35°

  43. Fonctionnement en régime hivernal - recyclage partiel Fonctionnement hivernal si rendement récupérateur = 60% 9° 20° 27° 24° 20°

  44. Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC - Formulaire.B. Utilisation du formulaire 26 m UTILSATION DU FORMULAIRE 9,5 m 18 m

  45. Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC - Formulaire.B.1. Données de la salle .

  46. Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC - Formulaire. B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’ Schéma fonctionnel et éléments à dimensionner. Les dimensions du local pour les groupes d’air ? Les dimensions des conduits d’air ? Les dimensions des conduits d’air ? 47

  47. Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC - Formulaire. B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’ Estimation des débits de pulsion et extraction d’air. 48

  48. Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC - Formulaire. B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’ Le débit maximal et les dimensions du local ‘air’. 49

  49. Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC - Formulaire. B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’ Situation en période estivale.... Te = 30°C Groupes pulsion et extraction d’airA = 54 m2 – H = 3,5 m Rejet d’air2,5 m3/s Ti = 25°C Air recyclé3,8 m3/s 6,3 m3/s à Ts = 20°C Prise d’air2,5 m3/s CondenseurTour de refroidissementP= 87 kW A= 17 m2 EvaporateurGroupe de refroidissementP= 87 kW A= 8 m2 - H=3m Production de ChaleurChaudière 50

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