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 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. Le choix des techniques HVAC

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

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.

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…

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

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 par plafonds refroidissants !

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.

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

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

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

4,8 Wh/m³ enthalpie

et diminuer d’autant la puissance de la batterie de chauffe. 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.

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 Si DT°

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))

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.

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

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 + .

= apports totaux : 0 6 12 18 24 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

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

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

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

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

Section = Débit / vitesse = 1,38 m³/h / 3.600 s/h /0,6 m/s = 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

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

Résumé ... 26 m 9,5 m 18 m Utilisation du Formulaire.... 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

1° Vu la densité d’occupation (1,2 m²/personne), 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.

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 !

Solution : Pulsion en bas et reprise en haut : 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.

Exemple 1 : Palais de Justice d’Anvers 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 de pulsion bouches d’extraction

Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC 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

Vue du silence(*) sous le studio 4 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

Ces bouches provoquent un mélange d’air très rapide avec l’air ambiant 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 !

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

Bilan thermique d’une personne si on pulse de l’air frais sous elle : 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

Bilan thermique d’été : 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

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 ?

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).

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

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

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

UTILSATION DU FORMULAIRE 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

Données de base de la salle Résultats Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC - Formulaire. B.1. Données de la salle . Données de base de la salle Résultats Umoyen (W/m2K) G (-) Longueur 18 m Largeur 26 m Hauteur moyenne Haut. 1 = 9,5 m, Haut. 2 = 3 m = 5,9 m Volume (m3) Volume (V) ± 2.800 m³ Surfaces (m2); Surface toiture 18 m x 26 m = 468 m2 0,3 Surface mur (9,5 m + 3 m ) x 18 m / 2 = 112,5 m2 Surface fenêtres Sud avec un verre «pare-soleil » 3 m x 18 m = 54 m2 1,6 0,4 Surface fenêtres Ouest avec un verre pare-soleil (5 m x 9,5 m) + (3 m x 3 m) = 56,5 m2 Nombre de WC WC 300 personnes x 120% / 15 pers par WC 24 (60% pour femmes et 60% pour hommes)

B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’ 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

B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’ 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

B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’ 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

Groupes pulsion et extraction d’air A = 54 m2 – H = 3,5 m 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’air A = 54 m2 – H = 3,5 m Rejet d’air 2,5 m3/s Ti = 25°C Air recyclé 3,8 m3/s 6,3 m3/s à Ts = 20°C Prise d’air 2,5 m3/s Condenseur Tour de refroidissement P= 87 kW A= 17 m2 Evaporateur Groupe de refroidissement P= 87 kW A= 8 m2 - H=3m Production de Chaleur Chaudière 50 50

B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’ Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC - Formulaire. B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’ Les dimensions des canalisations. 51 51

Une salle pour 300 personnes Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC - Formulaire.. B.3. L’installation de ventilation hygiénique. DMO (Dimension de mise en oeuvre), C’est quoi ? ISOD DMO ID ED 52 52

Les canalisations d’extraction d’air 6 canalisations DN 630 Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC - Formulaire. B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’ Les dimensions des canalisations. Les canalisations d’extraction d’air 6 canalisations DN 630 Les canalisations de pulsion d’air 9 canalisations DN 710 53 53

B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’ Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC - Formulaire. B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’ Les dimensions des canalisations. 6,3 m³/s à une vit. 0,25 m/s par 320 grilles de diamètre 32cm 6,3 m³/s à 3,4 m/s par 6 conduits de DN 630 DMO 750 6,3 m³/s à 1 m/s par 6 grilles linéaires de 15 m de long et ± 7 cm de large Ti = 25°C Ts = 20°C 3,8 m³/s à 6 m/s par 1 conduit de DN 900 - DMO 1020 (6,3 m³/s à 2 m/s par 9 conduits de DN 710 - DMO 830 ayant chacun un débit de 2520 m3/h 6,3 m³/s à 6 m/s par 1 conduit de DN 1250 - DMO 1370

B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’ Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC - Formulaire. B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’ Les dimensions nappes inférieures et supérieures. Une nappe à la partie supérieure de ± 80 cm d’épaisseur Une nappe à la partie inférieure de ± 88 cm d’épaisseur Une nappe à la partie inférieure de 150 cm d’épaisseur

B.7. Les dimensions des locaux techniques Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC - Formulaire. B.7. Les dimensions des locaux techniques Salle de 300 personnes LOCAL « REGIE » (Eclairage, projection et sonorisation) P= 4m; L = 5m; H = 3m LOCAL « GROUPES DE VENTILATION » Débit de base = 6,3 m3/s A = ± 54 m2; H = 3,5 m LOCAL « CHAUFFERIE » Puis. de base = ± 107,5 kW A = ± 30 m2;  H = 3,5 m LOCAL « FROID » Puis. de base = ± 87 kW A évaporateur = ± 8 m2;  H évaporateur = 3 m A condenseur = ±17 m2 LOCAL « EAU » 1,8 m x 3,6 m sanitaires : 12 H et 12 F LOCAL « ELECTRICITE H.T. » 2,4 m x 6 m LOCAL « ELECTRICITE B.T. et COMMUNICATIONS LOCAL « GAZ - M.P. » 2,4 m x 3,6 m