Énergétique du bâtiment : Ventilation et quelques équipements

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1 1 Énergétique du bâtiment : Ventilation et quelques équipements M. Pons CNRS-LIMSI, Rue J. von Neumann, BP133, Orsay Cedex htpp://perso.limsi.fr/mpons 1

2 Organisation 9 heures CM (TD??) Notions de confort thermique Ventilation, mouvements d air Quelques équipements Chauffe-eau thermodynamique Et Pompes à Chaleur (PAC) Centrales de Traitement d Air (CTA) 2 Le Confort thermique Ne pas avoir trop froid, ne pas avoir trop chaud, Ne pas sentir de courant d air gênant, Que l air ambiant ne soit ni trop sec, ni trop humide. Notion de qualité de l air Condition supplémentaire : Que l air ambiant ne contienne pas (trop) de polluants. 20 C < Température < 26 C Vitesse d air < 0,2 m.s % < Humidité relative w < 50-60% Plus quelques exemples de concentrations limites : -- CO 2 < µg.m -3 CO < 30 µg.m -3 NO 2 < 0,32 µg.m -3 SO 2 < 1,35 µg.m -3 Ozone < 0,15 µg.m

3 Ventilation naturelle Dans habitat ancien : Ventilation dite naturelle (souvent subie) Entrées par ouvertures ou manques d étanchéité, en façade Évacuations par ouvertures en partie haute Mise en mouvement par 1) tirage thermique (effet cheminée), 2) effets du vent. Tirage thermique : Soit immeuble R+3, avec T i, T e = températures interne et externe (T i >T e ). La différence de pression motrice pour le tirage s exprime par la formule simplifiée : dp 0,041.H.(T i -T e ). * Expliquer pourquoi. * App.Num. : T i = 22 C, T e = 0 C, quels dp pour rez-de-chausée et pour dernier étage? * Quelle force = 10 Pa sur une porte? Quelle hauteur d air? 4 Ventilation naturelle - 2 Pression due au vent autour d un bâtiment 2 La surpression P v due au vent suit la loi : Pv C(0.5 V ) [=densité de l air ; V=vitesse du vent à hauteur de référence (10m) ; C=Coefficient de pression qui dépend de la direction du vent, de la forme du bâtiment et de la position considérée]. Coefficient C très phénoménologique, -8 Pa très dépendant des circonstances, est-il fiable? 4 m.s Pa -4 Pa -6 Pa 5 2

4 Ventilation naturelle - 3 En ventilation naturelle, le débit est donc très variable, malgré les mécanismes de régulation (hygro-réglables p.ex.). Le débit peut être trop fort (dépense énergétique inutile) ou trop faible (inconfort, hygiène). Aération des logements : générale et permanente ( saison). Débits [en m 3.h -1 ] à extraire du logement (> minimal) et des pièces de service (> minimal nominal) selon le nombre de pièces principales : Nb. pièces Logement Cuisine S de bains WC 1 > 35 > > 60 > > 75 > > 90 > CCH Art R Ventilation mécanique contrôlée VMC - Principe Entrées d air dans les pièces principales (moins polluées) et sorties dans les pièces de service, cuisine, Sdb, WC (plus polluées). Consommations d énergie? Nuisance? VMC simple flux Source : Fédération Française du Bâtiment & EDF. COSTIC 7 3

5 Pertes de Charge Sommation sur les pertes de charge en 2 P série sur tronçons où vitesse constante : tot i (0.5 Vi ) i Avec : Coefficient de perte de charge entre deux points du réseau, soit linéiques (conduits) : lin ( L/ Dh ) Dh 4 A/ L = longueur ; D h = diamètre hydraulique (4.Section/Périmètre) ; si Re<2000 : = k.64/re ; avec k=1 pour tube circulaire ; [à suivre planche suivante] ; Pour pré-dimensionnement : P lin = 1 Pa.m -1. Diamètres de gaines (mm) : 50 ; 63 ; 80 ; 100 ; 125 ; 160 ; 200 ; 250 ; 315 ; 400 ; 500 ; 630 ; 800 ; 1000 soit singulières (coudes, tés, etc.) : P.ex. = 0,5 pour coude à 90, 0,3 pour coude à 45. [à suivre planches suivantes] ; 8 Pertes de charge linéiques Écoulement laminaire (Re < 2000) : = k.64/re ; k pour tubes rectangulaires (a/b) a/b 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0,1 0 k 0,89 0,90 0,94 1,02 1,20 1,34 1,50 Écoulement turbulent (Re > 4000) : Si rugosité nulle : 2 (1.8log10 Re 1.64) Si rugosité : 2 [ ab.log 10( Re. ) c.log 10( / D h )] Re.. / Dh a b c 3,6 10-0,80 2, ,07 1,13-0, ,54 0,00-2, ,47-0,59-2,59 > 190 1,14 0-2,00 9 Quelques exemples de rugosité Tôle : µm Fibre de verre : µm Plastique, PVC : µm Maçonnerie ordinaire : µm 4

6 Pertes de charge singulières - 1 Coudes : = 0,5 pour 90 ; = 0,3 pour 45. Changements de section : 2 2 Élargissement brusque D 3 -> D 2 : [1 ( D3 / D2) ] Rétrécissement brusque D 2 -> D 3 : [1 ( D3 / D2) ] Piquages à 90 Soufflage Reprise D 1 /D 2 = 0,3 D 1 /D 2 = 0,7 Q 1 /Q 2 Q 1 /Q 2 0,1 1,5 0,4 1,32 0,2 2,4 0,8 1,95 0,1 0,62 0,4 0,71 0,2 4,66 0,8 2, Pertes de charge singulières - 2 Entrées et sorties d air La perte de charge dépend très fortement du dessin exact de la grille, cf. les documentations Par exemple, pour une grille classique à ailettes de 400x200 en reprise d air, P = 8 Pa pour un débit de 300 m 3.h -1, et 20 Pa pour 500 m 3.h -1. ( = env. 12). Filtres Filtres à particules : grossiers (>1µm), fins. Filtres à molécules : charbon actif (COV, odeurs). Pertes de charges : 150 à 450 Pa selon finesse, 11 5

7 Marche à suivre Débits réglementaires Air neuf / air extrait Débits max d air neuf et d air extrait Choix du type de ventilation Débit de ventilation Dimensionnement des conduits à 1 Pa/m (diamètre hydraulique à calculer pour section rectangulaire) Calcul des points intermédiaires si plusieurs vitesses Calcul des pertes de charge maximales : Somme pertes de charge linéaires et singulières Recherche tronçon le plus défavorisé Choix du ventilateur, position du point de fonctionnement sur courbe débit vs. pression Dimensionnement des réseaux aérauliques 12 Application numérique Soit le cas «4 pièces» de planche #6 avec extractions séparées cuisine, SdB, et WC (cf. p. #7). Quels sont les débits à extraire dans chaque pièce de service, et au total? En supposant une rugosité nulle, chercher le diamètre de gaine qui donne une perte de charge linéique juste inférieure à 1 Pa/m pour chaque débit, et le débit total (cf. liste diamètres en p. #8). On supposera une rugosité nulle. 1) Se répartir les cas à calculer. 2) Voir données thermophysiques de l air en fin de polycopié. À quelle perte charge correspond un coude à 90 sur chacun de ces trois conduits? Chaque conduit individuel (cuisine, SdB, et WC) fait une longueur de 5 mètres et comporte deux coudes, quel conduit provoque la perte de charge la plus forte? 13 6

8 Application numérique suite À cette perte de charge doit être ajoutée [au moins] celle sur le conduit évacuant le débit total, 3 mètres de long et avec un coude à 90. Quelle est la valeur minimale de la perte de charge totale? À quelle puissance mécanique cette perte de charge correspondelle? Cette valeur est-elle réaliste? En supposant un écart de température de 20K entre intérieur et extérieur, quelle est la puissance thermique correspondant à cette ventilation? À quelle consommation énergétique annuelle cette puissance thermique correspond-elle? 14 Nuisances sonores Limiter les vitesses = économies d énergie et réduction du bruit. Vitesses d air maximales recommandées V [m.s -1 ] en fonction du niveau sonore souhaité (Guide AICVF) : Niveau NR V dans conduits principaux V dans conduits secondaires V dans conduits terminaux 20 4,5 3,5 2,0 25 5,0 4,5 2,5 30 6,5 5,5 3,25 Conduits terminaux : raccordement aux bouches. NR 30 approximativement équivalent à 35 db(a). 15 7

9 Ventilation Motorisée VMC Simple Flux Un groupe moto-ventilateur, placé dans les combles du bâtiment, crée une dépression dans le logement par l intermédiaire de gaines et bouches d extraction situées dans les pièces de service. Cette dépression permet de faire pénétrer l air neuf dans les pièces principales par des entrées d air encastrées dans les menuiseries, et par perméabilité des façades. L air vicié est refoulé en toiture par une sortie chatière. Variation possible de débit en cuisine. 16 Principes Source AICVF 17 8

10 Exemple en habitat collectif A 18 Ventilation Motorisée VMC Double Flux À la VMC de reprise (extraction) d air est ajoutée une seconde VMC pour souffler de l air frais (= extérieur) dans les pièces de vie. VMC double flux Source : Fédération Française du Bâtiment & EDF. COSTIC 19 9

11 Principe Source AICVF 20 A Exemple en habitat collectif 21 10

12 L efficacité énergétique Contrôler les débits, les adapter finement aux besoins Modulation temporelle (programmation, horloges), ou en fonction de l occupation (présence, humidité, CO2 ). Ventilateurs à faible consommation Moteurs à courant continu, variateurs de fréquence. Récupérer l énergie sur le renouvellement d air Technique double flux avec échangeur de chaleur soit statique, soit rotatif, Échangeur courants croisés, ou à contre-courant ; éventuellement plus humidification air extrait en été. soit thermodynamique. Pompe à chaleur air / air Puits canadien 22 Récupération de chaleur sur VMC Double Flux VMC de reprise (extraction) + VMC de soufflage d air extérieur. Échangeur (statique) de chaleur entre les deux flux. VMC double flux Source : Fédération Française du Bâtiment & EDF. COSTIC 23 Préchauffage en hiver, et prérafraîchissement en été 11

13 Récupération de chaleur sur Double Flux Échangeur statique à courants croisés (Alu ou plastique), efficacité de l ordre de 0,6 0,75. Technique avancée : récupération chaleur latente de l humidité contenue dans l air repris. 24 Échangeur rotatif inerte. Échangeur rotatif «régénérateur» (échange de chaleur sensible). Matériau poreux, perméable dans une direction et inerte (typiquement en aluminium), plus deux «balais» qui définissent deux secteurs. CHAUFFAGE Air réchauffé Air froid Air chaud Air refroidi REFROIDISSEMENT 25 12

14 TD : Échangeur de récupération de chaleur VMC Double Flux (Matlab, Excel?) Conditions nominales : renouvellement d air = 135 m 3.h -1, avec 0 C et 20 C de températures extérieure et intérieure. Efficacité de l échangeur à courants croisés : 0, exp( CNUT. ) 1 Q_1 : Quelle est la puissance cross 1exp 0.22 thermique effectivement récupérée? CNUT. Quelle valeur de UA [ou hs, en W.K -1 ] mc. p C Q_2 : Pour la même valeur de UA, min UA NUT mc. p quelle efficacité lorsque le débit passe max mc. p min à sa valeur maximale 210 m 3.h -1? Quelle puissance récupérée? 26 Quelques données thermophysiques [en USI] pour les conditions standard (25 C, 1, Pa) Conductivité k Chaleur spécifique c p Masse volumique Viscosité dynamique Air 0, ,18 18,2 x 10-6 Eau (liq.) 0, x 10-6 Viscosité dynamique de l air : (formule de Sutherland) 2/ T [kg.m.s ] T Quelques sites web utiles :