F I C H E. V e n t i l a t i o n d e s h a b i t a t i o n s P a r t i e 3

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1 N U M É R O J U I N V e n t i l a t i o n d e s h a b i t a t i o n s P a r t i e 3 Climatiseur ou thermopompe air/air combiné(e) à un réseau de distribution d air Un appareil de climatisation permet de refroidir et déshumidifier l air d un logement afin d assurer le confort des occupants durant la saison chaude. Cet appareil peut être intégré aux deux systèmes abordés précédemment, c est-à-dire à l installation de ventilation principale et au système de chauffage à air pulsé. Ce type de configuration tout-en-un permet alors d assainir, filtrer, chauffer, refroidir, humidifier et déshumidifier l air de l ensemble du logement à l aide d un seul et même réseau de conduits. PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT Un climatiseur ou une thermopompe air/air combiné(e) à un réseau de distribution d air comprend généralement deux unités distinctes, reliées par des conduites de réfrigérant. La première unité est constituée d un échangeur de chaleur appelé «évaporateur» ou «serpentin de refroidissement». Cette unité est intégrée au système de chauffage à air pulsé, généralement dans un plénum à la sortie du générateur d air chaud. Lorsque l appareil est en fonction, le réfrigérant circule à basse pression et basse température dans l évaporateur. L air soufflé qui entre en contact avec l évaporateur cède alors une partie de sa chaleur au réfrigérant pour lui permettre de s évaporer. Ce phénomène entraîne une baisse de température (refroidissement) de l air ainsi que la condensation d une partie de l eau qui s y trouve (déshumidification). La deuxième unité, appelée «unité de condensation», est constituée d un compresseur et d un échangeur de chaleur appelé «condenseur». Cette unité est située à l extérieur. Lorsque l appareil est en fonction, le réfrigérant à l état gazeux est comprimé mécaniquement par le compresseur pour augmenter sa pression et sa température. Le réfrigérant à haute pression et haute température traverse ensuite le condenseur qui lui permet de rejeter sa chaleur à l extérieur afin de condenser. La pression du réfrigérant à l état liquide est ensuite abaissée à l aide d une soupape de détente, puis le cycle recommence (voir figure 3). Figure 3 Cycle frigorifique

2 Une thermopompe air/air fonctionne selon le même principe, excepté que son cycle peut être inversé à l aide d un robinet inverseur (reversing valve). L échangeur de l unité intérieure devient alors le condenseur et l échangeur de l unité extérieure devient l évaporateur, ce qui permet de chauffer l air du logement plutôt que de le refroidir. Figure 4 Évaporateur et unité de condensation 2 EMPLACEMENT L évaporateur (serpentin de refroidissement) est généralement installé dans le plénum à la sortie du générateur d air chaud (voir figure 4). Cependant, il peut aussi être installé en parallèle ou en amont de ce dernier. Si l évaporateur est situé à la sortie du générateur d air chaud, il doit être conçu pour résister à la température et à la pression engendrée par celuici. S il est installé en parallèle, il faut prévoir des registres pour empêcher la circulation d air froid dans le générateur et d air chaud dans l évaporateur. Finalement, si l évaporateur est installé en amont du générateur d air chaud, il faut que ce dernier soit conçu pour ce genre d installation puisque l air froid circulera nécessairement au travers du générateur. Dans tous les cas, il faut prévoir un bac de drainage sous l évaporateur pour empêcher le condensat qui s y forme de s égoutter sur les composants du système. Il faut aussi prévoir un tuyau d évacuation pour évacuer ce condensat. De plus, lors de la conception du système à air pulsé, il faut tenir compte des pertes de pression engendrées par l évaporateur. L unité de condensation doit être située à l extérieur, pour pouvoir rejeter la chaleur hors du logement. Il est recommandé de l installer dans un endroit constamment ombragé, afin de faciliter le rejet de chaleur. De plus, cette unité peut être bruyante à cause du compresseur et du ventilateur, il est donc préférable de ne pas l installer à proximité des fenêtres d une chambre à coucher ou d une aire de repos. Certaines municipalités peuvent imposer une distance minimale entre l unité de condensation et la limite de propriété. Elles peuvent aussi imposer des restrictions liées au bruit (un niveau maximum de décibels par exemple). PUISSANCE FRIGORIFIQUE La puissance frigorifique d un appareil représente la quantité de chaleur par unité de temps que cet appareil est capable d extraire de l espace à refroidir. Elle est généralement exprimée en Btu/h ou en tonne de réfrigération dans le système impérial d unités 1 et en kilowatt (kw) dans le système international d unités 2. Pour déterminer la puissance frigorifique que doit avoir l appareil desservant un logement, il faut calculer le plus précisément possible la charge de refroidissement (cooling load) de ce logement. La charge de refroidissement représente la quantité de chaleur par unité de temps qui doit pouvoir être absorbée pour compenser les plus importants gains de chaleur sensible et de chaleur latente par unité de temps anticipés, et ce, pour l ensemble des espaces à climatiser du logement. Des méthodes pour effectuer ce genre de calcul sont disponibles dans différents ouvrages 3. Il existe aussi des logiciels informatiques conçus spécialement pour cela. 1 1 tonne de réfrigération = Btu = 3,517 kw 2 1 kw = W = J/s = Btu/h 3 Par exemple : la norme CSA F280, Détermination de la puissance requise des appareils de chauffage et de refroidissement résidentiels ; le 2009 ASHRAE Handbook - Fundamentals, au chapitre 17 «Residential Cooling and Heating Load Calculations» ; et le guide Calcul des pertes et gains de chaleur de la CMMTQ.

3 La puissance de l appareil sélectionné doit correspondre le plus possible aux besoins réels du logement. Si l appareil est sous-dimensionné, il ne sera pas en mesure de maintenir une température adéquate dans le logement lors des journées les plus chaudes de l été. D un autre côté, si l appareil est surdimensionné, ses cycles de fonctionnement seront trop courts pour déshumidifier suffisamment l air. DÉBIT D AIR REQUIS Le débit d air que doit fournir un système à air pulsé est généralement plus élevé en climatisation qu en chauffage, et ce, même lorsque la charge de chauffage du logement est plus élevée que la charge de refroidissement. Cela est principalement dû à la différence entre la température de l air soufflé et la température désirée dans la pièce. En mode chauffage, cette différence peut se situer autour de 40 ºC (70 ºF) sans causer d inconfort aux occupants, mais en mode climatisation, elle doit se situer autour de 10 ºC (20 ºF) maximum pour rester tolérable 4. Plus cette différence de température est faible, plus la quantité d air à fournir doit être élevée pour pouvoir compenser un gain ou une perte de chaleur équivalente. C est pourquoi il faut habituellement prévoir les conduits de ventilation du système à air pulsé en fonction des besoins en climatisation. De plus, la vitesse de rotation du ventilateur doit être ajustable de manière à pouvoir fournir le débit d air requis en mode chauffage et le débit d air requis en mode climatisation. Pour un système à air pulsé desservant un seul logement, le débit d air que doit pouvoir fournir le ventilateur de ce système en mode climatisation peut être estimé à l aide de la formule suivante : En système international d unités (SI) : Q = q s 1,2 X ΔT En système impérial d unités : où : Q q s ΔT = débit volumique d air requis en mode climatisation, L/s ou pi³/min (PCM) ; = charge de refroidissement due aux gains de chaleur sensible, W ou Btu/h ; = différence entre la température désirée dans la pièce et la température d air soufflé, ºC ou ºF. Note : Pour plus de détails au sujet du facteur 1,2 en SI et du facteur 1,08 en impérial, voir les pages 3 et 4 de la partie 2 de cette fiche technique. Le chapitre 10 «Design of Small Forced-Air Heating and Cooling Systems» du 2012 ASHRAE Handbook HVAC Systems and Equipment suggère de déterminer la différence de température en fonction du ratio de la charge sensible sur la charge totale (voir tableau 3). Tableau 3 ΔT en fonction du ratio de la charge sensible sur la charge totale (SHR 5 ) Ratio charge sensible sur charge totale (SHR) ΔT ( C) Le ratio de la charge sensible sur la charge totale est calculé comme ceci : SHR = q s = q s q tot (q s + q l ) ΔT ( F) 0,75 à 0,79 11,5 21 0,80 à 0,85 10,5 19 0,85 à 0,90 9, Q = q s 1,08 X ΔT 4 Par exemple, dans un logement maintenu à 21 ºC (70 ºF) en hiver et à 24 ºC (75 ºF) en été, le système à air pulsé peut souffler de l air à environ 60 ºC (140 ºF) en mode chauffage et à environ 12 ºC (55 ºF) en mode climatisation. 5 SHR : Sensible heat ratio

4 4 où : SHR = ratio de charge sensible (sensible heat ratio) ; q s q l q tot = charge de refroidissement due aux gains de chaleur sensible, W ou Btu/h ; = charge de refroidissement due aux gains de chaleur latente, W ou Btu/h ; = q s + q l = charge de refroidissement totale, W ou Btu/h. La charge sensible correspond aux gains de chaleur qui entraînent une augmentation de température (ensoleillement, conduction à travers les parois exposées, éclairage, etc.). La charge latente correspond aux gains de chaleur qui entraînent une augmentation d humidité (transpiration des occupants, infiltration d air humide, douche, cuisson, etc.). EXEMPLE DE CALCUL DU DÉBIT D AIR REQUIS EN CLIMATISATION : Mise en situation : La charge de refroidissement d un logement est évaluée à W (environ Btu/h). On estime que la portion sensible de cette charge est de W ( Btu/h) et que la portion latente est de W (5 500 Btu/h). Ce logement sera climatisé à l aide d un système central à air pulsé. Question : Quel débit volumique devra pouvoir fournir le ventilateur du système à air pulsé en mode climatisation? Solution : Il faut d abord déterminer le ΔT en fonction du ratio de la charge sensible sur la charge totale (SHR) : SHR = 5400 = 0, Ce ratio est situé entre 0,75 et 0,79. On utilisera donc un ΔT de 11,5 ºC (21 ºF) pour les calculs (voir tableau 3). Le débit d air que doit pouvoir fournir le ventilateur en mode climatisation peut alors être estimé à l aide de la formule suivante : En SI : Q = 5400 = 390 L/s 1,2 x 11,5 En impérial : Q = 1,08 x 21 = 810 PCM Le ventilateur du système à air pulsé doit donc pouvoir fournir un débit volumique d environ 390 L/s ou 810 PCM en mode climatisation pour être en mesure de répondre à la charge de refroidissement estimée pour ce logement. DISTRIBUTION DE L AIR Dans un logement, les espaces qui ont des besoins élevés en chauffage ne sont pas nécessairement les mêmes que ceux qui ont des besoins élevés en climatisation. Le sous-sol, par exemple, n est pas exposé à l ensoleillement et son enveloppe est en contact avec le sol qui reste à basse température tout au long de l année. Cet espace a donc besoin d être chauffé mais pas nécessairement refroidit. À l opposé, l étage supérieur d un logement est particulièrement exposé à l ensoleillement et la chaleur à tendance à s y accumuler à cause de la différence de masse volumique entre l air chaud et l air froid. Cet étage a donc généralement des besoins en climatisation plus important que les autres espaces du logement. Cela pose problème pour le dimensionnement des conduits et la répartition de l air dans les espaces lorsque le chauffage et la climatisation sont assurés par le même système à air pulsé. Les espaces avec des besoins élevés en chauffage et des besoins faibles en climatisation doivent recevoir une plus grande portion de l air du système en hiver qu en été et vis-versa. Idéalement, il faut donc pouvoir réajuster au moins partiellement les débits d une saison à l autre. Pour cela, il faut prévoir des registres de contrôle de débit dans les conduits et des bouches de soufflage réglables. Les conduits et les bouches de soufflage au sous-sol peuvent être dimensionnés en fonction des besoins de chauffage et être fermés en dehors de la saison de chauffe. La bouche (ou les bouches) de reprise d air du sous-sol peut toutefois être laissée ouverte tout au long de

5 l année pour permettre une circulation d air avec les autres étages et assurer un minimum de déshumidification et d apport d air neuf. Quant à l étage supérieur, on peut y installer des bouches de soufflage supplémentaires en prévision d une forte demande de climatisation. Ces bouches supplémentaires peuvent alors être ouvertes en été et fermées en hiver. Si toutefois le système n est pas conçu pour permettre un réajustement saisonnier, il faut faire des compromis pour qu il puisse remplir son rôle autant en mode climatisation qu en mode chauffage. Lors du dimensionnement des conduits, il faut aussi s assurer de limiter la vitesse de l air pour éviter les problèmes de bruits. Cela signifie qu il faut prévoir des conduits dont les dimensions sont adéquates pour faire circuler le débit maximum prévu (généralement en mode climatisation) sans dépasser certaines limites de vitesse. Comme règle de base, le chapitre 10 du 2012 ASHRAE Handbook suggère de respecter les vitesses suivantes: 3,6 à 4,6 m/s (700 à 900 pi/min) dans les conduits principaux ; 3,0 m/s (600 pi/min) dans les conduits secondaires horizontaux ; 2,5 m/s (500 pi/min) dans les conduits secondaires verticaux. Le diamètre minimal que doit avoir un conduit pour ne pas dépasser une vitesse moyenne d air donnée peut être déterminé à l aide de la formule suivante : En système international d unités (SI) : D min = 4 x Q 1000 x υ x π x 1000 En système impérial d unités : D min = 4 x Q x 12 υ x π où : D min = diamètre minimal du conduit, mm ou po ; Q = débit d air dans le conduit, L/s ou pi³/min (PCM) ; υ = vitesse moyenne d air à ne pas dépasser, m/s ou pi/min ; π = le nombre pi (environ 3,1416). Note : Dans la formule en SI, le premier 1000 (dans la racine carrée) est un facteur de conversion de volume en L/m³ et le second 1000 est un facteur de conversion de longueur en mm/m. Dans la formule en impérial, le 12 est un facteur de conversion de longueur en po/pi. Il faut aussi s assurer de concevoir le réseau de conduits de manière à minimiser les pertes de charge, les fuites d air et le bruit. Cela implique entre autres de faire le moins de changements de direction possible, d utiliser des raccords appropriés et d étanchéifier et insonoriser les conduits là où c est nécessaire. De plus, le chapitre 10 du 2012 ASHRAE Handbook recommande d effectuer le raccordement de conduits secondaires aux conduits principaux à au moins 1200 mm (4 pi) en aval d un ventilateur ou d un changement de direction. EXEMPLE DE CALCUL DU DIAMÈTRE MINIMAL : Mise en situation : Un conduit dans lequel circulera un débit volumique d air de 50 L/s (110 PCM). On souhaite limiter la vitesse moyenne dans ce conduit à 3 m/s (600 pi/min) afin d éviter des problèmes de bruits. Question : Quel diamètre devra avoir le conduit pour respecter la vitesse moyenne d air désirée? Solution : Le diamètre minimum du conduit peut être déterminé à l aide de la formule suivante : En SI : D min = En impérial : 4 x x 3 x π D min = 4 x 110 x 12 = 5,8 po 600 x π x 1000 = 146 mm Le conduit devra donc avoir un diamètre d au moins 150 mm (6 po) pour ne pas dépasser la vitesse moyenne d air désirée. 5

6 EMPLACEMENT DES BOUCHES D AIR 6 Pour le chauffage, il est préférable d installer des bouches de soufflage à jet vertical à même le plancher, sous les fenêtres et les murs exposés au froid. Cela permet d éliminer les pertes de chaleur à la source et d assurer un bon mélange entre l air chaud et l air froid dans les pièces. Pour la climatisation, il est préférable d installer des diffuseurs à jet horizontal au plafond ou dans le haut du mur des pièces à climatiser. Cela permet de mélanger l air froid à l air chaud qui s accumule au plafond et de ne pas projeter l air froid directement sur les occupants. Pour les bouches de reprise d air, c est la même chose. En chauffage, il est préférable qu elles soient situées au bas du mur ou au plancher pour empêcher l accumulation d air froid stagnant au niveau du plancher. En climatisation, il est préférable qu elles soient situées en hauteur pour empêcher l accumulation d air chaud stagnant au plafond. Il faut aussi s assurer de ne pas court-circuiter l alimentation d air dans la pièce en installant une bouche de reprise d air dans le chemin du jet d air projeté par la bouche de soufflage. Au Québec, la période de chauffage est plus importante que la période de climatisation à cause du climat. Les bouches de soufflage et de reprise d air des systèmes à air pulsé résidentiels sont donc généralement installées au niveau du sol. Toutefois, dans le cas d un système qui sert à la fois à chauffer et à climatiser, il est possible de disposer les bouches d air de manière à faire un compromis entre le mode climatisation et le mode chauffage. Ce compromis consiste généralement à installer les bouches de soufflage au plancher en périphérie des pièces pour favoriser le chauffage tout en installant les bouches de reprise d air en hauteur pour minimiser la stagnation de l air en mode climatisation. CORPORATION DES MAÎTRES MÉCANICIENS EN TUYAUTERIE DU QUÉBEC 8175, boul. Saint-Laurent, Montréal (Québec) H2P 2M1 Tél. : (514) Fax : (514) Sans frais : cmmtq@cmmtq.org Reproduction interdite sans l autorisation écrite de la CMMTQ. Note : Le présent document vous est transmis à titre indicatif seulement. Pour de plus amples informations, nous vous invitons à consulter le Service technique de la CMMTQ. Dépôt légal _ 2013 Bibliothèque et Archives nationales du Québec Bibliothèque et Archives Canada