...par un meilleur contrôle de la qualité de l air dans les systèmes de ventilation et de conditionnement d air (EN 13779) 1 Hannes Lütz Produktmanager CentraLine c/o Honeywell GmbH 06 I 2008 On parle souvent du contrôle de la qualité de l air dans les locaux tertiaires, mais il est rare que celle-ci soit vraiment mise en œuvre. Et pourtant, elle contribue de manière importante à la diminution des coûts d exploitation des systèmes de ventilation et de conditionnement d air. Bien que les propositions de contrôle du CO 2 destinées à atteindre les objectifs cités remontent à 1916, jusqu à présent, les technologies étaient encore trop coûteuses et l énergie trop bon marché pour que de telles initiatives se soient avérées rentables. Désormais, avec l explosion des coûts de l énergie, le contrôle du CO 2 devient une nécessité réaliste, les technologies modernes quant à elles permettent de simplifier énormément leur intégration dans les installations CVC. De cette manière, il est très imple d intégrer cette fonction dans les bâtiments neufs ou en rénovation. La nouvelle directive européenne sur la performance énergétique globale des bâtiments (EPBD) 2 et d autres nouvelles normes soutiennent l utilisation de ces systèmes en raison de leur énorme potentiel d économies en énergie. Les coûts associés au traitement de l air neuf dans une CTA sont très élevés, principalement dus à des volumes d air extraits trop importants et de ce fait une extraction importante des calories ou frigories avec l air vicié. 1 DIN EN 13779 : Ventilation de bâtiments non résidentiels Principes généraux et exigences pour les installations de ventilation et de conditionnement d air, 2005, DIN Deutsches Institut für Normung e.v. 2 Directive européenne «Efficacité énergétique globale des bâtiments» (EPBD) du 16 décembre 2002
Une préoccupation qui ne date pas d hier La problématique du contrôle du CO 2 est déjà ancienne. Dès le début du 20ème siècle, les ingénieurs américains étaient déjà conscients des grands potentiels d économie réalisables : Manuel d ingénieur Illustration 1 : Manuel d ingénieur de 1916 3 [«A l aide de tests de CO 2...... il convient de contrôler le renouvellement de l air et la répartition de l air dans la pièce.... la teneur en CO 2 ne devrait PAS DEPASSER 8 à 10 sur 10.000.»] «Anciennes» normes et la nouvelle norme EN 13779 La directive européenne EN1946, partie 2 et la norme américaine ASHRAE 62-1989 calculent encore la quantité d air frais selon la surface et un nombre fixe de personnes. La nouvelle norme européenne EN 13779, sur la base de l EPBD, intègre déjà le dimensionnement de l apport en air frais avec qualité d air comme variable devant être contrôlée et propose que la qualité de l air doit être le vecteur principale d économie dans les centrales de traitement d air. 3 General Electric : Informations sur les techniques de mesure de CO 2
Technologie de mesure Les capteurs de CO 2 modernes sont constitués des composants suivants : une source infrarouge, qui émet un rayonnement via un guide d onde breveté; un filtre optique qui ne laisse passer que la longueur d onde nécessaire; un détecteur qui mesure la quantité de rayonnement infrarouge; plus la teneur en CO 2 sera élevée dans la chambre, moins de rayons infrarouge atteindront le détecteur. membranes de diffusion guide d ondes breveté détecteur thermopile micro-usiné Ampoule infrarouge 1,25" filtre à infrarouge spécial microprocesseur Illustration 2: Capteurs de CO 2 modernes 3 Ces capteurs intègre également un régulateur proportionnel et/ou un simple contact de commande, de telle manière que les petites utilisations peuvent être traitées directement par la contact ToR du capteur. Dans tous les cas, il existe un signal de sortie linéaire 0 10 V ou 4 20 ma, qui représente la concentration de CO 2 en ppm (partie par million). Ce signal de sortie peut être échelonné selon la précision du capteur et le profil d exigence, pour différents domaines de mesure. En règle générale, les capteurs doivent couvrir un domaine de mesure de 0 2000 ppm CO 2. La mesure est basée sur les caractéristiques d absorption de CO 2. L effet de ce gaz peut être extrait par filtrage de manière sélective sans tenir compte des autres influences, de telle manière que des résultats de mesure très exacts peuvent être réalisés. 3 General Electric : Informations sur les techniques de mesure de CO 2
Cet effet physique est représenté dans le diagramme suivant : Absorption infrarouge de différents gaz Transmission Vapeur d eau Hydrocarbure Dioxyde de carbone Monoxyde de carbone NOx Vapeur d eau Dioxyde de soufre Réfrigérant VOC Ozone 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Longueur d onde (microns) Illustration 3: Effets physiques du CO 2 3 Ce principe de mesure s est avéré très fiable, de telle manière qu aucun calibrage n est plus nécessaire. Il offre la plus grande fiabilité et précision parmi tous les principes de mesure possibles. Les capteurs peuvent, selon le type de système, être installés sur un mur dans la pièce concernée ou dans la gaine d extraction d air. Illustration 4 : Les capteurs de CO 2 et de qualité de l air, comme la gamme Command de CentraLine, indiquent la concentration exacte de CO 2 et autres composants. 3 General Electric : Informations sur les techniques de mesure de CO 2
Domaines d application typiques Cette technologie peut être utilisée dans les systèmes de ventilation ou traitement d air dans les bâtiments tertiaires ou commerciaux accueillant une densité importante de personnes de manière permanente ou occasionnelle. L utilisation de ces capteurs est particulièrement judicieuse dans les bureaux, écoles, centres de conférences, théâtres, supermarchés, gymnases et cinémas. Contrôle Une installation intégrant le contrôle du CO 2 doit également prendre en compte les autres fonctions de la centrale (ex : séquences chaud, froid, ventilation). Dans les nouvelles installations, il faut suivre les critères suivants: Un caisson de mélange est nécessaire pour la gestion d air neuf à débit variable et les périodes d inoccupations. L apport en air neuf est assuré par un ventilateur à débit variable avec limite minimale de fonctionnement. Dans les cas où le minimum d air neuf n est pas suffisant pour une bonne gestion de la qualité d air, du chauffage ou de la climatisation alors la vitesse de ventilation sera augmentée. Dans les installations intégrant une grande salle unique tels que les cinémas, théâtres et supermarché, le capteur de qualité d air doit être situé dans la gaine de reprise d air. Les autres bâtiments peuvent avoir un contrôle indépendant par pièce. Il existe de très nombreuses applications en ce domaine. Il convient donc d utiliser la solution adéquate au cas de figure rencontré. Dans le cas de petites installations, il peut être acceptable d enclencher et d arrêter le ventilateur selon le contact ToR du capteur. Les installations avec caisson de mélange peuvent intégrer un capteur de CO 2 associé à un régulateur proportionnel qui sélectionnera la demande maximal de régulation de température et du contrôle de qualité de l air. Les installations avec apport en air neuf peuvent être encore améliorés grâce à un capteur de qualité d air associé à un variateur de fréquence sur la ventilation. Un caisson de mélange et un variateur de fréquence : cette fonctionnalité ne pourra être remplie que par un système de régulation global, donc il sera certainement nécessaire de modifier complètement le fonctionnement de la centrale.
Coûts de chauffage/ refroidissement par kwh Frais d électricité par kwh Coûts de maintenance Conditions ambiante Odeurs Impuretés Conditions d air extérieur Système de chauffage/ refroidissement Arrivée d air frais, système à débit variable Récupération de la chaleur Système de commande du bâtiment Niveau sonore : aussi bas que possible Température : 20 26 C Teneur en CO2 : 800 1200 ppm Perte d énergie dans l air d évacuation en kwh Perte d énergie dans le bâtiment en kwh Humidité de l air : 30 70 %] Illustration 5 : Effets sur le contrôle de qualité de l air Comment les économies peuvent elles être calculées? Nous avons ici deux exemples simplifiés de calcul à votre disposition : 1. Economies par réduction d apport énergétique en chauffage et en refroidissement Pertes inutiles d énergie à cause de 10.000 m3/h d air frais en trop : Par exemple en été = 4 mois de refroidissement avec une température extérieure comprise entre 26 C et 30 C Par exemple en hiver = 4 mois de chauffage avec une température extérieure comprise entre 4 C et 22 C Energie économisée liée au refroidissement = 7100 kwh Economie : 2130 Energie économisée liée au chauffage = 32000 kwh Economie : 2331 Economie totale = 4461 /an Base de calcul: 1 kg de mazout = 0,85 1 kg de mazout = 42000 kj 1 kwh d énergie de chauffage/ refroidissement = 3600 kj 1 kwh d énergie électrique = 0,30 2. Economies par réduction du débit d air Pertes inutiles d énergie à cause de 10.000 m3/h d air frais en trop : La solution : réduction du débit d air de 20.000 m3/h à 10.000 m3/h Par exemple 20.000 m3/h à 2000 Pa (11,1 kw) réduits à 10.000 m3/h (1,4 kw) à 2000 h/a donne une économie de 19400 kwh Economie totale = 5800 /an Base: 100% d efficacité de ventilateur, 1 kwh d énergie électrique = 0,30
Capteur CO 2 ou de qualité d air? Les capteurs de qualité d air mesurant un mélange de gaz oxydable peuvent être utilisés de la même manière que les capteurs CO 2. Ils peuvent mesurer des mélanges de gaz tels que les odeurs et monoxyde de carbone,. Les domaines d utilisation sont cependant différents. Ce sont des applications où le capteur CO 2 n est pas représentatif du mélange de gaz présent dans l air. Ce sont, par exemple, des applications telles que restaurants, les vestiaires. Avantages supplémentaires Nous avons vu que le contrôle de qualité de l air dans une installation entraîne des conditions de charge en dessous de la plage nominale. Par conséquent, l usure de tous les composants est diminuée et la durée de vie de l installation se voit prolongée. De plus, un autre effet positif est une réduction des émissions de bruit, et donc un environnement plus confortable. Résumé La forte croissance des coûts de l énergie entraîne un intérêt accru pour les systèmes de contrôle de CO 2. Les bureaux d études et les installateurs peuvent apporter leur contribution à la réduction de ces coûts en utilisant cette technologie éprouvée et en mettant en œuvre des capteurs CO 2 ou de qualité d air. Le pourcentage d économies d énergie générée par cette fonctionnalité est à deux chiffres. De plus, le contrôle de la qualité de l air prolonge la durée de vie du système de ventilation et offre aux occupants un confort plus important. Les partenaires CentraLine offrent aux bureaux d études et exploitants de bâtiments un conseil et une assistance optimale. Les partenaires sont experts dans le domaine du contrôle de la qualité de l air, ils sont informés régulièrement par CentraLine sur les technologies et directives les plus récentes. Auteur : Hannes Lütz Produktmanager CentraLine c/o Honeywell GmbH Vous pouvez trouver tous les articles liés à la performance énergétique dans le bâtiment sur notre site Internet CentraLine, ou en nous contactant directement. www.centraline.com CentraLine 72, chemin de la Noue 74380 Cranves Sales Tél +33 (0) 4 50 31 43 28