Ventilation et quelques équipements - Accueilhebergement.u-psud.fr/master2dfe/IMG/pdf/Cours... · Fibre de verre : 90 – 450 µm Plastique, PVC : 10 – 50 µm Maçonnerie ordinaire

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Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur

Énergétique du bâtiment :Ventilation

et quelques équipementsM. Pons

CNRS-LIMSI , Rue J. von Neumann, BP133, 91403 Orsay Cedex

htpp://perso.limsi.fr/mpons

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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)

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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-1.• 30% < Humidité relative w < 50-60%• Plus quelques exemples

de concentrations limites : --

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CO2 < 12000 µg.m-3

CO < 30 µg.m-3

NO2 < 0,32 µg.m-3

SO2 < 1,35 µg.m-3

Ozone < 0,15 µg.m-3

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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 Ti, Te = températuresinterne et externe (Ti>Te). La différence de pression motrice pour le tirage s’exprime parla formule simplifiée : dP 0,041.H.(Ti-Te).* Expliquer pourquoi.* App.Num. : Ti = 22°C, Te = 0°C, quels dPpour rez-de-chausée et pour dernier étage ?* Quelle force = 10 Pa sur une porte ? Quelle hauteur d’air ?

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Ventilation naturelle - 2

• Pression due au vent autour d’un bâtimentLa surpression Pv due au vent suit la loi :[=densité de l’air ; V=vitesse du vent à hauteurde référence (10m) ; C=Coefficient de pression qui dépend de la direction du vent, de la forme du bâtiment et de la position considérée].

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2(0.5 )vP C V

4 m.s-1

+5 Pa

-6 Pa

-8 Pa

-4 Pa

Coefficient C très phénoménologique, très dépendant des circonstances, est-il fiable ?

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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 m3.h-1] à extraire du logement (> minimal)et des pièces de service (> minimal – nominal)

selon le nombre de pièces principales :

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CCHArt

R111-9

Nb. pièces Logement Cuisine S de bains WC

1 > 35 > 20 - 75 15 15

2 > 60 > 30 – 90 15 15

3 > 75 > 45 – 105 30 15

4 > 90 > 45 – 120 30 30


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).

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VMC simple fluxSource : Fédération

Française du Bâtiment & EDF. COSTIC

• Consommations d’énergie ?

• Nuisance ?

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Pertes de Charge

• Sommation sur les pertes de charge en série sur tronçons où vitesse constante :

• Avec : Coefficient de perte de charge entre deux points du réseau,

soit linéiques (conduits) :L = longueur ; Dh = diamètre hydraulique (4.Section/Périmètre) ;si Re<2000 : = k.64/Re ; avec k=1 pour tube circulaire ; [à suivre planche suivante] ;

• Pour pré-dimensionnement : Plin = 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] ;

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2(0.5 )tot i ii

P V

( / )lin hL D 4 /hD A


Pertes de charge linéiques

• Écoulement laminaire (Re < 2000) : = k.64/Re ; k pour tubes

rectangulaires (a/b)

• Écoulement turbulent (Re > 4000) : Si rugosité nulle : Si rugosité :

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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

210(1.8 log 1.64)Re

210 10[ .log ( . ) .log ( / )]ha b Re c D

a b c3,6 – 10 -0,80 2,00 010 – 20 0,07 1,13 -0,8720 – 40 1,54 0,00 -2,0040 – 190 2,47 -0,59 -2,59

> 190 1,14 0 -2,00

. . / hRe D Quelques exemples de rugosité

Tôle : 50 – 160 µmFibre de verre : 90 – 450 µmPlastique, PVC : 10 – 50 µm

Maçonnerie ordinaire : 95 - 190 µm

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Pertes de charge singulières - 1

• Coudes : = 0,5 pour 90° ; = 0,3 pour 45°.• Changements de section :

Élargissement brusque D3 -> D2 : Rétrécissement brusque D2 -> D3 :

• Piquages à 90°

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2 23 2[1 ( / ) ]D D

23 20.5 [1 ( / ) ]D D

D1/D2 = 0,3 D1/D2 = 0,7

Q1/Q2 Q1/Q2

Soufflage0,1 1,5 0,4 1,320,2 2,4 0,8 1,95

Reprise0,1 0,62 0,4 0,710,2 4,66 0,8 2,69

1

2 3

1

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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 documentationsPar exemple, pour une grille classique à ailettes de 400x200 en reprise d’air, P = 8 Pa pour un débit de 300 m3.h-1, et 20 Pa pour 500 m3.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, …

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Marche à suivre

Dimensionnement des réseaux aérauliques

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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 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

Calcul des points intermédiaires si plusieurs vitesses


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 ?

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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 correspond-elle ?

• 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 ?

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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) :

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Niveau NR V dans conduits principaux

V dans conduits secondaires

V dans conduits terminaux

20 4,5 3,5 2,025 5,0 4,5 2,530 6,5 5,5 3,25

• Conduits terminaux : raccordement aux bouches.• NR 30 approximativement équivalent à 35 dB(A).

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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.

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Principes

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• Source AICVF

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Exemple en habitat collectif

• A

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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.

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VMC double fluxSource : Fédération Française du

Bâtiment & EDF. COSTIC

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Principe

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• Source AICVF


Exemple en habitat collectif

• A

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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

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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.

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VMC double fluxSource : Fédération Française du

Bâtiment & EDF. COSTIC

• Préchauffage en hiver, et

prérafraîchissementen été

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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.

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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.

Air refroidiAir chaud

Air froid

REFROIDISSEMENT

CHAUFFAGE

Air réchauffé

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TD : Échangeur de récupération de chaleur VMC Double Flux (Matlab, Excel ?)

• Conditions nominales : renouvellement d’air = 135 m3.h-1, avec 0°C et 20°C de températures extérieure et intérieure.

• Efficacité de l’échangeur à courants croisés : 0,7.

• Q_1 : Quelle est la puissance thermique effectivement récupérée ?Quelle valeur de UA [ou hS, en W.K-1]

• Q_2 : Pour la même valeur de UA, quelle efficacité lorsque le débit passe à sa valeur maximale 210 m3.h-1 ? Quelle puissance récupérée ?

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0.78

0.22

exp( . ) 11 exp

.cross

C NUT

C NUT

min

max

.

.

p

p

m cC

m c

min

. p

UANUT

m c


Quelques données thermophysiques [en USI]pour les conditions standard (25°C, 1,013×105 Pa)

Conductivité k

Chaleur spécifique cp

Massevolumique

Viscosité dynamique

Air 0,026 1006 1,18 18,2 x 10-6

Eau (liq.) 0,6 4180 1000 903 x 10-6

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Quelques sites web utiles :www.aicvf.org/ - www.ffie.fr/ - www.uecf.fr/

2/36 -1 -1273 111

17.1 10 [kg.m .s ]111 273

T

T

• Viscosité dynamique de l’air : (formule de Sutherland)

Documents

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