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Centrales d’air Des systèmes de plus en plus économes

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Centrales d’air Des systèmes de plus en plus économes

Échangeur de récupération Il est situé généralement en partie supérieure de la centrale. (CCE de Trane.)

Les centrales d’air actuelles sont des systèmes constitués de nombreux composants, dont la qualité propre influe sur les coûts de fonctionnement et sur l’impact écologique en terme d’équivalent CO2.

Élément incontournable de toute installation de traitement d’air, une centrale actuelle sert à introduire dans l’enveloppe d’un bâtiment l’air neuf nécessaire, de le préchauffer en récupérant la chaleur (ou la fraîcheur en été) de l’air extrait, de le chauffer ou de le refroidir, de l’humidifier, de le filtrer et de l’insuffler en silence à des fins de climatisation dans l’ensemble des locaux. Les centrales de conception « Roof top » (autonomes en énergie, et situées en toiture en extérieur) et les unités terminales ou de petites puissances dépassent le cadre de cette enquête. Les centrales concernées ici sont celles généralement implantées dans un local technique prévu à cet effet, et d’un volume d’air traité supérieur à 6 000 m3/h.

Avec le renforcement de l’isolation d’un bâtiment, l’air neuf est un poste de consommation d’énergie de plus en plus important. L’objectif en 2012 d’avoir des bâtiments qui consomment très peu (50 kWh/m2/an) signifie que le traitement de l’air pourra représenter jusqu’à 50 % des consommations d’électricité globales.

Un choix imposé par l’air neuf

D’où la tendance de la réglementation et de l’offre actuelle vers des matériels de plus en plus économes et avec une récupération performante. Il devient cependant nécessaire, étant donné les seuils imposés de consommation globale annuelle, de prévoir et d’intégrer dès le départ son coût de fonctionnement. La centrale doit être performante par les régimes de températures choisis et par les pourcentages d’énergie récupérée, mais aussi par la consommation des moteurs des ventilateurs, et de tous les autres matériels nécessaires et des accessoires consommés. Que ce soit sous forme de leur consommation directe, mais aussi de par leur technologie. Ainsi, toute amélioration sur la résistance au passage de l’air, diminue l’effort du ventilateur et assure un gain sur la consommation globale annuelle.

Souvent, des gains sonores vont de pair. Les progrès techniques réalisés sont répercutés par les fabricants, par exemple en ce qui concerne les échangeurs, ou les moteurs et les ventilateurs. La forme des pales, leur angle d’attaque ou la géométrie des batteries chaudes ou froides sont des éléments semblant mineurs mais qui améliorent les bilans énergétiques annuels des bâtiments. Mais il restera toujours un compromis à faire entre le coût d’un matériel et son coût d’exploitation, inversement proportionnel. Après le coût énergétique, le deuxième enjeu qui vient à l’esprit est la composante hygiénique. La question de la filtration d’un air extérieur de plus en plus pollué introduit dans un bâtiment se pose naturellement. La technique des filtres évolue mais, plus c’est fait efficacement, et plus la force motrice pour que l’air les traverse doit être importante. Il est alors possible de jouer sur leur taille. D’où le développement des filtres à poches, mais aussi de la longueur nécessaire dans le local pour le caisson de filtration ! Le filtre à dièdre permet de réduire cet encombrement.

Du point de vue de la performance de filtration d’une centrale, la qualité de base est assurée par des filtres gravimétriques, avec 4 niveaux de performance. (G1 à G4, G4 le meilleur). Plus performante, la filtration opacimétrique (étagée de F5 à F9, F9 le meilleur), devient à cause de la pollution, un niveau impératif. Ainsi, en parcourant les différentes ­normes et recommandations européennes, il est souvent et presque toujours ­préconisé la ­valeur F7, comme ­efficacité ­minimale. Et pourtant, la majorité des caissons de traitement d’air sont commercialisés avec un simple étage de filtration G4, niveau imposé par Décret n8 84-1 093 du 7 décembre 1984 du code du travail, ce qui est nettement insuffisant. En effet, le diagramme de Whitby montre que la majorité des particules qui nous entourent, air atmosphérique extérieur et intérieur inclus, a une taille inférieure à 1 µm. Or l’efficacité d’un filtre G4 sur une particule de cette taille est de l’ordre de 10 %. Reste donc à la législation à évoluer en conséquence. Heureusement, même si la partie consacrée à la filtration de l’air d’une centrale est restreinte dans l’EN13053, elle a le mérite de traduire les deux grandes tendances du moment, à savoir : filtrer mieux (F7 minimum) et filtrer plus économique (restreindre la perte de charge finale). Du point de vue de la qualité de l’air intérieur des bâtiments, un autre problème est posé pour la santé publique par l’obligation légale d’avoir des débits de renouvellement d’air frais de plus en plus restreints, pour des raisons de contraintes énergétiques.

Enfin, le dernier niveau de performance de la filtration dans une centrale d’air est le niveau H, ou filtration absolue. Les classes s’étagent de H 10 à H 14 (H 14 étant le meilleur). Cette filtration ne s’impose que dans le cas de salles blanches en construction industrielle, ou de salles d’opération dans le milieu médical.

L’entretien : une contrainte de choix

Un autre composant des filtres est leur cadre-support. À simple glissière pour une maintenance aisée en emploi courant, il sera particulièrement élaboré et étanche sur toute la surface de son périmètre dans le cas de centrales destinées à l’hospitalier. Et ce afin de ne présenter aucune accroche aux poussières et bactéries, et d’interdire les passages d’air non traité.

Hormis les filtres, d’autres éléments sont à considérer sur le plan de l’hygiène, particulièrement en milieu hospitalier ou en salles blanches, surtout pour assurer le nettoyage. Ainsi la rugosité des parois et la géométrie des batteries sont des facteurs importants. Il existe des centrales à plancher parfaitement lisses qui optimisent le nettoyage. Une légère pente du plancher favorisera l’écoulement de l’eau de nettoyage. Cela permet de laver les batteries à l’éponge sans nuire à l’hygiène finale de la centrale. Le tout améliore aussi les performances du matériel.

D’autres facteurs, telle la forme des cornières d’assemblage des caissons aux endroits au contact du flux d’air, sont aussi à prendre en compte. En effet, l’étanchéité d’une centrale qui est soumise à l’aspiration du ventilateur situé au bout est un élément important.

Récupérer l’énergie de l’air extrait

Tous les éléments sont en dépression sur la longueur de l’appareil, et il est nécessaire de limiter les introductions et le mélange de l’air du local à l’air traité devenu propre après sa filtration. Ce phénomène d’aspiration peut être combattu en installant un filtre supplémentaire à l’extrémité de la centrale après le ventilateur de soufflage. Précisons que l’étanchéité d’une centrale est un des tests de la classification Eurovent (voir encadré).Point crucial, la récupération de la chaleur (ou de la fraîcheur) de l’air ambiant extrait à des fins de renouvellement est le principal gisement d’économie qu’une centrale d’air peut générer. Il est déjà possible de recycler une partie de l’air extrait en le mélangeant directement avec les volumes d’air neuf introduits. Cela est ou était effectué dans la centrale sous forme d’un caisson de mélange, et les quantités réparties grâce à des registres motorisés, idéalement pilotés par une sonde de qualité d’air C02. Ce mélange direct permet en moyenne de recycler un tiers de l’air extrait par an et donc son énergie. Cependant, dans le cas par exemple d’un hôtel, il peut y avoir des problèmes d’odeurs. Ceux-ci sont résolus en caisson de filtration situé en aval, par l’emploi de filtres supplémentaires à charbon actif. Cette récupération des calories peut aussi ou ensuite se faire au moyen d’un échangeur, dans un système appelé double-flux. Il peut s’agir d’un échangeur rotatif, appelé également système a roue. En Scandinavie, où la récupération de chaleur est obligatoire, 95 % des centrales l’intègrent en standard. Il est même possible de dire que l’on y conçoit une centrale autour de sa récupération.

La roue est considérée comme le meilleur système sur les plans du rendement et des pertes de charge sur l’air. Ses ailettes métalliques (le plus souvent en aluminium) passent alternativement entre les flux d’air froid et chaud. Cet échangeur présente une efficacité de l’ordre de 85 %, et en choisissant ce type d’échangeur la centrale sera plus large, mais moins longue. Avec la roue, il y a un risque de bipassage de l’air vicié dans l’air neuf. Ces matériels ne seront donc jamais à installer en milieu hospitalier. Une solution est la création d’un débit de fuite de l’air neuf vers l’air extrait sur la roue. Cette possibilité est offerte par certains fournisseurs.En tertiaire, l’échangeur rotatif est le système le plus performant.

Lorsqu’une une étanchéité parfaite est requise, il faut choisir un échangeur à plaques. Une plaque fine en aluminium permet un échange de chaleur entre les flux d’air froid et chaud par l’intermédiaire des ailettes. Initialement, les récupérateurs à plaques, de technologie plus ancienne, étaient moins performants que les rotatifs. Les progrès réalisés ces dernières années ont changé les choses, et leur efficacité est remontée de 70 à 75 %, sous certaines conditions de température.

Leur faible inconvénient est d’avoir un seuil de givrage du fait de la condensation de l’humidité. Le givre peut obturer la veine d’air et diminuer les performances. Il est alors nécessaire de prévoir un cycle de dégivrage ou un bipasse. Là aussi, le nettoyage est primordial pour son rendement. Son autre avantage est d’être statique.

Une production d’énergie décentralisée

Dernier type d’échangeur, des batteries de recirculation à eau composées de tubes à ailettes et d’une pompe de circulation. En plus d’être étanche, son avantage est de permettre la ­dissociation géographique de l’air neuf et de l’air extrait.

Autre élément important du point de vue de l’énergie dépensée, les batteries d’échange (chaudes et froides), ­l’endroit où l’air préchauffé va être porté aux températures désirées. Concrètement, l’air circule entre des rangées de tubes en cuivre à ailettes cuivre ou aluminium, placées en travers de la veine d’air sur deux, trois ou quatre rangs de profondeur selon la puissance à obtenir. L’eau chaude ou froide apportant apportant l’énergie circule dans ces tubes et la diffuse aux ailettes, d’où l’appellation « batteries à ailettes ». Elles sont employées également avec la vapeur. Il est possible également d’utiliser des épingles électriques, qui seront au minimum pour des considérations d’économie, régulées par triac. Ou encore des batteries à détente directe, où l’on fait circuler un fluide frigorigène dans un serpentin de tube cuivre. L’avantage de la détente directe est la possibilité, particulièrement dans l’industrie, de récupérer du chaud ou du froid d’autres applications, produit par le principe thermodynamique (comme une pompe à chaleur) pour s’en servir dans la centrale. L’avantage de la batterie électrique est l’absence d’entretien, la production d’énergie sur place et sans pertes. Points noirs : l’obligation de disposer d’une puissance électrique à souscrire en abonnement qui peut être très importante suivant les débits traités, et l’inertie thermique des épingles nécessitant un asservissement du ventilateur. Batteries chaudes et froides à ailettes nécessitent pour leur part une production d’eau chaude ou d’eau glacée. D’où l’obligation alors de disposer d’un autre local pour la production chaude et froide, ou le traitement du fluide et du coût des matériels nécessaires et du réseau de distribution. Les batteries à ailettes restent cependant le moyen traditionnel et le plus employé pour les centrales d’air dans la construction. La forme d’attaque des ailettes, leur pas, la géométrie du parcours de l’air qui les traverse sont les principaux points d’amélioration étudiés par les fabricants.

Un fonctionnement constant

Dernier élément énergivore, le ou les ventilateurs de soufflage et d’extraction, ou plutôt leur moteur et la transmission de leur énergie à la roue du ventilateur. Le matériel classique est dit « centrifuge » à une ou deux vitesses avec la présence d’une courroie de transmission. La recherche sur cet organe important et fonctionnant en permanence qu’est le groupe moto-ventilateur passe par les systèmes d’entraînement direct, et la régulation de débit grâce à la variation de vitesse. En ce cas, les derniers raffinements sont les moteurs « brushless » (sans charbons) à aimants permutés permanents.

Ils intègrent la variation de vitesse et l’électronique qui optimisent la vitesse en fonction du débit d’air souhaité dans le bâtiment. La régulation peut ainsi être couplée en plus des sondes thermiques directement à une sonde de CO2 installée dans le bâti, et les débits ajustés au strict minimum de la courbe de fonctionnement thermique et hygiénique du bâtiment.

Il s’agit d’une technique qui était connue mais onéreuse et qui devient accessible.

Les fabricants estiment qu’il est encore possible de gagner 10 % de rendement sur le moteur proprement dit en travaillant sur les carcasses, les tempé­ratures de fonctionnement… L’efficacité des moteurs est codifiée en EFF2 et EFF1, le 1 étant en passe d’être obligatoire en 2011. Cette catégorie sera alors rebaptisée IE 2.

La forme des pales du ventilateur est un gisement d’éco­nomies possibles, et, par exemple, la forme des pales vers l’avant ou vers l’arrière a une incidence sérieuse.

Vers l’avant, (ventilateur à action) le fonctionnement est plus onéreux (65 % de rendement).

Et vers l’arrière le ventilateur (dit à réaction) sera plus performant, et nécessitera moins d’énergie pour fonctionner (75 % de rendement) et sera plus bruyant.

L’humidification disparaît en tertiaire

La roue libre, dont le moteur est fixé directement sur le ventilateur, faisant tourner des pales dans le sens latéral du caisson, (comme une roue de moulin) ne nécessite aucune courroie de transmission et permet aussi un mouvement très homogène de l’air. C’est aussi le plus facile à nettoyer et son entretien est réduit. Son seul impératif est l’obligation technique et financière de l’équiper avec un variateur de fréquence, ce qui par ailleurs la rend très performante. Quant aux humidificateurs, appelés aussi « laveurs d’air », ils sont sur le point de disparaître dans le tertiaire, victimes de la peur de la légionellose mais aussi du fait de leur maintenance coûteuse. Ils sont toujours employés en milieux hospitalier et industriel, la conception dite à vapeur d’un humidificateur garantissant une propreté irréprochable. Enfin, il n’est plus possible de réguler une centrale de manière traditionnelle indépendante et autonome dans un bâtiment.

La place que prend le génie climatique dans le bilan énergétique d’un bâtiment nécessitait déjà la correspondance entre tous les composants de l’installation, jusqu’à chaque émetteur, et leur pilotage en adéquation avec de nombreux paramètres tels que l’éclairage (température) ou l’occupation (qualité d’air), de manière pointue.

Les protocoles de GTB (Batibus, EHS, EIB) et leurs passerelles permettant plus ou moins le fonctionnement commun de tous les matériels et entre eux, ont connu des fortunes diverses, et les systèmes LonWork et Modbus sont devenus un standard satisfaisant.

D’origine américaine, LonWork va être concurrencé par le nouveau protocole européen sans royalties du bâtiment, Konnex, que la majorité des grands acteurs du génie climatique ont reconnu, comme Siemens pour la régulation.

Les adaptations de tous les matériels à ce protocole sont déjà réalisées ou en cours chez tous les industriels fabriquant des centrales d’air.

L’avenir dira si ce protocole gratuit sera reconnu et employé par les architectes et les bureaux d’études européens, mais le challenge est là.

*Tableau non-exhaustif des produits

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