Terminaux de traitement d’air Éléments centraux du confort d’hiver et d’été

Le problème que rencontrent les concepteurs se poseen des termes relativement simples. Premièrement,les exigences de performance énergétique des labels BBC ou HQE, bientôt de la RT 2012, poussent à réduire de manière importante les consommations d’énergie, donc à reconsidérerles solutions traditionnelles de diffusion de l’air

Deuxièmement, si le chauffage d’un bâtiment tertiaire neuf performant n’est plus un souci, étant donné ses très faibles déperditions thermiques,maintenir le confort d’été sans surconsommer peut s’avérerun vrai challenge technique. Troisièmement, avec l’amélioration de l’étanchéité à l’air des bâtiments, la qualité de l’air intérieur s’impose peu à peu comme un paramètre important du confort et tous les acteurs ont désormais pris conscience du fait qu’elle influe directement sur la productivité du travail. Bref, la ventilation, avec des débits sans doute plus importants que ceux qui résultent de la réglementation actuelle, est traitée avec plus d’attention qu’auparavant. Économie d’énergie, confort d’été, qualité de l’air intérieur, les concepteurs doivent donc trouver des solutions qui répondent à ces trois impératifs, tout en étant capables de s’insérer dans le fonctionnement global d’un bâtiment, par le biais d’un asservissement à la GTB.

Le tout à un coût d’exploitation – fonctionnement entre-­tien – le plus réduit possible.Le choix est relativement large : ventilo-convecteurs, poutres froides, systèmes à induction, etc. Ces différents types d’appareils peuvent difficilement être directement comparés les uns aux autres. Leurs paramètres de fonctionnement, notamment les lois d’eau glacée dont ils ont besoin, sont en effet relativement différents. À chaque fois, le système de confort d’un bâtiment doit être envisagé dans sa globalité. En France, le marché des unités terminales de traitement d’air est évalué à 160 000 pièces par an, dont 80 % en tertiaire et la moitié en rénovation.

Poutres froides : passives ou actives ?

Les poutres froides ont la réputation de consommer peu, de fonctionner sans bruit et de manière confortable étant donné les faibles vitesses d’air. D’ailleurs, elles équipent un nombre important de bâtiments tertiaires récents ayant obtenu un label BBC, HQE ou les deux à la fois. Pourtant, elles imposent des débits d’air neuf importants qui peuvent peser sur la performance énergétique globale du bâtiment. Les poutres froides sont en réalité des échangeurs eau/air de grande longueur, suspendus nus au plafond ou bien encastrés dans un faux plafond. Ces appareils peuvent, en outre, porter de l’éclairage ou même des têtes de sprinklers. Les poutres fonctionnent avec un faible DT entre l’air ambiant et l’eau glacée qui les alimentent. Pour éviter tout risque de condensation de l’humidité ambiante sur les poutres plus froides, la loi d’eau est plus élevée que dans le cas des ventilo-convecteurs : 15/17 °C ou même 17/19 °C, en général pour les poutres, contre 12/15 °C pour les ventilo-convecteurs.Ceci se traduit par un régime de fonctionnement des groupes d’eau glacée plus favorable, donc un rendement plus élevé.Il faut distinguer deux sortes de poutres froides : les poutres passives, les poutres actives.

•Les poutres passives sont des échangeurs statiques alimentés en eau glacée, sans aucun apport d’air. Elles ne peuvent que refroidir par convection naturelle, sans chauffer, ni contribuer à la ventilation : l’air chaud du local monte vers la poutre, traverse son échangeur, se refroidit et s’alourdit en même temps, puis redescend. Dépourvues de ventilateurs, elles ne produisent aucun bruit. Mais elles imposent d’autres équipements techniques pour le chauffage et pour la ventilation. Il faut veiller à ménager une bonne circulation d’air autour des poutres passives, notamment des vides autour d’elles si elles sont intégrées au faux plafond, puisque la convection naturelle est le seul propulseur de l’air. La poutre doit être placée parallèlement et à l’opposé des fenêtres, de façon à profiter du mouvement naturel de convection de l’air qui descend le long du couloir et remonte le long de la fenêtre.

Il est possible de placer les poutres passives entre deux luminaires (sources chaudes) qui favorisent le mouvement de convection. La puissance des poutres froides statiques varie de 70 à 200 W/m, selon la largeur de la batterie de la poutre et la température d’alimentation en eau glacée.

Dans le cas des poutres passives, l’emplacement des bouches d’insufflation et de reprise d’air de la ventilation est particulièrement important : le flux créé ne doit pas gêner la convection naturelle des poutres, sinon leur puissance sera limitée par une mauvaise circulation d’air.

Une nécessaire régulation

Les poutres actives assurent le rafraîchissement, le chauffage et la ventilation par apport d’air neuf. Chaque poutre est alimentée en air neuf par une CTA (Centrale de traitement d’air).Le débit de l’air neuf propulsé entraîne de l’air secondaire par de petites tuyères à effet Venturi. Air neuf et air secondaire prélevé dans le local se mélangent dans la poutre et s’écoulent dans le local à travers son échangeur. L’air neuf assure deux fonctions : renouvellement d’air et température de confort. Son débit est donc supérieur à celui du simple renouvellement d’air hygiénique. Ce qui pèse sur le bilan énergétique global, puisque cet air neuf supplémentaire doit être chauffé ou refroidi et propulsé (ventilateur de la CTA).

Une poutre dynamique peut souffler dans le local un débit égal à 5 fois le simple débit d’air hygiénique : air neuf hygiénique, débit d’air neuf pour assurer la bonne température, air repris dans le local par induction.

Si elles sont dépourvues de ventilateur, les poutres froides peuvent néanmoins engendrer du bruit en raison de l’air soufflé. Son débit doit donc être ajusté au plus près des besoins du local.La puissance des poutresfroides dynamiques est del’ordre de 435 W/ml. Ce qui, si l’on considère un débit d’air primaire de 50 m3/heure par ml de poutre, un écart de température de 10 K entre l’eau glacée et l’air ambiant, 1 ml de poutre pour 6 m² au sol, correspond environà une puissance de 75 W/m²au sol. Certains constructeurs poussent au-delà et atteignent 110 W/m².

Dans les deux cas, poutres passives ou dynamiques, la régulation a pour but à la fois d’assurer le confort en maintenant la température de consigne dans le local et, en mode rafraîchissement, d’éviter tout risque de condensation. La température de départ de l’eau glacée est systématiquement supérieure ou égale à 15 °C. avec un retour à 17 °C. Le régulateur terminal qui contrôle une zone de poutres analyse la température et l’hygrométrie du local, calcule la température de point de rosée et pilote la vanne trois voies de la zone, de manière à ce que la température de l’eau glacée soit toujours 1,5 °C au-dessus de celle du point de rosée. Si ce n’est pas possible, la vanne est fermée et le circulateur s’arrête ou ralentit s’il alimente d’autres zones. Le débit d’air neuf demeure inchangé pour les poutres actives.

Le free-cooligng. Les poutres, actives et passives, se prêtent bien au free-cooling, mais il faut y penser lors de la conception de l’installation.

– Pour les poutres passives, leur régime d’eau à température relativement élevée permet d’utiliser des groupes d’eau glacée conçus pour le free-cooling (compresseur arrêté et fonctionnement par échange direct entre l’eau du circuit et la température de l’air extérieur lorsqu’elle descend en dessous de la température de départ de l’eau glacée, 15-17 °C). – – Dans le cas de poutres actives, il est possible de combiner le free-cooling sur l’eau et sur l’air. La batterie froide des CTA est by-passée lorsque la température extérieure descend en dessous de la température de consigne de soufflage de l’air neuf en mode rafraîchissement.

Ventilo-convecteurs : forte réduction des puissances

Il n’est pas exact de dire que des poutres froides ne requièrent aucune maintenance. Il faut tout d’abord vérifier annuellement leurs organes de régulation pour garantir une protection contre la condensation. Ensuite, l’air ambiant traverse les poutres froides. Il est donc chargé de poussières. Il faut donc nettoyer les poutres, notamment les poutres passives, une à deux fois par an pour garantir à la fois la conservation de leur rendement et la qualité de l’air intérieur. Étant donné leur position, c’est plus compliqué que dans le cas des ventilo-convecteurs et, pratiquement, cela impose un nettoyage hors des horaires d’occupation des locaux : le week-end ou la nuit.

Traditionnellement, chauffage et confort d’été étaient confiés en tertiaire à des ventilo-convecteurs.

Les modèles classiques n’ont peut-être plus leur place en construction neuve, en raison des limitations réglementaires sur la puissance des ventilateurs. La RT 2005 impose, en effet, une puissance absorbée du ventilateur en petite vitesse inférieur ou égal à 2 W/m². Il s’agit des mètres carrés chauffés de l’ensemble du bâtiment. Mais les constructeurs ont réagi et proposent des modèles dont la puissance est considérablement réduite. Ciat, d’ailleurs ne parle plus de ventilo-convecteurs, mais d’unités terminales de confort. •Le ventilo-convecteur simple, par opposition aux appareils multifonction dont il est question plus loin, est un appareil autonome chargé du chauffage et de la ventilation. Il peut être équipé d’une seule batterie eau. Dans ce cas, un jeu de vannes assure le basculement entre les réseaux de chauffage et d’eau glacée. Ce sont les ventilo-convecteurs à «Change-over». L’appareil peut également être pourvu d’une résistance électrique et d’une batterie à eau glacée. Les ventilo-convecteurs de ce type ne se trouvent pas ailleurs que sur le marché français. À l’avenir, leur chauffage par effet Joule les exclura pratiquement de toutes les constructions neuves.

Le troisième type de ventilo-convecteurs comporte deux batteries à eau, l’une pour le chauffage, l’autre pour l’eau glacée. Ce sont les ventilo-convecteurs « quatre tubes », alimentés par deux réseaux. Installés dans un bâtiment, ils permettent de chauffer certains locaux et d’en refroidir d’autres en même temps. Physiquement, les ventilo-convecteurs existent sous trois formes : les cassettes à eau glacée, les appareils en allège ou en plafonnier, les unités gainables. Ces dernières constituent la solution de base en hôtellerie, par exemple et offrent une pression disponible supérieure pour pousser l’air dans la ou les gaines jusqu’à la grille de soufflage éloignée de quelques mètres.

Moteurs à technologie « Brushless »

Traditionnellement, les ventilo-convecteurs sont équipés d’un groupe moto-ventilateur (le ventilateur et son moteur) avec un moteur asynchrone. Les plus récents, chez Ciat ou Carrier, notamment, embarquent désormais des moteurs à technologie Brushless, alimentés en courant continu. Ce qui permet un pilotage non plus en trois, quatre ou cinq vitesses, mais en modulation continue du débit d’air délivré. Leur régulation peut ajuster la puissance fournie (débit d’air et température de soufflage) au plus près des besoins de la pièce. De plus, la puissance des moteurs à courant continu est très fortement réduite. Dans une pièce de 20 m², la RT 2005 impose une puissance totale des ventilateurs de 40 W. Mais le label BBC et la RT 2012 demandent des puissances de l’ordre de 20 W au plus.

Les moteurs HEE d’Ebm papst qui équipent les nouvelles générations d’appareils Ciat, les ventilo-convecteurs Major Line et les cassettes Coadis, affichent des puissances de 7,5 W seulement, avec un débit d’air suffisant pour traiter une pièce de 20 m². Selon Virginie Lori de Ciat, dans un immeuble de bureaux de 2 500 m²,équipé de 156 ventilo-convecteurs (1 appareil/16 m²),la consommation électrique annuelle (8 heures/jour x 250 jours pour une utilisation en chaud et en froid) sera de 20 358 kWh avec des ventilateurs classiques à moteurs asynchrones, contre seulement 5 195 kWh, soit une réduction de 74,5 % de la consommation annuelle. Les ventilo-convecteurs Ciat Major Line bénéficient, en outre, d’un nouveau design de leur volute et de leur turbine, qui contribue également à l’amélioration de l’efficacité énergétique et réduit de 1 à 3 dB(A) la pression acoustique, selon les modèles. Le fabricant a repensé la gamme, de manière à la rendre compatible avec les bâtiments BBC : les appareils Major Line sont disponibles pour des puissances allant de 700 W à 9 kW, selon le régime de la certification Eurovent (Loi d’eau de 7/12 °C en froid pour une température ambiante de 27 °C et température ambiante de 19 °C en chauffage).

Après seulement dix-huit mois de commercialisation, Ciat a annoncé la mise en service de la 10 000e cassette HEE (Haute efficacité énergétique).

Tous les ventilo-convecteurs contiennent un filtre à poussières qu’il faut changer annuellement et un bac de recueil de condensats qu’il faut nettoyer une à deux fois par an.

Tableaux des fabricants