Une installation double flux doit être placée dans un local pouvant être isolé acoustiquement, afin de minimiser les nuisances sonores, dues au ronronnement des ventilateurs. (Doc. Zehnder.)
À la faveur des nouvelles Réglementations thermiques, la ventilation double flux pourrait s’imposer, en assurant le renouvellement de l’air intérieur des bâtiments très bien isolés, tout en contribuant au confort thermique.
La fonction première de tout système de Ventilation mécanique contrôlée (VMC) est d’assurer le renouvellement de l’air intérieur, indépendamment des conditions climatiques extérieures (vent, température). Là où les VMC simple flux ont pour seule tâche d’extraire l’air vicié au niveau des espaces techniques (WC, salles de bains, cuisines), leurs homologues double flux assurent l’insufflation d’air neuf dans les pièces de vie, quels que soient la qualité du bâti et le degré de pollution de l’air extérieur. Comme leur nom l’indique, les VMC double flux intègrent deux réseaux, l’un chargé de l’extraction, l’autre chargé de l’insufflation. La création de ces flux est assurée par deux ventilateurs indépendants.
Contexte et enjeux
Traditionnellement, le lot « Ventilation », qui comporte peu de valeur ajoutée par rapport aux autres lots techniques du bâtiment (chauffage, rafraîchissement), ne fait pas toujours l’objet d’un intérêt prononcé de la part de la maîtrise d’ouvrage, comme de la maîtrise d’œuvre. Dans le secteur résidentiel, du moins, car dans le secteur tertiaire, la notion de traitement d’air conduit généralement les bureaux d’études à regrouper les lots « Génie climatique » et « Ventilation », en recourant au vecteur air pour satisfaire au confort thermique intérieur (voir encadré « Traitement d’air »).
Or, dans le contexte actuel, la ventilation recouvre des enjeux stratégiques nouveaux, liés aux bâtiments performants sur le plan énergétique. En effet, l’accent mis sur l’étanchéité du bâti dans le cadre de la RT 2012 remet la question de la Qualité de l’air intérieur (QAI) sur le devant de la scène. Dans les bâtiments antérieurs à la RT 2012, le renouvellement de l’air intérieur intervient de manière parfois « fortuite », via les infiltrations d’air parasites, ou du fait des habitudes de vie des occupants (ouverture des fenêtres). Autant de « dérives » qui ne peuvent plus avoir cours dans des bâtiments de type BBC ou passif, sous peine d’engendrer un surcroît de consommations de chauffage en hiver.
Car, outre le renouvellement d’air intérieur, la ventilation impacte directement le niveau de performance d’un bâtiment. L’association Air.H, regroupant les professionnels de la ventilation, estime même que dans un bâtiment de type passif, le réseau de ventilation est le siège de 80 % des déperditions thermiques. D’où l’importance de minimiser ces déperditions, en modulant les débits de ventilation selon l’occupation des locaux, ainsi qu’en incluant dans les caissons de ventilation des modes de récupération d’énergie sur l’air extrait. Par ailleurs, la ventilation est parfois mise à contribution pour participer au confort d’été sans recourir à la climatisation, par la méthode de surventilation nocturne.
Dans les faits pourtant, la VMC double flux n’est pas systématiquement préconisée dans les bâtiments de niveau BBC, puisque selon l’Observatoire BBC, le simple flux lui est encore préféré dans 73 % des cas (chiffre de novembre 2011). Ramené à la totalité du parc, le taux de pénétration de la VMC double flux a été évalué à seulement 1,1 % par l’Observatoire de la qualité de l’air intérieur.
Récupération de chaleur : différentes technologies disponibles
La plupart des centrales double flux récupèrent une grande partie de la chaleur de l’air extrait pour la transmettre à l’air neuf au moyen d’échangeurs thermiques. Ceux-ci peuvent être de plusieurs types, avec des rendements énergétiques variables. Les plus utilisés en France sont les échangeurs statiques à contre-courant : il s’agit d’échangeurs à plaques qui, comme leur nom l’indique, sont traversés par des flux d’air (entrants et extraits) opposés, de façon à optimiser le transfert thermique. Ils permettent ainsi une récupération de chaleur de l’ordre de 90 %. Les versions antérieures de ce type d’échangeurs, ne procédant pas à contre-courant, voient ce rendement limité à 70 %. Ce type d’échangeur peut toutefois avoir son utilité dans le cas des centrales double flux thermodynamiques. Une récupération partielle des calories permet d’optimiser le rendement de la pompe à chaleur en aval de l’échangeur.
Il existe également des centrales munies d’échangeurs à roue, moins fréquemment préconisées en France, contrairement à d’autres pays européens : par rotation, la partie de l’échangeur traversée par le flux d’air extrait est mise en contact avec le flux d’air entrant, cédant ainsi l’énergie récupérée. Comme les échangeurs statiques, les échangeurs à roue peuvent être à courants croisés. Ces échangeurs ont mauvaise réputation - ils sont d’ailleurs proscrits en milieu hospitalier - pour avoir présenté un risque de mélange d’air vicié et d’air neuf. Un faux problème, selon Anne-Marie Bernard, gérante du bureau d’études Allie’Air : « Les centrales double flux à échangeur rotatif n’ont pas percé en France, alors qu’il existe des systèmes de purge [ndlr : pour prévenir la contamination de l’air neuf par l’air vicié]. Les réserves faites à cette technologie sont pour moi obsolètes ». « Pour résoudre ce problème, il suffit de mettre l’échangeur à roue en surpression, en positionnant le ventilateur en amont », complète Vincent Costes, ingénieur du bureau d’études Amoès. D’autant que, pour des débits très élevés, ce type de centrale mobilise une moindre emprise au sol qu’une centrale avec échangeur à plaques. On dit de ces échangeurs rotatifs qu’ils sont « enthalpiques », car ils permettent de récupérer également la chaleur latente issue de la condensation de la vapeur d’eau contenue dans l’air extrait. Ce qui améliore leur rendement, de l’ordre de 85 % sur air sec.
Mise en place de l’échangeur dans le volume chauffé
Au-delà du rendement théorique de ces différents types d’échangeurs, il est impératif de prévoir dès le stade de conception l’emplacement des centrales au sein du volume chauffé, sous peine de dégrader ce rendement.
Pour un meilleur confort thermique en mi- saison, la récupération de chaleur doit pouvoir être interrompue ; cela est rendu possible en « bipassant » l’échangeur thermique, selon une température de consigne préalablement définie par le concepteur. Ce « court-circuitage » de l’échangeur peut être suspendu, afin de favoriser le rafraîchissement des locaux par transfert thermique.
Concilier performance et qualité de l’air intérieur nécessite de passer au crible un certain nombre de critères. Le choix des produits passe pour le plus évident. Chacun des éléments d’un système double flux (échangeurs, ventilateurs, bouches d’extraction et de soufflage) fait l’objet de normes reconnues sur les plans national et européen (voir tableau). En résidentiel, il est recommandé de recourir à des ventilateurs « basse consommation » associés à des bouches autoréglables dans les logements.
La configuration des différents éléments du système doit également être optimale. En résidentiel collectif, la récupération de chaleur peut se faire dans chaque logement (pourvu de son échangeur), ou de manière centralisée (l’échangeur est alors remisé en local technique, en amont du réseau de gaines desservant les logements). Dans les deux cas, il est préférable de placer l’échangeur au sein du volume chauffé, afin de préserver son rendement thermique.
Le tertiaire requiert d’autres critères de conception, du fait des spécificités d’usage des locaux (bureaux, salles de réunions, classes et circulations). L’air neuf, insufflé par des grilles murales ou en faux plafond, assure également le confort thermique. Les espaces de vie sont bien plus nombreux que les espaces sanitaires, il est impératif de veiller à un bon équilibrage des débits (air extrait vs air neuf).
Les locaux tertiaires (salles de réunions, bureaux, classes, réfectoires, etc.) sont sujets à des pollutions dites « non-spécifiques », liées à la seule présence humaine. Elles s’ajoutent aux pollutions « spécifiques » liées aux cuisines, salles d’eau, et WC. Les locaux à pollution non-spécifique sont soumis à des taux d’occupation très variables. La modulation des débits constitue là un enjeu énergétique d’autant plus sensible. Il est techniquement possible d’adapter les débits de soufflage et d’extraction au taux d’occupation, en recourant à des centrales équipées de ventilateurs à variation de vitesse (par variation de fréquence) et asservies à des détecteurs de présence ou de CO2.
Calcul des débits et des pertes de charge
En résidentiel, les débits d’air extrait sont édictés par l’arrêté du 24 mars 1982 (modifié par l’arrêté du 28 octobre 1983). Dans le tertiaire, ces débits sont déterminés à l’aide du Règlement sanitaire départemental type (pour les établissements scolaires), ainsi que le Code du travail. En règle générale, les débits maximaux d’air extrait doivent être au moins égaux à la somme des débits d’air insufflé et des débits de fuite des locaux. La réglementation ne précise toutefois pas les modalités de répartition des débits pièce par pièce.
Le respect des débits et la limitation des vitesses de ventilation, visant à prévenir les nuisances sonores, déterminent la section des gaines du réseau de distribution. Il est communément admis de dimensionner le réseau pour des pertes de charge linéiques standard de l’ordre de 0,7 Pa/m. La configuration du réseau doit autant que possible limiter les points singuliers (coudes, croisement des réseaux en faux plafond), afin de ne pas générer de pertes de charges supplémentaires (accompagnées de nuisances sonores). Ces pertes de charges conduisent, en effet, à une surconsommation électrique des ventilateurs. L’évaluation des pertes de charges au niveau du réseau de distribution permet de déterminer le niveau de pression généré par les ventilateurs.
Maintenance
Le réseau de gaines doit également, autant que faire se peut, être localisé dans le volume chauffé. Généralement, celui-ci est intégré en faux plafond. Si les gaines doivent cheminer en volume non-chauffé, une isolation permettra de limiter les pertes thermiques. Il est préférable d’opter pour des gaines déjà dotées de leur couche isolante, afin de se prémunir de toute malfaçon lors de la mise en œuvre.
Il est utile de rappeler ici qu’une conception adaptée facilite la maintenance de l’installation, primordiale pour pérenniser l’efficacité du système (voir l’encadré « retour d’expérience »). Cela induit notamment de prévoir des espaces suffisants pour accéder aux différents équipements (centrales, réseaux, colonnes montantes). L’entretien des centrales est d’autant plus crucial qu’il est négligé. Les filtres doivent être changés périodiquement et les ventilateurs régulièrement nettoyés. Un dossier technique, comportant plans, schémas et spécifications techniques, doit être mis à la disposition des personnels d’exploitation.
