Notions de base régulation

Notions de base régulation
Site WEB HVAC
Des principes à la théorie en passant par la pratique
TOME I
NOTIONS DE BASE
Technique de chauffage
Structure et fonctions d'installations d'HVAC
Technique de régulation
Technologie informatique
Préparé par Salvatore Morreale - http://www.cvc.be.tf - [email protected]
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7/09/2001
Note de l'auteur
Ce tome n° 1 est basé sur les notions de base dans le domaine de la régulation HVAC.
Le but de ce tome n'est pas de faire de grandes théories sur ce sujet bien précis mais de
permettre à toute personne de se familiariser avec cette technique souvent laissée-pourcompte et qui peut s'avérer très intéressante.
Comme le démontre l'image ci-dessus, il existe une multitude de chemins afin d'arriver à
comprendre cette technique, comme il existe aussi une quantité de solutions pour
l'expliquer. Donc je vais essayer de le faire le plus simplement possible et de l'étoffer au
fur et à mesure du temps que j'ai à consacrer au site web hvac et rassemblé sous ce
premier tome. D'autres tomes suivront pour les principes fondamentaux, les exemples
d'applications, etc. …
Je remercie toutes les personnes qui m'ont aider à améliorer ce tome
Je vous souhaite une bonne lecture et au fur et à mesure de vos questions, n'hésitez pas
à me contacter via mon site web: http://www.cvc.be.tf- [email protected]
Salvatore Morreale
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Table des matières
INTRODUCTION................................................................................................................................................. 5
1. LA TECHNIQUE DE L'HVAC..................................................................................................................... 13
1. LA TECHNIQUE DE L'HVAC..................................................................................................................... 13
1.1 TECHNIQUE DE CHAUFFAGE ....................................................................................................................... 13
1.1.1 Chauffage individuel chauffage central ............................................................................................... 14
1.1.2 Production de chaleur et fluide caloporteur ........................................................................................ 14
1.2 TECHNIQUE DE VENTILATION ET DE CLIMATISATION ................................................................................... 15
1.2.1 Qu'est-ce qu'une installation de ventilation ? ...................................................................................... 15
1.2.2 Quand les installations de ventilation ou de climatisation sont-elles nécessaires ? ........................... 16
1.3 QUE SIGNIFIE "CONFORT THERMIQUE "?....................................................................................................... 16
1.3.1 Il y a chaleur et chaleur ....................................................................................................................... 16
1.3.2 Le flux thermique chez l'homme ........................................................................................................... 17
1.3.3 Quelques chiffres et diagrammes ......................................................................................................... 18
1.3.4 Conditions d’ambiance conseillées ...................................................................................................... 20
1.4 L’HVAC DANS L'INDUSTRIE ........................................................................................................................ 21
1.5 L’HVAC POUR LA PROTECTION DES BÂTIMENTS ......................................................................................... 22
2. STRUCTURE ET FONCTIONS D'INSTALLATIONS D'HVAC ............................................................. 23
2.1 INSTALLATIONS DE CHAUFFAGE ................................................................................................................... 23
2.1.1 Structure d'un chauffage central à l'eau chaude ................................................................................. 23
2.1.2 Exemple d'application chauffage (schéma de principe)....................................................................... 24
2.2 INSTALLATIONS DE VENTILATION ................................................................................................................ 26
2.2.1 Extraction d'air .................................................................................................................................... 26
2.2.2 Soufflage............................................................................................................................................... 26
2.2.3 Extraction d'air et soufflage ................................................................................................................. 27
2.2.4 Installation de soufflage et d'extraction d'air avec air repris ............................................................. 27
2.3 INSTALLATIONS DE CLIMATISATION PARTIELLE ........................................................................................... 28
2.3.1 Installations de climatisation partielle avec refroidissement .............................................................. 28
2.3.2 Installations de climatisation partielle avec humidification................................................................ 28
2.4. INSTALLATIONS DE CLIMATISATION COMPLÈTE .......................................................................................... 29
2.4.1 Vue d'ensemble des systèmes de ventilation et de climatisation........................................................... 29
2.4.2 Systèmes/ installations de climatisation ............................................................................................... 30
2.5 HUMIDITÉ DE L'AIR : UNE NOTION IMPORTANTE DE LA TECHNIQUE DE CLIMATISATION ............................... 34
2.5.1 Saturation de l'air avec la vapeur d'air................................................................................................ 34
2.5.2 L'enthalpie............................................................................................................................................ 36
2.5.3 Refroidissement et déshumidification................................................................................................... 37
2.6 NORMES ET SYMBOLES ................................................................................................................................ 38
3. RÉGULATION ET COMMANDE D’INSTALLATIONS DE CVC.......................................................... 40
3.1 RÉGULATION ET COMMANDE ....................................................................................................................... 40
3.1.1 Qu'est-ce qu'une régulation?................................................................................................................ 40
3.1.2 Qu'est-ce qu'une commande? ............................................................................................................... 42
3.2 Fonctions de la technique de régulation ................................................................................................. 43
3.3 Terminologie de la technique de l'HVAC................................................................................................ 44
3.4 LE SYSTÈME DE RÉGLAGE ............................................................................................................................ 47
3.4.1 Sonde .................................................................................................................................................... 47
3.4.2 Régulateur ............................................................................................................................................ 48
3.4.3 Organes de réglage .............................................................................................................................. 56
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3.5 DOMAINES D'APPLICATION /EXEMPLES ........................................................................................................ 57
3.5.1 Régulation clans la technique de chauffage ......................................................................................... 57
3.5.2 Commande et régulation dans la technique de ventilation................................................................... 60
3.5.3 Chauffage et refroidissement................................................................................................................ 62
3.5.4 Récupération de chaleur ...................................................................................................................... 63
4. SYSTÈMES DE GESTION TECHNIQUE................................................................................................... 67
4.1 Gestion technique des bâtiments ............................................................................................................. 67
4.1.1 Utilisation de systèmes intégrés de commande et de gestion sur le marché HVAC ............................. 69
4.1.2 La micro-électronique dans la gestion technique................................................................................. 70
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Introduction
Chauffage, ventilation et climatisation, régulation des conditions ambiantes à l'intérieur de
bâtiments, à des fins industrielles, d'hygiène ou de confort.
Le chauffage consiste à maintenir à une certaine température une enceinte plongée dans une
ambiance extérieure plus froide et à température variable. La ventilation, seule ou combinée à un
système de chauffage ou de climatisation, contrôle à la fois l'alimentation et l'évacuation de l'air à
l'intérieur d'espaces fermés, afin d'éliminer les odeurs et de fournir suffisamment d'oxygène aux
occupants. La climatisation contrôle l'environnement intérieur d'un espace, c'est-à-dire sa
température, son humidité, la circulation de l'air et sa pureté, pour les occupants ou les matériaux
industriels qui y sont manipulés ou stockés.
1. Chauffage
La chaleur nécessaire au chauffage est fournie par différentes méthodes : combustion de composés
solides, liquides ou gazeux, transformation directe ou indirecte d'énergie électrique (chauffage
électrique) ou d'énergie naturelle (énergies solaire, éolienne, géothermique) en chaleur. Le procédé
de chauffage domestique peut être direct — les sources de chaleur transmettent la chaleur surtout
par rayonnement — ou indirect — distribution de la chaleur à partir d'un point central. Dans le premier
cas, on utilise par exemple une cheminée ou un poêle. Dans le second cas, un système central
distribue la chaleur transportée par un fluide caloporteur — vapeur, eau ou air — à toutes les pièces
concernées, par des gaines ou des canalisations. Il s'agit du chauffage central.
Le premier moyen de chauffage était le feu, que les hommes utilisaient pour chauffer leurs demeures.
Les poêles et les différents types de braseros, dont l'invention est attribuée aux Romains, sont encore
employés un peu partout dans le monde. Le choix d'un système de chauffage doit tenir compte des
pertes de chaleur de l'intérieur vers l'extérieur. Ils sont donc liés à l'isolation thermique du bâtiment et
à la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur. Selon les besoins et l'occupation des
locaux, le chauffage peut être continu — les températures sont maintenues constantes pendant toute
la période de chauffe, jour et nuit — ou discontinu.
Chauffage central
Les dispositifs de chauffage central furent conçus par les Romains. Au début du XIXe siècle, on
employa, à petite échelle, un type de chauffage centralisé à l'eau chaude. Le premier système central
efficace, mis au point en 1835, était à air chaud!; le chauffage à la vapeur fut inventé vers 1850.
Principe
Les systèmes de chauffage central fournissent de la chaleur à partir d'une ou de plusieurs chaudières
à un seul bâtiment ou à un groupe d'habitations. Le terme chauffage urbain s'applique aux systèmes
dans lesquels un grand nombre d'immeubles sont alimentés en vapeur par une salle de chaudières
centrale gérée par un service public.
La chaleur est véhiculée par la vapeur d'eau, l'eau chaude ou l'air (fluides caloporteurs), par effet de
thermosiphon — circulation naturelle due à des différences de densité, ou par des moyens
mécaniques —, ventilateur ou pompe (circulation forcée). La chaleur est ensuite transmise par
convection à des éléments tubulaires, les corps de chauffe (radiateurs ou convecteurs).
Installations
Les systèmes à eau chaude ou à vapeur sont constitués d'une ou de plusieurs chaudières,
générateurs de vapeur d'eau ou d'eau chaude, reliées aux corps de chauffe, qui sont connectés entre
eux. Les installations à air chaud ne sont pas équipées de corps de chauffe.
Chaudières
Les chaudières des systèmes de chauffage sont en général alimentées par des combustibles, tels
que le fioul, le gaz ou le charbon. En brûlant, le combustible chauffe des pièces métalliques, qui
transfèrent la chaleur à de l'eau, de la vapeur ou même de l'air.
Le fonctionnement de la plupart des chaudières est contrôlé automatiquement et à distance par des
thermostats. Dans les chaudières au fioul et au gaz, la chaleur est régulée par des brûleurs, qui
peuvent être asservis par un thermostat. Les chaudières à combustibles solides présentent un
inconvénient : on doit les alimenter en combustible assez fréquemment.
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En outre, l'évacuation des cendres du chargeur ou du foyer est indispensable. Le foyer de
combustion et la chaudière sont généralement enfermés dans une enveloppe isolée. Voir aussi
Chaudière.
Corps de chauffe
Les corps de chauffe sont des unités d'émission de chaleur, qui diffusent dans les pièces la chaleur
produite par un système de chauffage. Ce sont des radiateurs, des convecteurs, des panneaux
rayonnants ou des plinthes chauffantes. Les radiateurs ordinaires sont constitués d'une série de
grilles ou d'anneaux en fonte, de superficie totale relativement importante. 30 à 40 p. 100 de la
chaleur est cédée à la pièce par rayonnement, le reste, par convection naturelle.
Les convecteurs sont composés d'un réseau de tubes plats en acier ou en métal non ferreux. Ils sont
placés dans des appareils clos, conçus pour permettre une circulation de l'air. Ainsi, la chaleur est
fournie en grande partie par convection, en général forcée. En effet, les magasins, les entrepôts et les
usines sont souvent équipés de ventilateurs électriques qui véhiculent l'air vers les convecteurs.
Chauffage par rayonnement
La chaleur est fournie en partie par rayonnement dans tous les systèmes de chauffage direct.
Cependant, le terme chauffage par rayonnement s'applique couramment aux systèmes de panneaux
rayonnants, dans lesquels les planchers, les murs ou les plafonds servent d'unités d'émission de
chaleur (ce fut le cas, jadis, dans les hypocaustes romains). Lors de la construction du bâtiment, des
tuyaux, où circulent de la vapeur ou de l'eau chaude, sont placés dans les murs ou dans les sols.
Contrairement au chauffage qui emploie des radiateurs ou des convecteurs, le chauffage par
rayonnement assure une température uniforme de l'air des pièces, avec un coût de fonctionnement
relativement bas. Le panneau se différencie des autres corps de chauffe par l'étendue et la basse
température de sa surface. Ainsi, les dispositifs à panneaux sont dits à chaleur diffuse.
Systèmes à eau chaude
Les installations de chauffage central à eau chaude sont constituées d'une ou de plusieurs
chaudières connectées à des corps de chauffe, en général des radiateurs. L'eau chaude, générée par
la ou les chaudières, est amenée par des tuyaux jusqu'aux corps de chauffe dans les différentes
pièces. Les installations à eau chaude, les plus utilisées, permettent de contrôler facilement la
température du fluide caloporteur en fonction des conditions extérieures.
Distribution de l'eau
Il existe des systèmes à un ou deux tuyaux. Dans le premier dispositif, l'eau, pénétrant par le côté
d'alimentation de la canalisation principale dans chaque corps de chauffe, circule dans ceux-ci et est
évacuée par le même tuyau. Ainsi, l'eau se refroidit en s'éloignant de la chaudière. Par conséquent,
pour fournir la même quantité de chaleur, les corps de chauffe les plus éloignés de la chaudière
doivent avoir des dimensions supérieures à celles des autres radiateurs.
Le système à deux tuyaux est muni d'une canalisation servant au départ de l'eau chaude de la
chaudière vers les radiateurs, et d'une autre pour le transport du fluide des radiateurs à la chaudière.
Ce dispositif est par conséquent plus efficace et plus facile à contrôler que le précédent.
La distribution de l'eau dans les corps de chauffe peut s'effectuer par la partie supérieure de
l'installation (distribution en parapluie) : les canalisations d'amenée sont alors placées dans les
combles, et celles de retour, dans le sous-sol. L'installation peut également fonctionner avec une
distribution inférieure : les canalisations d'amenée et de retour sont placées dans le sous-sol. C'est
actuellement le système le plus répandu.
Dans les deux dispositifs, un vase d'expansion, ouvert ou clos, est nécessaire pour compenser les
variations de volume de l'eau. Le circuit est ouvert ou fermé, selon que le vase d'expansion, situé au
sommet de l'installation, est en communication ou non avec l'atmosphère. Dans le premier cas, le
dispositif est à basse pression!; dans le second cas, il est à haute pression ou à eau surchauffée, et
est employé pour chauffer des locaux de grande superficie ou pour véhiculer la chaleur sur des
distances importantes.
Circulation de l'eau
Dans les systèmes à basse pression, la circulation de l'eau était autrefois provoquée par une
différence de densité (circulation naturelle). Dans un tel système, les corps de chauffe (radiateurs)
sont placés au-dessus de la chaudière. Ce dispositif nécessite un grand volume d'eau, ce qui
implique une grande inertie et une mise en régime longue. De plus, on peut difficilement réguler son
fonctionnement.
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Dans les dispositifs à circulation forcée, la circulation est régie par une pompe qui accélère le
mouvement du fluide. Ce système est plus facile à utiliser que le dispositif précédent!; il nécessite
également moins d'eau (inertie moins grande) et des tuyaux de diamètre inférieur.
Systèmes à vapeur
Le chauffage central à vapeur utilise le principe suivant : lorsque la vapeur d'eau se condense, elle
dégage de la chaleur due à son refroidissement, ainsi que des calories provenant de sa
transformation en eau (chaleur latente).
Les installations sont semblables à celles du chauffage central à eau chaude : on trouve des
systèmes à basse pression (seuil réglementaire de 0,5 bar en France) et à haute pression (supérieur
de 1 à 2 bars à la pression atmosphérique). La vapeur à haute pression est rarement admise dans les
corps de chauffe (réglage difficile, écoulement bruyant, danger en cas de fuite). En fait, on l'utilise
surtout pour le transport de la chaleur à longue distance, comme pour le chauffage urbain, un
détendeur permettant ensuite de passer à de la vapeur basse pression, distribuée dans les bâtiments
à chauffer.
Les deux aménagements, à un et à deux tuyaux, sont employés pour la circulation de la vapeur et
pour le retour de l'eau formée par condensation vers la chaudière. Il existe trois types principaux de
dispositifs à vapeur : systèmes à prise d'air, par vaporisation et systèmes à vide, ou à pompe
mécanique.
Système à prise d'air
Le système à évent (canal d'aération) à un tuyau utilise la gravité pour provoquer l'écoulement du
condensat du corps de chauffe vers la chaudière. C'est le système le moins coûteux à installer, mais
les tuyaux doivent avoir un diamètre assez important pour recevoir simultanément la vapeur et le
condensat. Les prises d'air de chaque radiateur permettent l'évacuation de l'air éjecté hors du
radiateur par la vapeur pendant la période de réchauffage et au cours du fonctionnement.
Système par vaporisation
Le système par vaporisation est équipé de deux tuyaux. La vapeur pénètre dans le corps de chauffe
par une soupape d'admission. L'air et le condensat sont amenés vers le tuyau de retour par un
purgeur de vapeur situé sur le corps de chauffe. Le condensat est réintroduit dans le radiateur, et l'air
est évacué par une bouche d'aération centrale située au sous-sol ou, dans les plus grandes
installations, par des bouches d'aération associées à chaque secteur chauffé.
Un système par vaporisation, bien que plus coûteux à installer que le système à un seul tuyau, est
plus économique, car il peut fonctionner sur un cycle de basse combustion et requiert ainsi moins de
combustible.
Système sous vide
Les systèmes de chauffage sous vide sont semblables aux systèmes de chauffage par vaporisation.
Chaque radiateur est équipé d'une soupape d'admission et d'un purgeur de vapeur. Les systèmes
sous vide sont, en plus, équipés d'une pompe à vide dans la canalisation de retour. Celle-ci maintient
un vide partiel dans le dispositif : la vapeur, l'air et le condensat circulent ainsi plus facilement. Le
condensat et l'air retournent vers un point central, où le condensat est aspiré et renvoyé vers la
chaudière, puis l'air est évacué à l'extérieur. Dans un système sous vide total, il n'est pas nécessaire
de réinjecter le condensat par gravité. Les radiateurs peuvent par conséquent être indifféremment
situés au-dessus ou sous la chaudière.
Système à air chaud
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Constitution
Le système à air chaud le plus simple est constitué d'un foyer et d'un tuyau d'évacuation pour le gaz
rejeté, tous deux situés dans une enveloppe de tôle. Le dispositif est également équipé de conduits
menant aux différentes pièces. Pour assurer une circulation naturelle de l'air chaud qui tend à
s'élever, la chaudière est en général installée au sous-sol de la maison (circulation naturelle). L'air
froid, provenant de l'intérieur ou de l'extérieur de la maison, est admis dans un compartiment situé
entre le foyer et l'enveloppe, puis est chauffé par contact avec les surfaces très chaudes de la
chaudière. En général, celle-ci est équipée d'une cuve d'eau, sur laquelle l'air chaud passe pour être
humidifié avant de circuler dans la maison. Après avoir été chauffé, l'air est amené par les conduites
jusqu'aux grilles ou registres individuels (plaques mobiles), situés dans chaque pièce. Les grilles ou
registres sont ouverts ou fermés pour contrôler la température des pièces. Contrairement aux
systèmes de chauffage à eau chaude ou à vapeur, celui à air chaud ne nécessite pas de corps de
chauffe.
Circulation de l'air
Le problème principal dans les systèmes à air chaud est l'obtention d'une circulation d'air adéquate.
Pour chauffer convenablement une maison, les conduites d'air chaud doivent avoir un diamètre
relativement grand!; elles doivent être connectées à la chaudière et être correctement isolées pour
éviter les pertes de chaleur.
Dans un système à air pulsé (circulation forcée), un ventilateur ou un souffleur d'air est placé dans
l'enveloppe de la chaudière. Un tel système assure la circulation d'une grande quantité d'air, même
dans des conditions défavorables. Des filtres à poussière peuvent être installés pour nettoyer l'air.
Lorsqu'ils sont associés à des éléments refroidissants, humidificateurs et déshumidificateurs, les
systèmes à air pulsé sont efficaces pour le chauffage et le refroidissement.
Chauffage électrique
On utilise souvent l'électricité pour le chauffage des résidences privées et des édifices publics, en
raison du faible coût de l'installation. Les systèmes de chauffage électrique sont plus pratiques, plus
propres et nécessitent moins de place que les dispositifs à combustion. Cependant, ils sont
généralement plus coûteux.
La chaleur peut être dispensée par des résistances électriques en spires ou en bandes, placées par
exemple dans les convecteurs installés sur les murs ou sous les fenêtres. Ce système est appelé
chauffage électrique intégré. La chaleur est produite directement par effet Joule, ou indirectement par
induction. Des éléments ou des fils chauffants peuvent même être incorporés dans les plafonds ou
les planchers pour produire une chaleur modérée (chauffage par rayonnement). Le coût total du
chauffage électrique peut être réduit de façon substantielle par l'utilisation d'un système de pompe à
chaleur. On trouve également des systèmes de chauffage central, dans lesquels de l'eau est chauffée
au moyen de résistances électriques. Des dispositifs qui émettent un rayonnement spécifique,
comme dans un four à micro-ondes, qui permet de chauffer directement les molécules d'air en les
faisant «!vibrer!», ont été conçus récemment.
Chauffage solaire
Énergie solaire
Pendant la journée, la surface de la Terre reçoit une quantité importante d'énergie solaire (environ 0,9
kW/h/m2).
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L'énergie reçue varie avec l'heure du jour, l'époque de l'année, la latitude, la couverture nuageuse de
l'atmosphère et la direction de la surface absorbante par rapport au Soleil. Il s'agit d'une énergie
renouvelable, d'origine naturelle et inépuisable. Elle peut suffire pour chauffer un bâtiment bien conçu,
à condition que ce dernier soit équipé d'une surface absorbante suffisante, et qu'on puisse stocker
suffisamment de chaleur pour alimenter le bâtiment pendant les périodes d'obscurité et de mauvais
temps.
Installations
En général, on place des panneaux solaires sur le toit, ainsi que des circuits dans lesquels circulent
un fluide (eau, air, ammoniac). Le fluide caloporteur, généralement de l'eau, chauffé par le Soleil,
s'écoule ensuite vers des réservoirs ou des bassins isolés dans la maison. Cette eau fournit la
chaleur au bâtiment.
Dans des climats plus froids, une source de chaleur supplémentaire est souvent prévue. Certains
systèmes à chauffage solaire fonctionnent avec succès dans de nombreux pays, en particulier dans
les régions où le climat n'est pas excessivement froid. Une bonne répartition du vitrage dans une
maison peut également réduire considérablement les besoins de chauffage par effet de serre. Il
existe d'ailleurs des systèmes qui n'utilisent que des verrières et une pompe à chaleur. Les
habitations du Milton Keynes Energy Park, dans le sud de l'Angleterre, sont toutes alimentées par
l'énergie solaire.
Plus récemment, des panneaux solaires composés de cellules photovoltaïques ont été utilisés pour
produire de l'électricité, permettant d'alimenter un chauffage électrique intégré ou de chauffer de l'eau
redistribuée dans l'habitation. Les expériences de fours solaires (collecteur solaire à concentration
optique), dans lesquels le rayonnement solaire est focalisé sur un corps noir à l'aide d'une série de
miroirs éventuellement mobiles, n'ont pas, jusqu'à présent, été concluantes du fait de leur coût
d'installation et d'entretien.
On distingue les systèmes de chauffage solaire «!naturels!» (ou passifs) et les systèmes
«!mécanisés!» (ou actifs). Les premiers font appel à des moyens naturels de transmission de
l'énergie, comme la convection, la conduction et le rayonnement!; les seconds emploient des
dispositifs mécaniques, tels que des pompes ou des ventilateurs.
Chauffage thermodynamique
Le chauffage thermodynamique emploie une pompe à chaleur, ou thermopompe, dispositif conçu
pour chauffer ou refroidir une pièce, les mécanismes de ces deux procédés étant semblables. Au lieu
de fournir de la chaleur, comme le ferait une chaudière, la pompe extrait et transporte la chaleur d'un
endroit à un autre. C'est une machine frigorifique qui fonctionne en quelque sorte à l'envers. Un
liquide réfrigérant est envoyé dans un serpentin situé à l'extérieur de la zone à chauffer. Le réfrigérant
est très froid : il se vaporise en absorbant la chaleur de l'air extérieur, du sol, de l'eau de puits ou de
toute autre source plus chaude. Le liquide réfrigérant vaporisé est ensuite véhiculé vers un détendeur
qui abaisse sa pression, puis est injecté dans un condenseur, où il libère de la chaleur par
condensation. Il est enfin amené vers un compresseur, où il est totalement liquéfié et où sa
température est abaissée, avant d'être réintroduit dans le cycle par le serpentin extérieur. Pour
climatiser un espace, des vannes inversent le sens de l'écoulement : le réfrigérant transporte la
chaleur de l'intérieur vers l'extérieur. Comme les chaudières, la plupart des pompes à chaleur sont
régulées par des thermostats.
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Dans la plupart des pompes à chaleur, l'air atmosphérique sert de source de chaleur. Cela est difficile
à réaliser dans les zones où les températures hivernales sont souvent inférieures à 0!°C : élever la
température et la pression du réfrigérant devient problématique. On peut alors utiliser la pompe à
chaleur géothermique. Pour un fonctionnement économique du chauffage, la quantité de chaleur
libérée doit être supérieure au double de celle absorbée. On trouve les systèmes de pompe à chaleur
dans les résidences, les édifices commerciaux ou les écoles.
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2. Ventilation
Objectifs
Les installations de ventilation servent surtout à assurer l'hygiène des hommes et des animaux dans
les locaux qu'ils occupent. Les habitations et les bureaux doivent être ventilés pour renouveler
l'oxygène, maintenir un équilibre de la concentration du gaz carbonique. La ventilation permet
également de réduire la chaleur, les odeurs désagréables et l'humidité, d'évacuer les fumées de
cigarette. Dans une usine ou une raffinerie, les systèmes de ventilation évacuent les contaminants
dangereux contenus dans l'air. De nombreux procédés chimiques industriels génèrent des vapeurs
nocives qui doivent être éliminées du lieu de travail. Ce sont en particulier les ingénieurs chimistes qui
conçoivent ces systèmes de ventilation.
L'air atmosphérique contient environ 21 p. 100 d'oxygène et des traces de gaz carbonique (0,03 p.
100), mais l'air expiré par l'Homme ne contient plus que 16 p. 100 d'oxygène et 4 p. 100 de gaz
carbonique. Lorsqu'un appareil de chauffage à combustible (poêle, par exemple) est placé dans un
local clos, les quantités de gaz carbonique et de monoxyde de carbone (CO) émises pourraient
provoquées, à terme, l'asphyxie des occupants : la ventilation de la pièce est donc nécessaire.
Principe
Pour aérer un bâtiment, le moyen le plus simple est la ventilation naturelle, qui utilise la différence de
pression entre l'intérieur de l'édifice, la façade exposée au vent et celle qui est à l'abri. Cette
différence de pression engendre une entrée d'air. Selon ce principe, la ventilation dans les locaux
d'habitation ou les bureaux est généralement assurée par une perte d'air à travers de petits
interstices dans les murs des bâtiments, en particulier autour des fenêtres et des portes. Pour aérer
un local, on ménage une ouverture dans sa partie basse (en dépression) et dans sa partie haute (en
surpression) : il y a appel d'air. Ainsi, si la température extérieure est inférieure à l'extérieur de la
pièce, l'air pénètre par l'ouverture basse et sort par l'ouverture haute. Ce système de ventilation est
parfois assuré par une série de conduits insérés dans les murs, terminés par des bouches d'aération
et éventuellement équipés de filtres. Mais une telle ventilation est parfois insuffisante et dépend en
partie des conditions atmosphériques, variables. De plus, l'air «!frais!» arrivant par le bas, cette
technique est peu conforme aux règles d'hygiène et peu confortable pour les occupants de la pièce.
C'est pourquoi les locaux sont presque toujours équipés de systèmes de ventilation plus élaborés.
Les ingénieurs estiment que, pour une ventilation adéquate, l'air d'une pièce doit être totalement
renouvelé de deux à trois fois par heure. Pour assurer une telle ventilation, il est généralement
nécessaire d'équiper les locaux de dispositifs mécaniques permettant d'augmenter le débit naturel de
l'air. Il s'agit alors d'une ventilation forcée.
Dispositifs
Les dispositifs de ventilation simples comportent des ventilateurs — qui soufflent ou aspirent de l'air
dans un local — ou des ventilateurs soufflants, de type hélicoïde ou centrifuge, conçus pour rejeter
l'air vicié à l'extérieur ou pour aspirer de l'air frais et le diffuser à l'intérieur du bâtiment. Des gaines de
transport équipées de bouches de soufflage ou d'extraction assurent l'injection et l'éjection de l'air.
Les ventilateurs hélicoïdes sont équipés de lames métalliques, ou pales, mises en mouvement par un
moteur électrique. L'air est soufflé dans la direction de l'axe de rotation des pales. Les ventilateurs
centrifuges sont constitués d'une turbine à aspiration centrale et à refoulement radial. Ils sont utilisés
pour injecter de l'air dans les systèmes d'aération.
Les systèmes de ventilation peuvent être associés à des appareils de chauffage, des filtres, des
régulateurs d'humidité ou des dispositifs de refroidissement. De nombreux systèmes comportent des
échangeurs de chaleur. Ceux-ci utilisent l'air sortant pour réchauffer ou refroidir l'air entrant,
augmentant ainsi l'efficacité du système, en réduisant la quantité d'énergie nécessaire à son
fonctionnement.
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3. Climatisation
La climatisation est la création et le maintien d'un air ambiant dont la température, l'humidité et la
pureté sont contraintes. Un système de climatisation est constitué d'un dispositif centralisé, qui
produit une atmosphère contrôlée à tout moment, quelles que soient les conditions climatiques.
Cependant, le terme climatisation est souvent appliqué improprement au refroidissement de l'air.
Dans ce cas, les dispositifs de «!climatisation!» sont simplement des unités de réfrigération équipées
d'un ventilateur, qui fournissent uniquement un débit d'air froid filtré. De même, le terme climatiseur
désigne généralement des appareils autonomes de faible dimension et générant de l'air froid.
Principe
Certains procédés de fabrication, tels que la production du papier et des textiles, nécessitent une
climatisation pour le contrôle des conditions de fabrication. En général, elle consiste à ajuster
l'humidité de l'air distribué. Lorsque de l'air sec est requis, l'air est déshumidifié par refroidissement ou
déshydratation. Dans ce dernier procédé, il circule dans des chambres contenant des produits
chimiques adsorbants, tels que le gel de silice (oxyde de silicium). L'air est humidifié en passant dans
des bains d'eau ou des vaporisateurs. Lorsque l'air doit être exempt de poussière, comme cela est
nécessaire pour la fabrication de certains médicaments, de microprocesseurs ou encore
d'équipements médicaux, le système de climatisation est équipé d'un filtre spécial. L'air passe dans
des vaporisateurs d'eau ou, pour certains filtres, dans un réseau de plaques huilées. Dans d'autres
cas, la poussière est éliminée au moyen de filtres électrostatiques.
Des systèmes de climatisation centralisés, offrant un contrôle complet du chauffage, du
refroidissement et de la ventilation, sont employés dans les magasins, les restaurants, les cinémas,
les théâtres et d'autres édifices publics. De tels dispositifs, de par leur complexité, doivent
généralement être installés lors de la construction du bâtiment. Ces dernières années, ils ont été
progressivement automatisés dans un souci d'économie d'énergie. Les vieux immeubles, les
appartements individuels ou les bureaux peuvent être équipés d'un élément réfrigérant, de
ventilateurs, de conduites d'air ou d'un collecteur d'air, dans lequel l'air de l'intérieur du bâtiment est
mélangé à l'air extérieur. De telles installations peuvent être utilisées pour le refroidissement et la
déshumidification pendant les mois d'été, et le système de chauffage régulier sert pendant l'hiver.
Dans un système de climatisation, l'air est refroidi au moyen d'un générateur de froid. Le gaz traverse
un échangeur dans lequel circule un liquide froid (eau, par exemple). On peut également utiliser des
machines frigorifiques à compression ou à absorption, qui emploient un liquide frigorigène tel que
l'ammoniac, le dioxyde de carbone ou le Fréon — composé de chlore, de fluor et de carbone —, bien
que son utilisation soit maintenant déconseillée (voire interdite), en raison de son impact destructeur
sur la couche d'ozone atmosphérique. Une machine frigorifique est généralement plus complexe et
plus coûteuse qu'une machine thermique de même puissance.
Efficacité
L'efficacité de la climatisation dépend de l'appareillage, mais également de l'isolement, ou étanchéité,
du local par rapport à l'extérieur. Par exemple, l'ouverture d'une fenêtre dans un local climatisé crée
un déséquilibre, le système de climatisation ne pouvant compenser les effets liés à l'entrée d'air. Une
technique souvent utilisée pour éviter les infiltrations d'air extérieur consiste à maintenir le local en
légère surpression par rapport à l'extérieur. Il suffit pour cela de faire pénétrer plus d'air qu'il n'en sort
de la pièce. Dans certains cas (cuisine, bâtiments sanitaires), le local est maintenu en légère
dépression, pour éviter de «!polluer!» l'extérieur. Certains locaux climatisés sont totalement étanches
et équipés de sas à l'entrée. Dans d'autres cas, comme dans les grands magasins où les portes sont
constamment ouvertes, les entrées sont équipées de rideaux d'air chaud ou froid, qui évitent les
perturbations thermiques du local.
Les systèmes de climatisation sont classés selon leur capacité utile de refroidissement, qui devrait
être rigoureusement exprimée en kilowatts (kW). On emploie encore le terme de tonne de
réfrigération, correspondant à la quantité de chaleur qui serait absorbée pour faire fondre une tonne
de glace en 24 h, soit 3,5 kW.
Source: Encarta '99
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1. La technique de l'HVAC
Est la technique de chauffage, de ventilation et de climatisation. Sous nos latitudes, tous les
bâtiments doivent être chauffés et, lorsque l'alimentation en eau chaude est réglée centralement, une
puissance de chauffage doit être assurée aussi bien l'hiver que l'été. Des besoins et des nécessités
spécifiques conditionnent quant à eux la ventilation ainsi que la climatisation de locaux et de
bâtiments.
Pourquoi les bâtiments sont-ils chauffés, ventilés ou climatisés?
1
2
Pour satisfaire des exigences de confort, "de confort thermique", dans les conditions
climatiques les plus diverses. Ces exigences de confort sont satisfaites par les capacités
d'utilisation suivantes:
Température de l'air
- Réchauffer, refroidir
Humidité de l'air
- Humidifier, déshumidifier
Qualité de l'air
- Aérer, ventiler
Hygiène de l'air
- Filtrage
Pour assurer une production, un stockage et un transport les meilleurs possible de biens
fragiles ou le fonctionnement de certaines installations (p.ex. installations informatiques). Ici il
faut maintenir à un niveau constant et spécifique :
- la température ambiante
- l'humidité de l'air
- la qualité de l'air/ d'hygiène
3
Enfin, l'économie d'énergie constitue un facteur important dans la technique de HVAC. La
régulation électronique de telles installations contribue largement à économiser l'énergie.
1.1 Technique de chauffage
On désigne habituellement comme fonction du chauffage le fait de chauffer l'habitat de l'homme en
hiver. La tâche consiste plus exactement à réguler l'émission de chaleur du corps humain pendant la
saison froide par le réchauffement de son environnement de sorte qu'un équilibre s'installe entre la
production et l'émission de chaleur et que l'homme se sente bien sur le plan physiologique. Les
facteurs qui influent sur le confort sont, outre l'habillement, la température de l'air, la température
moyenne de rayonnement, l'humidité de l'air, la vitesse de l'air et la pureté de l'air.
Le chauffage n'influence directement que deux de ces cinq facteurs, à savoir la température de l'air et
la température moyenne de rayonnement (y compris les surfaces de chauffage), que l'on rassemble
toutes les deux sous le terme commun de température de confort. Les autres facteurs ne peuvent
être influencés que par une installation de climatisation que l'on peut désigner comme étant le moyen
technique le plus complet pour obtenir un bon climat ambiant.
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1.1.1 Chauffage individuel chauffage central
Le schéma ci-après montre les deux systèmes et permet de voir comment la chaleur passe à travers
les sois, les murs, les plafonds (pertes de transmission) et les fenêtres (pertes de transmission et de
ventilation). Auparavant, le chauffage individuel représentait la solution habituelle. Il offre certains
avantages et, en notre époque de problèmes d'énergie, regagne du terrain, en particulier comme
chauffage d'appoint pour les pointes maximales (cheminée ouverte, poêle électrique) ou comme
chauffage alternatif pour les périodes de demi-saison.
Dans les descriptions suivantes, nous parlerons en premier lieu du chauffage central, parce que c'est
le plus répandu et qu'il demande des fonctions essentielles de régulation.
1.1.2 Production de chaleur et fluide caloporteur
Le principe du chauffage central est représenté à droite sur le dessin, Le générateur central de
chaleur (le récupérateur de chaleur pour les chauffages à distance) peut transmettre l'énergie
calorifique par différents moyens :
- Air: en particulier pour chauffer de grandes surfaces, p.ex, les halls d'exposition, les églises, etc...
- Vapeur: les industries utilisant la vapeur pour leurs processus de traitement, l'emploient également
souvent pour le chauffage, s'il existe un réseau de distribution pour la vapeur
- Eau surchauffée : sous pression l'eau peut être chauffée à plus de 100°C, sans bouillir.
- Eau chaude: comme l'eau peut absorber beaucoup de chaleur (valeur spécifique élevée), elle est
couramment utilisée dans les chauffages centraux. La capacité de l'eau à absorber la chaleur peut
être observée de façon spectaculaire dans la nature: les courants marins chauds (p. ex le Golf
Stream ) amènent de telles quantités de chaleur dans des régions plus froides que le climat de pays
entiers et de parties de continents en est influencé.
Chauffage individuel
Corps
de chauffe
individuel
Corps
de chauffe
individuel
Chauffage central
Emission
de
chaleur
Déperdition
renouvellement
d'air
Transmission
des parois
Emission
de
chaleur
Distribution
de chaleur
Production de
chaleur
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1.2 Technique de ventilation et de climatisation
Alors que la fonction d'une installation de chauffage est limitée essentiellement à chauffer des locaux
en hiver, la technique de ventilation et de climatisation a pour objectif de maintenir dans certaines
limites l'état de l'air ambiant en considérant la pureté, la température, l'humidité et la vitesse d'air. Le
type du local conditionne l'état d'air ambiant à obtenir. Dans des locaux d'habitation, on se contente
généralement d'une simple aération par les fenêtres, alors que pour certains établissements
industriels, comme les papeteries, les fromageries, etc.. des installations de climatisation entièrement
automatiques sont nécessaires afin de maintenir avec la plus grande précision chaque état d'air
désiré. Entre ces deux extrêmes se situent d'innombrables niveaux intermédiaires avec un traitement
d'air plus ou moins complexe pour les locaux de réunion, les amphithéâtres, les théâtres, les
hôpitaux, etc....
Les prix de l'énergie à la hausse depuis 1973 ont conduit à mener pour toute installation une
planification tenant largement compte de ce facteur : structure appropriée, fenêtres isolantes,
protection contre la chaleur et le soleil, système de climatisation économique, intensité d'éclairage
adéquate, récupération de la chaleur, harmonisation des heures d'occupation, etc.
1.2.1 Qu'est-ce qu'une installation de ventilation ?
On désigne comme installation de ventilation une installation qui souffle et/ou extrait de l'air de façon
mécanique ou qui fait circuler l'air.
schéma d'une installation de ventilation
Air neuf
Traitement
de l'air
Air soufflé
Air extrait
Air repris
Local
......... °c
Air extrait
Dans des installations de ventilation peuvent apparaître les quatre fonctions thermodynamique
suivantes :
Chauffer - refroidir
Humidifier - déshumidifier
Plus ces fonctions apparaissent dans une installation, plus le degré de technicité de l'installation est
élevé.
La technicité d'une installation dépend des exigences que le maître d’œuvres a formulées à
l'ingénieur en matière de climatisation. La consommation énergétique de l'installation est alors en
rapport direct.
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D'autres critères pour les installations de ventilation peuvent être : le lieu de traitement de l'air (central
ou local), les pressions (installations à basse pression, à haute pression), la capacité d'adaptation de
l'installation a chaque situation, la possibilité de régulation individuelle, le mode de nettoyage de l'air.
1.2.2 Quand les installations de ventilation ou de climatisation sont-elles nécessaires ?
Celle-ci est surtout importante pour l’homme.
Les constructions, les conditions environnantes et les processus de travail actuels ne permettent pas
toujours d'obtenir un climat ambiant acceptable avec une ventilation naturelle. Ainsi, par exemple, des
installations de ventilation peuvent être nécessaires dans les cas suivants :
- en cas de bruits extérieurs très élevés ou d'air extérieur vicié
- dans des locaux dont la profondeur est supérieure a 6 m
- dans des locaux "aveugles", c'est-à-dire sans fenêtres
- dans des tours de bureaux
- dans des grands magasins
- en cas de forte production calorifique interne
- pour évacuer des substances nocives (gaz, vapeurs), l'humidité ou des odeurs
Une installation de climatisation complète peut être nécessaire par exemple dans les bureaux à
grande surface en cas de très forte production calorifique interne dans les locaux de réunion et de
conférence
1.3 Que signifie "confort thermique "?
1.3.1 Il y a chaleur et chaleur
C'est l'hiver dans les montagnes. Le paysage est enneigé. Nous sommes assis dans la salle de
séjour d'un chalet.
Les murs intérieurs sont lambrissés, le sol est recouvert de tapis moelleux et épais, un grand poêle
en faïence emplit la pièce de chaleur. Le thermomètre indique 21°C
Un sous-sol: des murs gris, nus. Sols sans tapis, rien que du béton monotone, mais la pièce est
chauffée.
Le thermomètre indique également 21°C.
Personne ne doutera que la salle de séjour dans le chalet donne plus une impression de confort que
le sous-sol, bien que la température soit la même. Pourquoi?
Une raison importante est l'atmosphère générale d'une pièce, son aspect. Des lambris, des tapis, des
rideaux et un poêle en faïence donnent un sentiment de bien être; des murs et des sols nus en béton
certainement pas. On peut parler dans ce contexte de confort atmosphérique. Mais un autre facteur
est plus important pour la technique de régulation. C'est le confort thermique.
Quand on parle de température, une différenciation précise doit être effectuée. La température de
21°C cité au début correspond à la température de l'air ambiant; celle-ci est mesurée à l'aide d'un
thermomètre posé sur un mur.
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Avec une sonde de parois, on mesure par contre la température de parois ou de rayonnement: celleci, est par exemple de 19°C dans la salle de séjour mais seulement de 13°C dans le sous-sol. Les
parois relativement froides font que nous ressentons l'environnement comme inconfortable sur le plan
thermique alors que dans la salle de séjour, les carreaux du poêle de faïence accentuent la sensation
de chaleur.
La propagation de la chaleur s'effectue d'une part par la circulation de l'air et le mélange de
différentes parties chaudes, c'est-à-dire par la convection et d'autre part, par le fait que la surface d'un
corps sans mouvement émette de la chaleur, que l'on désigne comme rayonnement thermique.
Si nous sommes devant une cheminée, nous avons chaud au visage et aux mains alors que nous
avons froid dans le dos. La chaleur de rayonnement domine ici, partant des flammes et des braises,
alors que la pièce reçois peu de chaleur par convection. Devant la cheminée beaucoup d'énergie se
perd, si la chaleur n'est pas récupérée par des installations complémentaires (p ex: utilisation de
cheminée avec ventilateur) et transmise à l'air ambiant.
Pour un poêle en faïence avec une grande surface et les tuyaux de circulation, on obtient un certain
équilibre entre les deux modes de propagation de la chaleur. Il y a chaleur et chaleur
Convection
Tubes de chauffage
Rayonnement
Rayonnement
Convection
Propagation de la chaleur pour un poêle en faïence --- Coupe d'un poêle en faïence
1.3.2 Le flux thermique chez l'homme
Un enfant qui s' est roule dans la neige avec ses camarades de jeux entre, les joues rouges et
haletant, dans le séjour chauffé de notre chalet. Il porte une combinaison molletonnée qu'il va bientôt
enlever. Motif : l'activité intense à l'extérieur nécessite une augmentation de la production calorifique
du corps et cette chaleur doit pouvoir s'écouler relativement vite sinon l'on ressent une impression
désagréable de trop forte chaleur. La combinaison de ski, retenant la chaleur, fait obstacle à ce flux
thermique. En plein air, pour des températures inférieures à zéro, le maintien de la chaleur à
l'intérieur de la combinaison est tout à fait voulu. Mais dans le séjour, à 21°C, la chute de température
est beaucoup plus faible, et le transfert de la chaleur se fait lentement au travers de la matière
molletonnée.
Si dans la situation décrire le corps n' est pas libéré immédiatement de son habillement trop isolant, il
réagit en transpirant.
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L'écoulement de la chaleur s'effectue de cette manière, l'évaporation ayant lieu à la surface de la
peau. Ce processus nécessite une chaleur supplémentaire (chaleur d évaporation) laquelle est
extraite de l'environnement, ici du corps.
On ressent également ce phénomène pendant l'été: si le corps n'est pas séché après un bain ou une
douche, on ressent nettement le refroidissement parce que les gouttes d'eau commencent à
s'évaporer. Cet effet est encore accentué avec de l'alcool ou de l'éther sur la main.
L'air environnant en circulation favorise l'évaporation et la convection, alors que le rayonnement y est
indifférent. Un courant d'air sera ressenti comme agréable ou désagréable en fonction de la situation
extérieure et de l'état dans lequel on se trouve. Une autre dimension doit être aussi considérée dans
ce contexte: la teneur en humidité de l'air. Un air sec absorbe la vapeur d'eau plus rapidement qu'un
air humide. Une chaleur étouffante c' est-à-dire un air chaud humide est particulièrement
désagréable, puisque l'émission par évaporation de chaleur est diminuée.
En général, on supporte mieux une chaleur sèche et un froid sec que des températures extrêmes
dans un air humide. Il y a là cependant une limite car les muqueuses des voies respiratoires peuvent
se dessécher. C'est la raison pour laquelle l' humidité dans les locaux doit être maintenue à un
niveau moyen de 40 à 50% (humidité relative).
Lors du processus de vaporisation la chaleur est nécessaire sans pour autant qu' une augmentation
de la chaleur caractérise l'eau évaporée. Ce phénomène se produit également lors du processus
d'ébullition: l'eau bouillante reste à 100°C bien que la plaque électrique ou le brûleur au gaz continue
à chauffer. Cette chaleur de vaporisation est désignée comme chaleur latente.
Ce qui peut être par contre ressenti comme une augmentation directe de la température lors des
processus de convection et de rayonnement, est appelé chaleur sensible. Ces termes sont très
important pour les installations de climatisation dotées d'une régulation d'humidité
Température air
ambiant
Air en mouvement
°C
Température des parois
°C
Convection
(Chaleur sensible)
% Hr
Rayonnement
(Chaleur sensible)
Evaporation
(Chaleur latente)
Flux thermique (schématique)
1.3.3 Quelques chiffres et diagrammes
Bien que le "confort" semble être de prime abord un concept tout à fait subjectif, lié à la sensibilité de
l'homme, il est possible de déterminer des mesures.
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L'image suivante montre comment le flux thermique humain se répartit lors de différentes
températures ambiantes.
L'activité prise comme base (en moyenne 120 watts) correspond à un travail de bureau réclamant
peu d'effort physique Pour une température ambiante de 20 °C, le rayonnement en représente 72 W
(distance a), la convection 25 W (distance b, 97-72 W) et l'évaporation 22 W (distance c 119-97 W).
La proportion de l'évaporation augmente fortement pour des températures ambiantes plus élevées. Si
la température ambiante atteint 37 °C, c'est-à-dire la température du corps humain, il n'y a plus de
chute de température. Le corps doit par conséquent évacuer toute la chaleur par évaporation
30
150
100
Evaporation
b
75
Température de surface des parois (°C)
c
Flux thermique (W)
125
Convection
50
a
Rayonnement
25
chaud
inconfortable
Juste
inconfortable
28
26
24
confortable
22
Salle
séjour
20
18
16
Froid inconfortable
14
0
12
- 25
15
20
25
30
35
40
Sous-sol
10
45
12
°c
Température ambiante
14
16
18
Température de l'air ambiante
20
22
24
26
28
°c
Vitesse d'air (m/s)
L'image ci-dessus indique les zones de confort, qui ont été calculées à l'aide de nombreuses
analyses statistiques. Elles correspondent aux plages des températures qui sont ressenties comme
"confortables" ou "assez confortables" lors d'activités sédentaires exécutées avec un habillement
adéquat. Les exemples cités précédemment sont reproduits sur le graphique : le confort dans la salle
de séjour (21°C air ambiant, 19° C température de surface des parois), et l'inconfort dans le sous-sol
(21° C air ambiant, 13° C température des parois).
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
18
20
22
Température ambiante
24
26
°c
Vitesse d'air admis
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Cette courbe renseigne sur la vitesse d'air qui est ressentie encore comme confortable. Les valeurs
figurant au-dessus de cette courbe forment la plage du courant d'air gênant
Résumé
En ce qui concerne la température on distingue:
- la température ambiante (ou température de l'air)
- la température de parois (ou température de rayonnement)
La chaleur se propage par:
- convection
- rayonnement (chaleur sensible)
- évaporation
(chaleur latente)
Le flux thermique chez l'homme dépend des dimensions suivantes :
- production thermique (selon l'activité)
- isolation par les vêtements température ambiante
- température moyenne de rayonnement
- vitesse de l'air
- humidité de l'air
Le confort dépend de l'équilibre existant entre ces grandeurs. L'homme se sent bien sur le plan
thermique si le flux thermique s'effectue ni trop vite, ni trop lentement.
Ces explications ont montré que le confort joue un rôle central.
L' objectif est de créer dans les bâtiments les conditions climatiques optimales avec une utilisation
minimale d'énergie. Le confort de l'homme est au centre de nos préoccupations.
1.3.4 Conditions d’ambiance conseillées
Conditions d'ambiance conseillées
Utilisation des locaux
Séjours, bureaux
Chambres à coucher
Salles de bains
Gymnases
Piscines
Chambres froides
Conditions d'ambiance possibles en hiver
Température air ambiant TRA
Humidité air ambiant % rH
20°C
16°C
23°C
15°C
16°C
jusqu'à -30°C
40 - 50%
40 - 60%
Très élevée à courte durée
75%
65%
95%
18-25°C
20-35°C
20-30°C
12°C
90-95%
90-60%
90-60%
90%
Locaux de fabrication industrielle:
textile
tabac
papier
Etables
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1.4 L’HVAC dans l'industrie
Dans le chapitre 1.3, l'homme était au premier plan de nos considérations. Ici, il s'agit de produits qu'il
fabrique, stocke ou transporte.
Selon le cas, certaines grandeurs de température, d'humidité de l'air et de pureté de l'air sont
nécessaires. Afin de garantir ces grandeurs et par conséquent une production ou un stockage
optimal, des installations de ventilation et de climatisation s'imposent.
Exemples:
Papeterie :
22 à 30°C. De grandes quantités de chaleur et d'humidité doivent être évacuées: machines, masses
de papier humides.
Stockage du papier :
40% max. d'humidité relative sinon le papier gondole -> Déshumidification
Imprimerie:
Nécessité d'éliminer les vapeurs et gaz nocifs (p.ex. solvants) par ventilation. Dans les installations de
papier continu, l'humidité de l'air ne doit pas baisser en dessous de 60% rH. -> Humidification
Filatures de coton :
Évacuation de la chaleur produite par les machines à haut rendement ainsi que de la poussière.
Manufacture coton :
L'humidité de l'air doit être de 70 à 80%
Traitement tissus synthétiques :
La régularité de la température (env.20°C) est déterminante pour la qualité du produit.
Brasserie :
Local de fermentation 4…8°C, 50 ... 70 % rH.
Industrie mécanique de précision :
20 °C si possible, max. 50 % rH
Transport de bananes :
A 12 °C exactement, afin qu'elles soient à maturité à l'arrivée
Laboratoires :
Températures et humidités précises et constantes ou valeurs variables (simulations d'environnement)
pour analyses ou examens de matières, appareils, etc.
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1.5 L’HVAC pour la protection des bâtiments
Les installations de climatisation servent également à la protection des bâtiments. Cette protection est
normalement dirigée contre les immiscions pouvant dégrader l'intérieur du bâtiment.
Exemples :
Les cuisines dans les restaurants, les hôtels et les cantines. Le bâtiment doit être principalement
protégé contre les vapeurs d'eau et de graisse.
Les piscines. La condensation résultant de l'humidité élevée dans les piscines conduit à plus ou
moins long terme au pourrissement ou à la formation de moisissures. Ce problème peut être
également résolu avec des systèmes de ventilation. Étant donné que l'air de la piscine n'est pas
encrassé, l'eau excédentaire peut être condensée. Les piscines se prêtent ainsi particulièrement à la
récupération de chaleur au moyen de pompes à chaleur.
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2. Structure et fonctions d'installations d'HVAC
2.1 Installations de chauffage
2.1.1 Structure d'un chauffage central à l'eau chaude
La figure ci-dessous montre les principaux composants et la circulation de l'eau. Partant de la
chaudière - ici avec un brûleur au fuel - l'eau arrive par les tuyauteries de départ dans les appareils de
chauffage situés aux différents étages. Elle y émet une partie de sa chaleur. Sa température passe
par exemple de 90°C à 70°C (chauffage à haute température). Par les tuyauteries de retour, elle
revient à la chaudière.
Étant donné que l'eau chaude se dilate, elle a, comme l'air, tendance à monter. Cette montée pourrait
à elle seule activer la circulation, mais dans la plupart des cas, une pompe est installée dans le circuit
afin d'accélérer et de garantir la circulation.
La dilatation thermique de l'eau entraîne une autre conséquence : le système de commande ne doit
pas être rigide par rapport à son volume. C'est la raison pour laquelle sont installés des vases
d'expansion. Un exemple chiffré : l'eau de 10°C a un volume spécifique de 1,004 dm3/kg .A 90°C
cette valeur est de 1,0359, ce qui correspond à une augmentation de 3,5%. Le vase d'expansion doit
absorber cet accroissement. L'eau n'étant pas compressible, le système de commande serait mis en
danger sans ce dispositif.
cheminée
douche
eau chaude sanitaire
radiateur
départ
retour
pompe
eau froide
vanne de sécurité
chaudière
vase d'expension
La vanne de sécurité offre l'assurance que même en cas de surchauffe de l'eau la tuyauterie n'est
pas endommagée. Les appareils de chauffage nous sont si familiers qu'il n'est pas nécessaire de
devoir les décrire. Leur emplacement dans la pièce joue cependant un rôle capital. Sur les dessins
suivants sont représentées deux possibilités avec leurs répercussions sur la distribution de chaleur
l'emplacement sous la fenêtre est bien plus judicieux, mais la chaleur s'échappe à l'extérieur lorsque
la fenêtre est ouverte. Cela représente un problème important d'énergie.
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25°C
18°C
23°C
21°C
2.1.2 Exemple d'application chauffage (schéma de principe)
Description succincte
Régulation de la température de départ en fonction des besoins et de l'extérieur .
Caractéristiques : par exemple
- courbe de chauffe adaptable (touche +/-)
- température de ralenti réglable (limite de chauffage)
- réglage de la courbe de chauffe avec limitation minimale et maximale
- courbe de chauffe de nuit réglable (DN, Ten)
- courbe spéciale de chauffe de nuit réglable ( 1, 2, 3)
- possibilité de communication (à l'IRC, l'aération, au régulateur de chaudière)
- enclenchement périodique des pompes
- horloge de programmation hebdomadaire numérique pour la
- programmation des phases de chauffage et de ralenti avec sortie de relais libre de potentiel, en
option avec commutateur veto pour la dérogation manuelle du programme temporel automatique.
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radiateur
B1
S1
t
t
F1
B2
P1
t
N1
pompe
chaudière
départ
retour
*
.
Appareils requis
Pos.
Désignation
B1
Sonde extérieure
B2
Sonde d'applique
N1
Régulateur de chauffage pour régulation de température de départ
P1
Horloge de programmation numérique à 1 voie (ralenti)
variantes :
B2
Sonde à plongeur
F1
Thermostat à plongeur mécanique comme thermostat de sécurité
S1
Commutateur veto
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Notions de base
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2.2 Installations de ventilation
2.2.1 Extraction d'air
L'air est aspiré de la pièce avec un ventilateur et est rejeté à l'extérieur.
Les installations d'extraction sont utilisées pour les locaux dont l'air est fortement pollué par des
odeurs, l'humidité, des gaz, des vapeurs ou des températures élevées, tels que les cuisines, les
salles de bains, les toilettes, les vestiaires, les locaux de transformateurs ou d'accumulateurs, les
parkings, les salles d'archives, etc.
Deux solutions sont possibles pour les installations d'extraction dans les grands bâtiments :
a) Ventilateurs d'extraction individuels avec registre commandés par l'interrupteur d'éclairage ou
séparément, avec temporisation de déclenchement par relais à action différée.
b) Ventilateur central d'extraction pour grands bâtiments avec beaucoup d'endroits d'extraction
comme p.ex. les hôtels. Chaque local est pourvu d'un registre temporisé à la fermeture et commandé
par l'interrupteur d'éclairage. Les registres peuvent être aussi commandés par des horloges de
commutation.
Installation d'extraction
p.ex. cuisine, WC
Extraction d'air
A.E.
Air
extrait
Sous-pression
empêchant la
propragation de
mauvaises odeurs
Ventilateur
d'extraction
2.2.2 Soufflage
Un ventilateur aspire l'air de l'extérieur et le conduit dans le local à aérer. L'air peut être filtré et / ou
chauffé au cours de cette opération. Il y a surpression dans le local. L'air excédentaire s'échappe par
des ouvertures spéciales, portes ou fenêtres.
Sont ainsi ventilés les locaux dont l'air n'est pas fortement chargé : les bureaux, les locaux
d'expositions et ceux de la technique en salle blanche.
Installation de souflage
p.ex. locaux humides et secs
Soufflage
A.S.
Surpression
empêche la pénétration
d'air indésirable
Air soufflé
A.N.
Air neuf
Registre d'air neuf
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Ventilateur de soufflage
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2.2.3 Extraction d'air et soufflage
L'air est transporté dans le local par un ventilateur de soufflage et évacué du local par un ventilateur
d'évacuation.
L'installation peut être conçue comme installation à surpression, à sous-pression ou à pression égale
Les installations d'air soufflé et d'air extrait évitent les inconvénients que présentent les installations à
soufflage : p ex. apparition de courants d'air, aspiration d'air non-désirée ou échappement de l'air aux
endroits où il n'est pas désiré.
La mise en place d'un filtre à air dans l'installation d'air soufflé permet de nettoyer l'air.
Si une batterie chaude est également installée, la température de l'air soufflé est alors contrôlée et
réglée par une installation de régulation automatique
Les installations de soufflage et d'extraction sont utilisées dans les salles de toute nature :
restaurants, halls, cuisines de collectivités, bureaux, etc.
Installation de soufflage et d'extraction
avec réchauffage de l'air
Filtrer et
réchauffer
Air
ambiant
Air
extrait
Air
soufflé
+
Air
neuf
Filtre
Batterie chaude
2.2.4 Installation de soufflage et d'extraction d'air avec air repris
Une installation d'aération avec 100% d'air extérieur n'est pas toujours nécessaire. Dans les salles de
conférence, les piscines, les bureaux, une partie de l'air extrait est mélangée à l'air extérieur et
reconduite dans le local.
Le taux d'air extérieur peut être réglé de manière fixe ou être définie par une régulation de
température, d'humidité ou de qualité d'air.
Installation de soufflage et d'extraction
avec air repris
A.A
Air ambiant
A.E.
Air
extrait
A.R. Air repris
A.N.
Air
neuf
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Mélanger
Filtrer
réchauffer
Air
soufflé
+
A.M. Air
mélangé
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2.3 Installations de climatisation partielle
2.3.1 Installations de climatisation partielle avec refroidissement
L'installation est équipée, outre le filtre à air et la batterie chaude, d'une batterie de refroidissement.
L'air d'une température intérieure à la température de l'air ambiant est transporté dans le local à
refroidir.
On distingue les installations à air extérieur et celles avec de l'air repris. De telles installations sont
employées dans des locaux connaissant d'importantes charges calorifiques internes ou externes de
température, comme par exemple les salles d'informatique. Un refroidissement de l'air doit être prévu
pour garder au frais les produits, p.ex. dans l'industrie alimentaire et pharmaceutique.
Installation de climatisation partielle
avec refroidissement
A.A
Air ambiant
A.E.
A.R.
A.S.
-
+
A.N.
Mélanger
Filtrer
réchauffer
Refroidir
A.M.
Batterie froide
2.3.2 Installations de climatisation partielle avec humidification
Les installations sont équipées, outre le filtre à air et la batterie chaude, d'un dispositif
d'humidification.
On humidifie lors d'une forte demande d'air extérieur en hiver, dans des secteurs industriels aussi
divers que le textile, la photo, le tabac, le papier, etc., dans la vente de fleurs, de viande, de fromage,
de meubles, de textiles, etc. de même que dans les musées et les expositions d'art.
L'humidification se fait soit par un humidificateur à vapeur soit par un humidificateur à évaporation.
Pour l'humidificateur à vapeur, l'eau est apportée à l'air déjà sous forme de vapeur. Par contre,
l'humidification à évaporation nécessite une certaine chaleur latente d'évaporation, laquelle est
enlevée au mélange air-vapeur.
Installation de climatisation partielle
avec humidification
A.A
Air ambiant
A.E.
A.R.
Mélanger
Filtrer
réchauffer
Humidifier
A.S.
+
A.N.
A.M.
Humidificateur vapeur
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2.4. Installations de climatisation complète
Les installations de climatisation ont pour fonction de maintenir à un niveau constant la température
et l'humidité de l'air dans des limites données
En règle générale, elles contiennent des dispositifs pour les quatre méthodes thermodynamiques de
traitement de l'air : chauffer, refroidir, humidifier, déshumidifier
La déshumidification se fait par la régulation de l'air extérieur ou par le refroidissement. La fonction et
la structure d'une installation avec déshumidification sont comparables à celles décrites plus haut, à
la différence qu'une batterie chaude est ici nécessaire La température du fluide réfrigérant doit être
inférieure au point de rosée de l'air (voir chapitre 2 5 3 ; diagramme h, x)
On déshumidifie p.ex. dans les piscines, la déshumidification devant toujours être combinée avec une
pompe à chaleur. La chaleur récupérée est utilisée pour le préchauffage de l'air soufflé ainsi que pour
la production d'eau chaude pour les douches.
Installation de climatisation complète
A.A
Air ambiant
A.E.
A.R.
A.S.
B.C. centrale
A.N.
+
Mélanger
Filtrer
Préchauffer
Refroidir
Humidifier
Réchauffer
Déshumidifier
B.C. terminale
-
+
A.M.
Laveur d'air (pulvérisation)
2.4.1 Vue d'ensemble des systèmes de ventilation et de climatisation
Ventilation Naturelle
- à lanterneaux
- par les ouvrants
- par conduit vertical
- par dispositif en
toiture
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Installations de
ventilation
- Extraction d’air
- Soufflage
- Chauffage de l’air
- Filtrage
Installations de ventilation et de climatisation
- Réchauffage
- Refroidissement
- Humidification
- Déshumidification
- Filtrage
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Installation de climatisation
Tout air
Air – eau
- installation à une
Installations d’air
ou deux gaines
primaire à haute
pression avec :
- Installation à une
ou plusieurs zones à - appareils à
induction
débit constant ou
(convecteurs de
variable
climatisation)
- Basse pression ou système à 2,3ou 4
conduites
haute pression
- ventiloconvecteurs
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2.4.2 Systèmes/ installations de climatisation
Installations tout air mono-gaine
Les installations à une zone d'un débit constant amènent à tous les locaux un air de même
température et de même humidité. Les locaux ne peuvent être climatisés individuellement.
-
+
+
Application :
L'installation de climatisation à une zone est destinée à de grands locaux tels que les cinémas, les
théâtres, les salles, l'informatique ou les zones intérieures de bâtiments de grands bureaux.
Les installations à plusieurs zones permettent par contre une adaptation individuelle aux conditions
climatiques dans plusieurs locaux ou zones de bâtiments. L'air est prétraité centralement et traité
localement ensuite. On distingue des systèmes avec des:
Batteries chaudes terminales:
Peuvent être installées dans la centrale sur la sortie de la gaine de zone en amont des locaux
correspondants.
Outre les batteries chaudes terminales, les zones peuvent être également équipées de batteries
froides ou d'une humidification supplémentaire.
+
+
-
+
+
Registres inverseurs:
L'air pré-conditionné est réparti dans la centrale sur une gaine chaude et une gaine froide. La
température de l'air soufflé peut être réglée par zone au moyen d'une commande de registre.
Application d'installations de plusieurs zones
- Sous-division en zones selon l'exposition
- Sous-division des locaux ou groupes de locaux selon les différentes charges frigorifiques ou
calorifiques.
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+
+
-
Les systèmes à volume d'air variable (VAV) compensent les différentes charges frigorifiques des
locaux en modifiant le débit soufflé au moyen d'un régulateur de débit. S'il fait trop chaud dans le
local, le débit est augmenté, s'il fait trop froid, il est diminué. La température d'air soufflé est adaptée à
celle de l'air extérieur. Pour les locaux à chaleur variable, p.ex. dans les zones extérieures, le
système doit être complété par un chauffage statique aux charges thermiques. En hiver la
température de l'air soufflé peut être rehaussée.
-
+
+
Application :
Surtout pour les bâtiments ayant une grande charge frigorifique tels que les grands magasins, les
banques ou les immeubles de bureaux.
Installations tout air à double gaine
Dans l'installation à double gaine, l'air est prétraité puis réparti sur une gaine d'air chaud et d'air froid.
Les masses d'air chaud et froid arrivent par des gaines à haute pression aux boîtes de mélange
individuelles. C'est là qu'est réglé le rapport air chaud/air froid en fonction de la température ambiante
souhaitée.
+
+
-
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Exemples d'application :
Immeubles de bureaux, hôtels, zones externes de grands bureaux, immeubles de laboratoires.
Installations air eau
Dans les installations primaires à haute pression (appelées aussi installations à induction) seul l'air
extérieur nécessaire pour obtenir le taux d'air extérieur réglementaire (=air primaire) est prétraité au
niveau central. Pour chaque sortie d'air, il y a des récupérateurs de chaleur, qui sont parcourus par de
l'eau chaude ou froide en fonction des besoins L'air primaire passe très rapidement à travers les
injecteurs et entraîne l'air ambiant ( =air secondaire). Cet air secondaire passe à travers les
récupérateurs de chaleur, où il est réchauffé ou refroidi
On distingue les appareils à induction réglés par des vannes et ceux commandés avec des registres.
Le nombre de tuyaux introduit la différenciation suivante:
- Système à bitube : dans une conduite de départ ou de retour, de l'eau chaude ou froide (système
d'inversion d'action) ou seulement de l'eau chaude circule en fonction des besoins.
- Systèmes à trois tubes : le départ est séparé pour l'eau chaude et froide, le retour est commun
- Systèmes à quatre tubes : le départ et le retour sont séparés pour l'eau chaude et froide.
Les appareils réglés par registres nécessitent quatre tubes et deux récupérateurs de chaleur.
+
...
Exemples d'applications .
Bâtiments comportant de nombreux locaux avec beaucoup de zones externes tels que les immeubles
de bureaux, les hôtels de luxe, les bâtiments avec une séparation flexible des locaux.
Dans les installations de ventilo-convecteurs, chaque appareil est équipé d'un ventilateur. Le
récupérateur de chaleur est alimente, comme pour les installations à induction, par un système à
deux, trois ou quatre tubes. Trois méthodes sont possibles pour l'apport d'air extérieur :
- Aspiration de l'air extérieur par une ouverture dans la cloison extérieure
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- L'air extérieur est prétraité au niveau central et directement amené aux appareils comme pour les
installations à induction
- Apport de l'air extérieur directement par l'intermédiaire d'une installation centrale dans les locaux.
Chaque appareil peut être arrêté si le local n'est pas occupé. De plus, le ventilateur permet un
réchauffage ou un refroidissement accéléré.
En contrepartie, les dépenses de maintenance sont plus lourdes.
Application
Bâtiments comportant de nombreuses pièces dont le taux d'occupation varie, par exemple les hôtels.
Sinon comme pour les installations d'air primaire.
Appareils de climatisation de fenêtre ou armoires de climatisation
Ils servent essentiellement au refroidissement de locaux individuels. Pour les armoires, des
ouvertures dans la façade sont nécessaires, ou bien l'évaporateur est situé à l'extérieur et est relié à
l'appareil par les conduites de réfrigérants Ces appareils sont souvent équipés d'un chauffage
d'appoint électrique ou alors le réfrigérateur fonctionne comme pompe à chaleur.
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2.5 Humidité de l'air : une notion importante de la technique de climatisation
Une chaleur étouffante précédant un orage d'été, un ciel d'hiver bleu acier avec une fraîcheur
agréable, parce que froide, une pluie en novembre avec toutes les incommodités qu'elle apporte, un
air ambiant complètement sec qui irrite les muqueuses des voies respiratoires - voilà des situations
qui nous font ressentir dans la vie quotidienne l'action de l'humidité dans l'air.
L'air contient toujours une certaine proportion d'eau, mais cette eau reste souvent invisible. Il s'agit
bien d'H20 au sens chimique, se présentant sous forme de vapeur. La teneur en eau est directement
perceptible dans le nuage ou même dans la pluie et la neige.
La vapeur se condense, tout d'abord en fines gouttelettes d'un ordre de grandeur de millièmes de
millimètres, puis en masses plus importantes d'un diamètre de plusieurs millimètres.
L'humidité a une grande influence sur la sensation de confort chez l'homme. Les installations de
climatisation prennent ce facteur en compte. De telles installations sont également nécessaires pour
certaines industries comme la fabrication d'ordinateurs où des valeurs d'humidité bien déterminées
doivent être strictement respectées. La régulation de la teneur en humidité n'est pas seulement
nécessaire au confort de l'homme actif, mais également à la fabrication de certains matériaux et aux
processus de haute technologie.
2.5.1 Saturation de l'air avec la vapeur d'air
Si l'on enrichit l'air en humidité - à l'aide d'un humidificateur d'air -, il arrive un moment où l'air est
saturé d'eau.
En pratique cela veut dire : sur les surfaces plus froides que l'environnement, p.ex. sur les vitres des
fenêtres, l'humidité se dépose. Lors de températures extérieures inférieures à zéro, du givre peut se
former. Notre souffle devient visible un matin froid d'hiver, parce que la respiration saturée d'humidité,
rencontre l'air froid et se condense aussitôt. Cette condensation disparaît au bout de quelques
instants parce que l'air ambiant absorbe cette faible quantité d'eau comme de la vapeur.
Les réfrigérateurs doivent être dégivrés de temps à autre, soit manuellement soit automatiquement,
parce qu'une couche de givre se forme sur le groupe frigorifique et qu'elle se transforme avec le
temps en masse compacte de glace. Les aliments et l'air humide de la cuisine apportent plus
d'humidité à l'intérieur du réfrigérateur qu'il peut en absorber.
Une loi physique importante est démontrée ici: le phénomène de condensation est en rapport étroit
avec la température. La teneur d'eau que l'air peut absorber au maximum - c'est-à-dire jusqu'à
saturation - dépend de sa température. Quelques chiffres : pour une pression atmosphérique de
3
1,013 bar (pression moyenne au niveau de la mer) 1 kg d'air ( = 1,2 m ) de 0 °C n'absorbe que 3,8 g
d'eau. A 15°C il en absorbe 10,7 g et à 25°C, 20,7g.
On obtient la courbe de saturation en portant toutes ces valeurs sur un diagramme dans lequel la
température est indiquée sur un axe horizontal, et la teneur maximale d'eau sur un axe vertical. Cette
courbe relie tous les points avec l'humidité relative de l'air de 100%. Si l'air n'est pas saturé d'eau, son
humidité relative est intérieure à 100%. Un tel point serait situé dans le diagramme au-dessous de la
ligne de saturation. Il y a deux types de détermination d'humidité :
- l'humidité absolue indique combien d'eau est contenue dans un kilogramme d'air,
- l'humidité relative indique quel pourcentage de la teneur en eau maximale possible pour une
température donnée concernée est atteint.
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x
(g/kg)
20
15
10
5
0
-10
0
+10
+20
t (°C)
La courbe de saturation
Afin de pouvoir travailler concrètement sur ce rapport numérique quelque peu compliqué et
représenter une vue d'ensemble des processus de climatisation, on utilise le diagramme
psychrométrique, appelé aussi diagramme de Carrier. Sur l'axe horizontal est représentée la
température sèche de l'air, tsic sur le vertical la teneur en eau X en g/kg, soit l'humidité absolue. La
ligne de saturation apparaît comme ligne de limite, montant comme une parabole. En dessous se
trouvent les courbes qui correspondant à une humidité plus basse. Chaque courbe est désignée avec
le pourcentage correspondant.
x (g/kg)
h (kcal/kg)
12
50
10
∆hlat
90 80
h (kJ/kg)
11
16
70
60
40
8
14
50
9
40
12
7
∆hsens
6
30
30
100%rH
4
10
20
5
C
8
20
3
2
6
10
1
10
A
0
4
B
2
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
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Diagramme psychrométrique ou diagramme de carrier
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tsic (°C)
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Au point A l'air est de O°C et a une humidité relative de 75%. Pour B il est monté à 20°C. Son
humidité absolue (env.3 g/kg) est restée la même, mais son humidité relative est tombée à 20%.
La distance AB correspond donc à un réchauffement. Si ce même air est humidifié, son humidité
absolue et relative augmente : à C la température de l'air est encore de 20°C, mais son humidité
relative s'élève à 50%, ce qui représente une valeur moyenne agréable pour l'air ambiant. L'humidité
absolue est montée à 7,5 g/kg,
2.5.2 L'enthalpie
La lettre h désigne ce que l'on appelle l'enthalpie. C'est la capacité calorifique d'un kilo d'air humide.
Cette capacité calorifique est composée de chaleur sensible et de chaleur latente. Qu'est-ce que la
chaleur latente ? Lorsque l'eau est chauffée, sa température monte proportionnellement à la chaleur
apportée. Quand le point d'ébullition (100°C au niveau de la mer) est atteint, la température reste au
même niveau jusqu'à ce que l'eau se soit entièrement évaporée. Il y a donc apport de chaleur sans
montée clé la température. La chaleur ainsi apportée est la chaleur latente, appelée aussi chaleur
d'évaporation.
Sur le diagramme h, x les valeurs d'enthalpie sont portées sur un axe oblique. Elles sont importantes
pour déterminer les quantités d'énergie dans les installations de climatisation et de ventilation.
SensiChaleur latente
ble
100 kcal=
418,7kJ
Capacité calorifique d'1kg de vapeur d'eau
en tout= 639kcal=2675,7 kJ
529 kcal=
2256,7kJ
1kg d'eau + 2256,7 kJ= 1kg de vapeur saturée
100°C
100°C
75°C
75°C
50°C
50°C
25°C
25°C
Illustration de la chaleur sensible et de la chaleur latente
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2.5.3 Refroidissement et déshumidification
L'air doit être déshumidifié aussi bien dans les bâtiments que pour de nombreux processus
industriels. Cette opération s'effectue par le refroidissement de l'air jusqu'à ce que la vapeur d'eau se
condense (humidité relative = 100% !) et puisse être évacuée comme liquide. Puis on réchauffe l'air à
la température voulue.
On peut suivre ce processus dans le diagramme psychrométrique : la représentation choisie cidessous montre le processus sous une forme simplifiée. La ligne de refroidissement effective a un
parcours quelque peu différent, étant donné qu'elle doit prendre en considération les propriétés
spécifiques aux appareils
L'air a une température de 27°C et une humidité relative de 70%. Il doit être refroidi et déshumidifié
pour atteindre des valeurs de 22°C et 40%. Ces deux valeurs se retrouvent sur le diagramme,
désignées par les points A et D. Le processus de déshumidification s'effectue de la manière suivante
:
A ..... B Refroidissement jusqu'à un début de condensation, c'est-à-dire jusqu'à ce que l'humidité
relative soit de 100%. B se trouve sur la ligne de saturation. Il est appelé point de rosée.
B ..... C Suite du refroidissement et de la condensation. Ce processus se produit le long de la ligne de
saturation.
C ..... D Réchauffage. L'humidité relative passe de 100% à 40%, la température à 22°C.
x (g/kg)
h (kcal/kg)
B
12
90 80
h (kJ/kg)
11
50
10
A
16
70
60
40
40
8
14
50
9
12
7
6
30
30
100%rH
4
3
10
20
5
20
C
8
D
2
6
10
1
10
0
4
2
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
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tsic (°C)
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2.6 Normes et symboles
Types d'air et code couleur: (DIN 1946)
Les lettres et les caractéristiques à trait sont à utiliser de préférence, les couleurs étant réservées aux
cas particuliers.
Symboles pour schémas de principe norme ISO
Repérage par:
Type d'air Abréviation
Air neuf
A.N.
Signe
hachuré
Couleur
Vert
Appareil de chauffage(rad.,convect.
etc..)
Air
extérieur
prétraité
Air extrait
A.N.P.
Jaune
A.E.
Jaune
Organne d'étrangelement
corps de vanne à deux voies (ISO 0234)
Air extrait
traité
A.E.T.
Jaune
Corps de vanne à troisvoies (ISO R1219)
Air ambiant
A.A.
Jaune
Air repris
A.R.
Jaune
Air mélangé
A.M.
Orange
Air soufflé
A.S.
Vert
1
3
Repérage du débit (DIN 19277)
2
Soupape de sureté à ressort (DIN 30600)
Organe moteur (IEC 117-3)
Rouge
Bleu
Violet
Air soufflé
prétraité
A.S.T.
Vert
Vanne avec repérage de débit
1
3
2
Pompe de liquide, pompe de circulation
(ISO 0134)
Rouge
Bleu
Ventilateur (ISO R1219)
Violet
Compresseur (ISO 0137)
Eau:
Départ
Rouge
Retour
Bleu
Volet d'aération (ISO/TC59)
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Sonde (DIN 1946E)
Sonde avec plongeur, plongeur
de gaine ou tube capillaire
(DIN 1946E)
Capteur avec fonction de marche/arrêt
(par ex/ thermostat, pressostat,
hygrostat, etc.. ) (IEC298)
Capteur avec fonction de marche/arrêt
(par ex/ thermostat, pressostat,
hygrostat, etc.. ) avec plongeur, plongeur
de gaine ou tube capillaire(IEC298)
D’autres symboles usuels :
Régulateur
1
Sonde de temp. de gaine
ou
Sonde ext. en montage
de gaine
13
T
Sonde
d 'ambiance
14
B a tterie chaude
T
Sonde extérieur
Montage paroi
15
B a tterie de
récupération d'énergie
Sonde de temp. à
p longe
16
B a tterie froide
Thermostat antigel ou
thermostat L.H.
pour des applications
batterie électrique
17
B a tterie électrique
Potentiomètre de
consigne déporté
18
R a d iateur
Sonde d'ambiance avec
potentiomètre de
consigne encastré
19
2
T
3
4
5
T
6
T
7
8
Ventilateur de pulsion
ou
Ventilateur d'extraction
12
T
T
Sonde d'ambiance avec
potentiomètre de
consigne déporté
9
20
F iltre
Pompe de recirculation
M
S e rvomoteur de clapet
M
A
B
21
V a n n e é lectrique à 3
voies
AB
10
∆p
P ressostat
d ifférentiel à contact
A
22
V a n n e é lectrique à 2
voies
AB
11
V
http://www.cvc.be.tf
F low Switch d'air
23
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R e lais 24Vac ou 230Vac
ou
R e lais statique
(Vanne de courant)
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3. Régulation et commande d’installations de CVC
3.1 Régulation et commande
3.1.1 Qu'est-ce qu'une régulation?
La régulation est un procédé au cours duquel la grandeur réglée est mesurée en permanence,
comparée à une grandeur de référence et - en fonction du résultat de cette comparaison - est
adaptée au niveau de la grandeur de référence. Les variations de la grandeur réglée provoquées par
des grandeurs perturbatrices venant de l'extérieur sont ainsi compensées en permanence.
w = 20 °C ! ! !
x = 24 °C
Z2
Z1
Exemple d'une régulation manuelle
La température de l'air ambiant est la grandeur réglée . Suite à des influences extérieures de la
grandeur perturbatrice z (appareil de chauffage, soleil, température extérieure ... ) elle est pour le
moment de 24 °C. L'occupant du local a sa propre représentation de la température de l'air ambiant :
c'est la grandeur de référence w. Il lui donne pour le moment la valeur de 20 °C, c'est-à-dire qu'il veut
qu'il ne fasse maintenant que 20°C. Il actionne alors le robinet de l'appareil de chauffage de façon à
ce que la grandeur réglée x soit égale à la température de l'air ambiant souhaitée de 20°C, c'est-àdire qu' il ferme le robinet ou l'ouvre à nouveau si la grandeur réglée x tombe à un niveau trop bas. Il
règle la température de l'air ambiant.
2
w = 20 °C !!!
1 x = 24 °C
y
Z2
Z1
3
Exemple d'une régulation automatique
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Dans l'exemple de la régulation automatique l'homme est remplace dans sa fonction de régulateur
par un appareil de régulation (2). Une valeur choisie à l'intérieur de limites déterminées pour être
donnée à cet appareil de régulation. Pour le moment, cette valeur est de 20°C. La sonde (1) mesure
x= 24 °C et l'annonce au régulateur. Le régulateur compare w à x et constate un écart de réglage xw=
x- w. Il annonce à l'organe de réglage (3), un robinet de radiateur motorisé, une nouvelle grandeur de
réglage , le moteur met alors la vanne dans la nouvelle position correspondante. L'émission
thermique du corps de chauffage est alors réduite et la grandeur réglée x tombe. Le régulateur
compare en permanence x à w et donne aussitôt les ordres de correction correspondants à l'organe
de réglage. Il règle par conséquent la température de l'air ambiant
Si la température désirée de l'air ambiant est une grandeur constante, cette valeur est alors désignée
comme consigne xw.
Boucle de réglage = système de réglage R installation réglée S
Le synoptique modulaire montré ci-dessous est la représentation schématique et détaillée de la
boucle de réglage de l'exemple précédent.
W
1
3
2
X
Xw= x-w
Xw
y
y
R
X
Y
Z2
4
5
Z1
6
S
Le système de réglage (R) est la partie de la boucle de réglage fournie habituellement par la société
de régulation. Elle se compose dans cet exemple d'une sonde (1), d'un régulateur (2) et d'un
servomoteur (3).
L'installation réglée (S) est la partie de la boucle de réglage qui est réglée. Il comprend dans cet
exemple l'organe de réglage (4), le corps de chauffage (5) et le local chauffé (6),
La caractéristique d'une régulation est la boucle de réglage fermée.
x
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y
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3.1.2 Qu'est-ce qu'une commande?
La commande est un procédé dans un système au cours duquel une ou plusieurs grandeurs influent
en tant que grandeurs d'entrée sur d'autres grandeurs, grandeurs de sortie, sur la base de lois
inhérentes au système.
Il n'y a pas de répercussion sur les grandeurs d'entrée.
2
1
w
wF
ϑ amb
y
ϑ ext
z
z
x
y
5
3
4
Exemple d'une commande automatique
Une sonde extérieure (1) mesure la température extérieure z et transmet un signal correspondant w
au système de commande (2). Le signal d'entrée w est transformé en signal de sortie y, sur la base
de la loi incorporée. Par ce signal, le moteur (3) génère la course y dans la vanne (4), ce qui modifie
l'émission de chaleur du corps de chauffage (5). Cette modification associée à d'autres influences
(soleil, etc.) produit une nouvelle température ambiante x, qui est maintenant appelée grandeur de
commande
Chaîne de commande = dispositif de commande + système commandé
Cette commande est représentée sur le synoptique modulaire suivant. A comparer avec le synoptique
modulaire de régulation.
Z
1
w
Z
2
y
3
SE
y
X
6
1 Sonde
2 Appareil de commande
3 Servomoteur
4 Organe de réglage
5 Corps de chauffage
6 Local
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5
4
S
S Système de commande
SE Dispositif de commande
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Une adaptation générale de la puissance du corps de chauffage aux autres grandeurs perturbatrices
ne peut être obtenue qu'en modifiant la loi dans le système de commande, lequel attribue à chaque
valeur de w une valeur d'y. Si l'influence d'une grandeur perturbatrice domine provisoirement, p.ex.
lors d'un fort ensoleillement ou d'une charge thermique interne de courte durée, la température de l'air
ambiant se modifie alors de façon non souhaitée. Il est possible d'effectuer une correction générale si
le système de commande prend également en compte les grandeurs perturbatrices les plus
importantes, p.ex. à l'aide d'une sonde mesurant l'ensoleillement ou le vent.
3.2 Fonctions de la technique de régulation
• Fonction de la régulation :
-Adaptation de la quantité d'énergie à la demande
instantanée
• Raison principale pour la régulation:
- Compensation de grandeurs perturbatrices
variables
• Activités de la régulation:
- Mesurer, comparer, régler
• Condition supplémentaire:
- Économiser de l'énergie
• Principaux composants de la régulation:
- Sonde, régulateur, organes de réglage
Comparaison régulation - commande
En prenant l'exemple d'un mélange air extérieur- air repris, on peut montrer de façon très simple la
différence entre une régulation et une commande.
4
w
3
1
2
a)
b)
Dans l'exemple a) il s'agit d'une commande avec la sonde de température (1) dans la gaine d'air
extérieur. A chaque température extérieure correspond une certaine position de registre, telle qu'elle
est commandée par le système de commande (2) La température de l'air souffle se règle en
conséquence.
Dans l'exemple b) il s'agit d'une régulation. La sonde dans la gaine d'air souffle (3) annonce la
température au régulateur (4) Celui-ci donne les ordres de réglage nécessaires aux servomoteurs de
registre. La température de l'air soufflé se règle en conséquence, mais - à la différence de la
commande - elle est mesurée et annoncée de nouveau au système de réglage.
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"Régulation" ou "commande" en fonction de la température extérieure?
Pour la régulation de chauffage la plus courante, il y a commande et régulation.
1
ϑ
ϑR
3
w
y
Au
2
5
x
4
z2
La commande se déroule ainsi : la sonde extérieure (1) émet le signal w'. Celui-ci est converti en
température de départ comme grandeur de référence dans le système de commande (2) , sur la base
d'une loi de correspondance (courbe de chauffe) en température de départ. Le régulateur (3) modifie
la température de réglage par l'organe de réglage (4) ; cette température détermine la température
ambiante.
C'est donc une commande de température ambiante effectuée en fonction des conditions
atmosphériques, Cette loi est représentée par la courbe de chauffe qui est affichée sur le système de
commande.
La régulation consiste à ce que la température de départ x soit mesurée par la sonde de départ (5) et
soit transmise au régulateur (3). Si le système de régulation constate un écart de réglage, il transmet
une grandeur de réglage y au servomoteur.
Celui-ci actionne l'organe de réglage. La température fluctuante de la chaudière agit comme grandeur
perturbatrice z2. La sonde clé départ contrôle le résultat de ces processus, la boucle de réglage est
ainsi fermée. Il s'agit donc d'une régulation de température de départ effectuée en fonction des
conditions atmosphériques, appelée aussi régulation séquentielle.
3.3 Terminologie de la technique de l'HVAC
La régulation est un procédé au cours duquel une grandeur physique déterminée, la grandeur de
réglage x, est relevée en permanence et, par comparaison avec une autre grandeur, la consigne xw
est réglée pour se rapprocher de cette grandeur. Le processus nécessaire s'effectue en boucle
fermée, la boucle de réglage.
L'installation réglée est la partie de la boucle de réglage dans laquelle la grandeur réglée est
influencée. Elle commence à l'endroit de réglage où l'organe de réglage intervient et se termine à
l'endroit de mesure où la grandeur réglée est mesurée.
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Installation réglée
Batterie
chaude
AN
Ventilateur
Lieu de mesure
+
Sonde
t
Organe de
réglage (vanne)
Régulateur
Potentiomètre
de consigne
Le système de réglage se compose de la sonde, du régulateur et de l'organe de réglage. Il est la
partie de la boucle de réglage qui agit sur l'installation.
Les grandeurs perturbatrices z sont des grandeurs de l'extérieur agissant sur la boucle de réglage,
dans la mesure où elles modifient la régulation prévue.
Z par ex.
baisse de température
AN
Z par ex.
vitesse I-II
+
t
Z par ex. soleil,
fenêtres ouvertes
Eau 90°C
Z par ex.
Pression
température
La grandeur de référence W est une grandeur apportée de l'extérieur à la boucle de réglage. Elle
détermine dans le système de réglage la consigne à respecter de la grandeur réglée et peut être
constante ou bien avoir une valeur dépendante du temps ou d'autres grandeurs (consigne de
jour/nuit). La grandeur de référence et la grandeur perturbatrice agissent ainsi de l'extérieur sur la
boucle de réglage
La grandeur de réglage X est la grandeur dans l'installation réglée qui est relevée pour le réglage et
est amenée à l'installation réglée. Elle est aussi la grandeur de sortie de la boucle de réglage
La consigne Xs est la valeur que doit avoir une grandeur dans une période considérée dans des
conditions déterminées.
La valeur réelle Xi est la valeur qu'une grandeur a effectivement dans une période considérée
La différence de réglage Xw est la différence entre la consigne Xs et la valeur réelle Xi.
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La grandeur de réglage Y est la grandeur de sortie du système de réglage et aussi la grandeur
d'entrée de l'installation réglée.
La plage de réglage Yh est la plage à l'intérieur de laquelle la grandeur de réglage est réglable
Le schéma de principe suivant d'une "simple" installation d'air soufflé éclaircit la signification de ces
termes:
Z TA= -5°C
AN
xi
(∆t)
+
RA
x
t
16°C
Yh
y
(∆t)
Xw
w
20°C
Xs
L'air extérieur froid de température Z est aspiré par le ventilateur dans la gaine, il traverse la batterie
d'eau chaude commandée par la vanne, se réchauffe de la différence de température ∆t et parvient
dans le local avec la température Xi. La valeur réelle Xi relevée par la sonde de gaine et la consigne
Xs réglée au potentiomètre donnent les informations d'entrée pour le régulateur. Le signal de sortie Y
du régulateur détermine alors la position de la vanne
Les grandeurs réglées:
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Grandeur de référence
w
Grandeur perturbatrice
Z
Grandeur réglée
x
Consigne
Xs
Valeur réelle
Xi
Écart de réglage
Xw
Grandeur de réglage
y
Plage de réglage
Yh
Différence de température
∆t
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3.4 Le système de réglage
3.4.1 Sonde
Les sondes relèvent l'état de la grandeur réglée ou de la grandeur perturbatrice (température,
pression, humidité, concentrations de gaz, luminosité, rayonnement de chaleur, niveau de bruit, etc.)
et transmettent un signal correspondant au régulateur. Une vue d'ensemble des types de sondes de
température est donnée ci-dessous. On peut également consulter les ouvrages spécialisés pour les
autres types de sonde.
Sondes de température : types
Les sondes de température mécaniques font partie d'un thermostat ou d'un régulateur progressif (p
ex robinet thermostatique). Elles utilisent une des propriétés physiques des variations de
température, à savoir la dilatation d'un matériau qui peut être:
- un tube métallique (thermostat à tube invar)
- un bilame (thermostat à bilame)
- un système rempli de gaz, de liquide ou de "pâte" (robinet thermostatique, thermostat à tube
capillaire, vanne d'expansion d'un cycle frigorifique, régulation pneumatique).
L'élément de mesure ferme un contact électronique ou exerce une force pour actionner l'organe de
réglage ou l'amplificateur de mesure. Les sondes électriques de température font partie d'un système
de réglage électrique.
- Sonde de température à résistance: un fil en nickel ou en platine modifie sa résistance électrique en
fonction de la température
- Sondes à thermistance réalisées à partir de matériaux semi-conducteurs: on distingue les
résistances a coefficient de température négative (CTN) et positives (CTP).
- Thermocouples: deux fils composés de métaux différents, soudés entre eux produisent une tension
électrique dépendante de la température.
Nous décrivons maintenant de façon plus détaillée les sondes électriques de température courantes
dans la technique de chauffage.
Sonde de température ambiante
Une sonde d'ambiance relève la température dans un local pilote, représentatif des locaux chauffés
de l'immeuble
Sonde extérieure
Une sonde extérieure relève la température de l'air extérieure et partiellement les influences de la
température des parois, du vent et de l'ensoleillement. Attention : si l'on couvre le couvercle d'une
autre couleur, on modifie la proportion de l'influence du soleil!. On peut utiliser volontairement cet
effet.
Sonde de température de gaine
Il existe des sondes à plongeur, qui se montent dans un tube de protection soudé, appelé aussi "doigt
de gant", ainsi que des sondes d'applique qui peuvent être placées sans soudage et qui mesurent la
température de la surface du tube.
Bien placer les sondes d'ambiance et extérieure
La sonde d'ambiance est montée à un endroit adéquat à environ 1,5 m au-dessus du sol.
Les endroits suivants ne conviennent pas
- à côté d'un appareil de chauffage
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- près d'une cheminée
- sur un mur extérieur
- à côté d'une fenêtre
- au-dessus de grands meubles
- recouvert par des meubles ou des rideaux
- exposé à un ensoleillement direct.
L'emplacement de la ou des sondes extérieures dépend du nombre de circuits de chauffage, de la
nature des robinets de radiateurs et du système de chauffage. En général, la ou les sondes doivent
être montées à hauteur moyenne pour des bâtiments élevés, à au moins 2,5 ... 3 m au-dessus du sol
pour des bâtiments peu élevés. Il faut contrôler périodiquement que les sondes avec une exposition
au soleil ou au vent ne soient pas recouvertes ou ombragées par des plantes ou des arbres, auquel
cas il faut les déplacer.
3.4.2 Régulateur
Le régulateur reçoit les signaux de la sonde de mesure, les compare à la grandeur de référence et
retransmet les signaux pour la grandeur de réglage à l'organe de réglage. L'ensemble du système de
réglage - sonde, régulateur et servomoteur - est rassemblé en une unité et est également appelé
régulateur dans le langage courant.
Division du système de réglage
Selon la grandeur de réglage: il y a des régulateurs de température, de pression, de débit, d'humidité
et de niveau d'eau.
Selon l'énergie utilisée pour le positionnement:
- les régulateurs sans énergie auxiliaire tirent l'énergie pour actionner l'organe de réglage de
l'installation réglée (p.ex. vannes thermostatiques)
- les systèmes de réglage avec énergie auxiliaire utilisent une source d'énergie extérieure pour
actionner l'organe de réglage.
Il existe :
a) des systèmes de réglage électriques
b) des systèmes de réglage pneumatiques avec air comprimé comme énergie auxiliaire.
c) des systèmes de réglage électro-pneumatiques mesurant électriquement la grandeur réglée,
amplifiant électroniquement la valeur de mesure et actionnant pneumatiquement l'organe de réglage
des systèmes de réglage électro-hydrauliques utilisant de l'huile hydraulique pour actionner l'organe
de réglage, des systèmes de réglage électromagnétiques, électromoteurs ou électro-thermiques.
Selon le comportement de réglage:
- des régulateurs non progressifs, pour lesquels la grandeur de réglage ne peut prendre que certaines
valeurs, p.ex. : régulateurs tout ou rien
- des régulateurs progressifs, pour lesquels la grandeur de réglage y varie constamment en fonction
de l'écart de réglage x-y.
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Régulateur tout ou rien
Le régulateur tout ou rien ne transmet que deux signaux, p.ex. OUVERT-FERME ou MARCHEARRET, à l'organe de réglage ou à un commutateur électrique- Une position intermédiaire n'est pas
possible.
x
Xsd
Xs
∆X
t
1
2
t
Comportement de réglage d'une régulation tout ou rien
par ex. une régulation de température de chaudière
Xs Consigne de la température de chaudière
∆X Variation de la température chaudière
Xsd Différence de commutation
t
Temps
1 brûleur MAR 2 Brûleur ART
Exemple pour l'application de régulateurs tout ou rien:
régulation de température de chaudière ; régulation de température ambiante ; régulation de pression
thermostats ; pressostats.
Régulateur proportionnel (régulateur P)
Le régulateur proportionnel agit de telle façon sur le servomoteur qu'il modifie la position de l'organe
de réglage proportionnellement à la grandeur de la différence de réglage. Ainsi, plus l'écart de
réglage est grand, plus le mouvement de l'organe de réglage sera grand. Une grandeur de réglage
déterminée est attribuée à chaque valeur.
Exemple : Le régulateur d'une régulation de température ambiante est réglé de telle façon que la
vanne est entièrement ouverte à 18°C et entièrement fermée à 22 °C. La consigne doit être réglée à
20 °C. Si la température ambiante est de 20 °C, la vanne se trouve alors en position moyenne. Si l'on
ouvre une fenêtre, la température ambiante baisse et la vanne s'ouvre en conséquence, ce qui fait
remonter la température ambiante Si, p ex;, la puissance de chauffage est suffisante avec une
ouverture de vanne de 75%, afin de maintenir une température ambiante de 19°C avec les fenêtres
ouvertes, la position de la vanne ne se modifie plus. La température ambiante a un écart de réglage
permanent de 1 K (K = Kelvin = unité de la différence de température).
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x
Q + ∆Q
Q
Xk
Xw(b)
t
y
100%
0%
t
Comportement de réglage d'une régulation proportionnelle
par ex. une régulation de température ambiante dans le cas
d'une chute brutale de température suivi d'une demande accrue
de puissance calorifique
Xk
Consigne de la température ambiante
Xw(b) Variation de la température chaudière
y
Grandeur de réglage de l'organe de réglage
Q
demande de puissance calorifique émanant du local
Ceci est l'inconvénient principal d'un système de réglage proportionnel. Il est dépendant de la charge,
c'est-à-dire qu'il ne règle exactement la consigne que pour un état de charge bien déterminé. Dans
tous les autres états de charge il subsiste un écart de réglage.
L'avantage est une régulation très stable
Exemples: pour l'utilisation de régulateurs proportionnels vannes thermostatiques, vannes à deux
voies pour le chargement de ballons d'eau chaude, vannes de mélange, régulateurs de pression
différentielle, régulateurs de débit.
Le bon régulateur pour l'installation réglée
Régulateur tout ou rien
- Température de fonctionnement pour chaudière
- Ballon ECS
- Accumulateur de chaleur
- Pompes de chaleur
Régulateurs proportionnels
- Locaux
- Limitation de la température de retour pour les chaudières
- Brûleurs modulants
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Régulateurs PI
- Température de départ
- Échangeurs ECS instantané
Exemples d'application de différents régulateurs
Régulation tout ou rien
La régulation de température ambiante est le forme la plus ancienne de la régulation de chauffage.
L'émission de chaleur pour tout le bâtiment est réglée sur la base de la température d'une seule
pièce. Cette méthode est valable aussi longtemps que la pièce indique un comportement de
température identique à la majorité des autres pièces. Cela est par exemple le cas pour les maisons
individuelles parce que la température de la salle de séjour peut être prise généralement comme
grandeur de référence.
La sortie tout ou rien d'un régulateur agit soit directement sur le brûleur soit sur un mélangeur avec un
moteur thermique très lent. La qualité de régulation à obtenir est plutôt modeste dans les deux cas.
La température ambiante est soumise à d'assez grandes variations et l'écart de réglage permanent
est relativement grand.
Consigne
d'ambiance
T
Régulation de la température d'ambiance avec
thermostat d'ambiance (avec anticipation thermique)
agissant sur un brûleur
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Régulation proportionnelle
Régulateur progressif de température ambiante agissant directement sur le mélangeur : il s'agit le
plus souvent d'un régulateur proportionnel. Une régulation progressive de mélange permet de réduire
les variations de température ambiante et la bande proportionnelle peut être sélectionnée de manière
à ce que l'écart de réglage permanent ne soit pas trop grand. Cependant, de fortes variations de la
température d'eau de la chaudière, survenant rapidement, ce qu'on appelle des perturbations
d'approvisionnement, ne peuvent pratiquement pas être régulées: la perturbation disparaît
effectivement avant que la sonde de température ambiante ait eu le temps de la détecter et la
correction du mélangeur est beaucoup trop importante ce qui entraîne après quelque temps un
nouvel écart de la température ambiante - cette fois dans l'autre sens .
De telles perturbations de distribution apparaissent lors de variations subites des charges, quand p
ex. le ballon d'ECS est chargé.
Consigne
d'ambiance
P
T
Régulation progressive de la température d'ambiance
avec régulateur proportionnel agissant directement sur
le mélangeur
La bande proportionnelle d'un régulateur proportionnel.
Exemple: régulation de température ambiante
La bande proportionnelle Xp, est l'écart de réglage, à l'intérieur duquel la grandeur de réglage
parcourt toute la plage de réglage. Elle est réglable pour certains régulateurs. Ci- dessous Xp1 = 4K
et Xp2 = 8K.
100%
50%
0%
16
18
20
22
24
(°C)
Xp1
Xp2
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Le régulateur P travaille d'autant plus précisément (c'est-à-dire que l'écart de réglage est d'autant plus
faible, voir texte ci-contre) que la bande proportionnelle est choisie étroite.
Mais si la bande proportionnelle est trop étroite, la régulation devient instable - elle oscille ! On peut
se le représenter ainsi : lors d'une faible diminution de la température, la vanne s'ouvre tout de suite
en grand, et la puissance calorifique agrandie conduit à un "dépassement" de la température
ambiante. Là dessus la vanne se referme entièrement, la température ambiante baisse - et ainsi de
suite. Il en résulte une oscillation permanente autour de la consigne.
Une régulation oscillante gaspille de l'énergie, conduit à une usure prématurée de l'organe de réglage
et a des répercussions négatives sur le confort thermique !
Sur les robinets thermostatiques, la bande proportionnelle est réglée de façon fixe entre 3 et 6 K. La
consigne peut être modifiée par la tête du robinet.
Régulation intégrale
A la différence du régulateur proportionnel, le régulateur intégral ne modifie pas la grandeur de
réglage, mais la vitesse de positionnement proportionnellement à l'écart de réglage.
Plus l'écart par rapport à la grandeur de référence est élevé, plus l'organe de réglage se positionne
rapidement dans le sens de la correction nécessaire. De grands écarts par rapport à la grandeur de
référence peuvent être corriges rapidement, mais les petits par contre très lentement, Il ne subsiste à
la fin aucune différence de réglage comme pour la régulation proportionnelle, tout est réglé, mais
lentement.
Le régulateur intégral a une importance secondaire dans la technique de bâtiment. Il fait partie du
régulateur proportionnel intégral, dont nous allons maintenant parler.
x
Q
Q + ∆Q
Xs
t
y
t
Comportement de réglage d'une régulation Intégrale si elle était
une régulation de température ambiante dans le cas d'une
subite baisse de température suivi d'une demande accrue de
chauffage
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Régulation proportionnelle intégrale
Ce type de régulateur associe l'avantage du régulateur proportionnel (stabilité) à celui du régulateur
intégral (précision).
La partie proportionnelle provoque une modification immédiate de la grandeur de réglage. La partie
intégrale se charge de la régulation de l'écart de réglage qui subsiste.
Les régulateurs proportionnels intégraux sont utilisés lorsque les exigences en régulation sont
élevées ( p ex, pour les installations de climatisation ).
x
Q
Q + ∆Q
Xs
t
y
t
Comportement de réglage d'une régulation PI si elle était
une régulation de température ambiante dans le cas d'une baisse
subite de température suivi d'une demande accrue de chauffage
Régulation proportionnelle intégrale (exemple chauffage)
La régulation de la température de départ effectuée en fonction des conditions atmosphériques est de
nos jours la forme de régulation la plus répandue. Elle doit cette "suprématie" au fait qu'il n'est pas
nécessaire de monter une sonde de température ambiante. C'est la grandeur perturbatrice générale,
la température extérieure, qui est mesurée. La sonde utilisée à cet effet est généralement appelée
sonde extérieure ; outre la température extérieure, elle permet de tenir compte aussi, dans une plus
faible mesure, du soleil et du vent.
Le rapport entre la température extérieure (ou les conditions atmosphériques) et la température
ambiante est obtenu par la température de départ : plus la température extérieure est basse, plus la
température de départ doit être élevée afin d'assurer la température ambiante désirée. Une deuxième
sonde est encore nécessaire : la sonde de température de départ
La courbe de chauffe définit la température par rapport à la température extérieure. La régulation de
départ effectuée en fonction des conditions atmosphériques est effectivement une régulation en ce
qui concerne la température de départ, mais elle est une commande pour ce qui est de la
température ambiante.
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Soleil vent
t ext
Courbe de
chauffe
T
t?
t dep
PI
t dep (°C)
80
Temp. ambiante t =
22°C
20°C
18°C
60
40
20
-10
-5
0
5
10
15
t ext (°C)
Régulation de la température de départ en fonction
des conditions atmosphériques
Régulation proportionnelle / proportionnelle intégrale:
ou régulateur en cascade : on obtient une amélioration considérable du rapport de réglage avec un
régulateur en cascade. Celui-ci permet de diviser une régulation en deux systèmes réglés : un
système réglé lent de température ambiante et un système réglé rapide de température de départ. Le
régulateur principal (de caractéristique proportionnelle) est adapté au système réglé de température
ambiante et le régulateur auxiliaire plus rapide (de caractéristique proportionnelle intégrale) au
système réglé de température de départ. Les deux boucles de réglage sont superposées ainsi :
- Le régulateur proportionnel (régulateur principal) relève l'écart de réglage de la température
ambiante et fournit la grandeur de référence pour la boucle de réglage auxiliaire.
- Le régulateur PI (régulateur auxiliaire) règle la température de départ a la valeur souhaitée par la
boucle de réglage et action sur la vanne 3 voies.
Consigne d'ambiance
P
T
PI
Régulation progressive de la température ambiante avec
régulateur en cascade
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3.4.3 Organes de réglage
Types
Il existe trois types d'organes de réglage hydrauliques pour la régulation d'installations techniques du
bâtiment :
Vannes papillons
Les clapets ne conviennent pas à une régulation progressive. Ils sont surtout utilisés pour les
fonctions OUVERT/FERME. La perte de charge en position ouverte est très faible, ce qui est bien sûr
souhaité pour les utilisations OUVERT/FERME afin d'éviter des résistances supplémentaires inutiles.
Les fuites dépendent de la construction
- elles sont relativement élevées pour la vanne papillon dont l'étanchéité est assurée par un joint
métallique
- elles sont minimales ou même nulles pour les clapets à joints en Téflon ou en caoutchouc.
Seules ces dernières sont utilisées pour les cascades de chaudière avec une grande pression
différentielle sur le clapet.
La construction simple des clapets explique leur prix peu élevé.
Vannes à secteur
Celles-ci sont employées principalement comme vannes à trois voies pour la régulation de mélange
d'installations de chauffage. Leurs faibles pertes de charge autorisent également leur emploi comme
organes d'inversion dans les installations d'énergie alternative. Il faut cependant considérer le fait que
les vannes à trois voies présentent des fuites assez importantes et qu'elles ne conviennent pas par
conséquent à de nombreuses utilisations. Les vannes à trois voies sont bien moins chères que les
vannes à siège
Vannes à siège
Ces vannes conviennent tout à fait à la régulation progressive et aux fonctions de commutation et
OUVERT/FERME réclamant une parfaite étanchéité. En ce qui concerne les problèmes
d'encrassement, les vannes sont plus pratiques que les vannes papillons et à secteur. Ces avantages
se répercutent sur le prix, plus élevé, des vannes à siège.
Les vannes a deux voies ont une entrée et une sortie. En règle générale, il faut suivre une direction
prescrite d'écoulement. Les domaines d'application sont la régulation du débit dans les circuits à débit
variable ainsi que les fonctions OUVERT/FERME avec des exigences élevées en matière
d'étanchéité
Les vannes à trois voies ont soit deux entrées et une sortie (= vannes mélangeuses) ou une entrée et
deux sorties (= vanne diviseuse). La désignation des raccordements se fait par lettres, chiffres
romains ou signes de sens d'écoulement, Ces sens d'écoulement doivent être suivis,
Les circuits hydrauliques de base
Le circuit à débit variable est utilisé pour la commande de déchargement de l'accumulateur ou dans
les postes de raccordement de réseaux de chauffage à distance.
Les circuits de mélange sont des circuits habituels pour les petites ou les grandes installations
Le circuit de répartition n'a que quelques applications. On peut citer comme exemple la régulation de
batterie chaude d'air repris.
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Le circuit à injection est un circuit couramment utilisé dans les grandes installations dotées de
dispositifs aérauliques.
Circuit à débit variable
Circuit de mélange
v
v
E
E
Circuit de répartition
Circuit à injection
v
v
E
E
E = préparateur d'énergie = producteur
v = répartition d'énergie = consommateur
3.5 Domaines d'application /exemples
3.5.1 Régulation clans la technique de chauffage
Générateur de chaleur avec température de fonctionnement variable
La température de fonctionnement du générateur de chaleur et du circuit de chaudière
éventuellement présent (circuit primaire) est modifiée en fonction de la demande du consommateur
de chaleur le plus exigeant afin que les pertes de préparation restent les moins élevées possible.
Un fonctionnement entièrement variable est possible pour les chaudières modernes, les chaudières à
gaz, pour certaines chaudières au fuel et pour beaucoup d'anciennes chaudières en fonte avec foyer
au mazout dans la mesure où les températures d'eau de chauffage ne sont pas trop basses. Le
brûleur est enclenché et déclenche par un régulateur tout ou rien en fonction des besoins. La
température de référence est la température de départ réglée selon les conditions atmosphériques. Si
la chaudière ne permet qu'un fonctionnement partiellement variable avec une limitation de
température minimale, le branchement direct du départ et de l'arrivée est impossible.
Pour les pompes à chaleur, il faut un fonctionnement entièrement variable afin que le coefficient de
performance puisse être maintenu le plus élevé possible.
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Générateur de chaleur avec température de fonctionnement constante
La production de chaleur est réglée par un régulateur de température avec une consigne définie de
manière fixe. Son niveau de température reste constant indépendamment de la température
demandée par l'utilisateur.
Pour les chaudières avec circuit primaire la température est mesurée de préférence au retour de
chaudière. La température de départ de la chaudière ne se règle pas plus que besoin est. La
température moyenne est plus basse durant la saison de chauffe dans le circuit de chaudière ce qui
conduit à des faibles pertes.
Séquence de chaudière
L'information du régulateur pour l'enclenchement ou l'arrêt de la deuxième (ou troisième) chaudière
peut venir de différents endroits :
- d'une sonde de retour ou de départ
- d'une sonde extérieure
La séquence doit être prise hors fonctionnement dans la période transitoire et en été pour un
fonctionnement économisant l'énergie. La chaudière non utilisée doit être verrouillée manuellement
(vannes étanches nécessaires !).
Circuit prioritaire d'eau chaude dans les petites installations
Afin de charger un accumulateur de ballon d'ECS l'apport de chaleur au départ de chauffage est
interrompu et une deuxième boucle de réglage est fermée par un régulateur tout ou rien (thermostat
de chauffe-eau) avec la température d'eau chaude comme consigne. La température de chaudière
est réglée sur une valeur fixe élevée jusqu'à ce que la consigne de température d'eau chaude soit
atteinte
Surveillance antigel
Pour des immeubles inhabités la chaudière peut être enclenchée si l'on descend au-dessous d'une
certaine température extérieure, p ex 3°C, ou une température ambiante, p ex 5 - 8°C.
Régulation de la température ambiante
Pour le circuit direct le thermostat d'ambiance enclenche et déclenche comme régulateur tout ou rien
le brûleur en fonction de la grandeur de l'écart de réglage
Pour le circuit de mélange avec une température de chaudière maintenue a un niveau élève un
régulateur P agit sur la vanne de mélange. Les écarts proportionnels (écarts de réglage permanents)
sont compensés par le réglage de la consigne effectué sur le régulateur
Dans le local où la grandeur de réglage est mesurée, ("local Pilote") aucun robinet peut être monté,
sinon les deux boucles de réglage, fonctionneraient l'une contre l'autre
T
T
T
T
a)
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b)
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Régulation de température ambiante
a) pour le circuit direct
b) pour le circuit de mélange, température de chaudière constante
Avec une régulation en cascade de la température d'ambiance (sonde d'ambiance et sonde de
départ) la régulation du circuit peut être considérablement améliorée.
Fonctions supplémentaires importantes de régulateurs de chauffage
Afin d'assurer un fonctionnement économique du chauffage, les fonctions supplémentaires suivantes
peuvent être souhaitables selon l'installation :
- Programme journalier et hebdomadaire pour des abaissements de température ou des arrêts
- Températures de départ, de retour ou de chaudière s'adaptant aux conditions atmosphériques
- Déclenchement de l'installation de chauffage jour et nuit en fonction des températures extérieures
choisies séparément pour le jour et la nuit (commutation automatique été-hiver)
- Utilisation de la chaleur résiduelle du réseau par un arrêt retardé des pompes de circulation après
l'arrêt de la chaudière
- Réchauffage rapide après la période d'arrêt - Surveillance de la température des gaz brûlés
- Fonctionnement périodique de la pompe en été afin d'empêcher leur grippage
- Régulation antigel (résidences secondaires)
Optimiseur
Des appareils de réglage dotés d'une technique de microprocesseur permettent d'optimiser certaines
fonctions de réglage et de commutation.
Optimisation de la courbe de chauffe.
L'appareil adapte la courbe de chauffe aux particularités du bâtiment et de l'installation. Condition doit
trouver un local représentatif pour le bâtiment, dont la température sert à l'appareil de base de calcul.
Optimisation des heures d'enclenchement et de déclenchement du chauffage
L'appareil calcule de façon autonome l'heure d'enclenchement pour le réchauffage ainsi que celle de
déclenchement en fonction de la température extérieure et d'autres paramètres de façon à ce que ces
fonctions s'exécutent au moment voulu. Conditions pour une utilisation adéquate :
- Grands immeubles non destinés à l'habitation avec des périodes d'utilisation régulières : bureaux,
écoles, gymnases, églises, centres commerciaux, usines, etc.
- Présence d'un local représentatif (local pilote) dont la température sert de base à l'appareil pour
l'optimisation.
- Arrêt au lieu d'un simple abaissement de la température de départ ; réchauffage accéléré
Les températures de parois sont, selon l'appareil, mesurées ou bien compensées par une surchauffe
momentanée et contrôlée des locaux.
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Systèmes de régulation terminale
Dans les bureaux, écoles et autres constructions où une exploitation correcte des vannes
thermostatiques est difficile à réaliser, un système de régulation terminale commandé et influence
centralement peut aider à économiser l'énergie.
Dans chaque pièce, la température ambiante est mesurée séparément et signalée à l'appareil de
régulation. Les vannes de radiateur de chaque pièce, sont réglées individuellement selon les écarts
de réglage. Le réchauffage et la baisse ou l'arrêt pour chaque pièce peuvent être préprogrammés à
un niveau central. La production thermique est enclenchée ou déclenchée selon la demande.
Dans les immeubles d'habitation un système de régulation terminale commande non pas
centralement mais individuellement et doté d'une entrée de consigne locale peut être combiné avec
un décompte des coûts de chauffage.
Vannes thermostatiques
Dans la vanne thermostatique la sonde de température ambiante, le régulateur et l'organe de réglage
sont réunis en un seul élément.
Au besoin, ces vannes peuvent étire utilisées avec des sondes à distance ou avec des sondes à
distance et un potentiomètre à distance.
Sur le plan technique, ces vannes sont un régulateur proportionnel. La bande proportionnelle est de
1...3 K et n'est pas réglable. Elle varie cependant avec les conditions de fonctionnement.
1
5
2
3
4
fonctionnement de la vanne thermostatique
Avec une température ambiante croissante la sonde de température (1) se dilate. Elle se compose
d'un soufflet de ressort rempli de gaz, de liquide ou de cire. L'axe (2) pousse le clapet de la vanne (3)
contre le siège de la vanne (4) et ferme ainsi la vanne. Si la température baisse dans la pièce, le
corps dilate se rétracte et ouvre la vanne. La consigne est réglée manuellement sur le corps du
robinet.
3.5.2 Commande et régulation dans la technique de ventilation
Commandes de la ventilation - Exemples
- Sécurité antigel pour les récupérateurs de chaleur air-eau. Si l'on descend en dessous de la
température minimale, donc s'il y a risque de gel, la vanne de chauffage est automatiquement
ouverte, puis le ventilateur déclenché et enfin le registre fermé. La température de l'air est mesurée
par une sonde capillaire sur le récupérateur de chaleur.
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- Commande de la pompe interne pour les batteries chaudes : la pompe interne est enclenchée et
déclenchée par un thermostat dans la gaine d'aspiration d'air extérieur. Une commande effectuée en
fonction du besoin conviendrait toutefois mieux.
- Les installations d'extraction de locaux utilisés temporairement tels que les salles de bains, les WC,
les vestiaires, etc. sont enclenchées p.ex, par l'interrupteur de lumière et déclenchées par un relais
temporisé.
- Pour les installations de ventilation dans des locaux avec des pointes de courte durée, p.ex. dans
les restaurants, un servomoteur à deux étages peut être utilisé. Le premier étage est commandé par
une horloge de commutation, le deuxième étage pour les périodes de pointe par un bouton-poussoir
avec un relais temporise pour le redéclenchement.
- Les ventilations terminales commandées selon les besoins, p-ex. pour les salles de conférence,
sont réalisées à l'aide de sondes de présence, lesquelles réagissent au rayonnement de chaleur
dégagé par le corps humain.
Régulation du débit
Le schéma représenté ci-dessous montre comment le débit est régulé :
régulation dans la technique de ventilation: exemples
+
-
T
- Régulation de la température de soufflage: la température de soufflage est maintenue constante
dans la gaine de soufflage à l'aide d'une sonde de température. La température d'air ambiant peut
changer sous l'influence des grandeurs perturbatrices.
- Régulation de température ambiante : la température est maintenue sur la valeur requise en
modifiant la température de soufflage. La sonde de température est placée dans la pièce ou dans la
gaine d'air rejeté. Une sonde de température de soufflage supplémentaire empêche par le régulateur
une température de soufflage trop faible.
+
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-
T
T
T
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- Régulation de l'offre et de la demande pour les systèmes d'air repris : l'air extérieur et l'air repris sont
mélangés dans une proportion telle que le moins possible d'énergie supplémentaire sera nécessaire.
La régulation est possible en fonction de la température ou de l'enthalpie.
- Régulation du besoin en air extérieur pour des gaz explosifs ou toxiques : le débit d'air extérieur est
adapté à l'aide d'une sonde de concentration des gaz en réglant le registre d'air extérieur ou en
modifiant la vitesse du ventilateur.
3.5.3 Chauffage et refroidissement
t ext.
t pulsion
M
+
-
t
t
t
t
t dép.
Limitation
minimale
t
t ext.
Régulation de température de départ en fonction de l'extérieur, de l'installation de chauffage associée
à la régulation de température ambiante de l'installation de ventilation avec séquence vanne de
chauffage - registres - vanne de refroidissement
- Plus le besoin en chaleur est élevé, plus la vanne de chauffage s'ouvre. Le taux d'air extérieur
admis par les registres est alors réglé sur une valeur minimale.
- Dès que la vanne de chauffage est entièrement fermée, le taux d'air extérieur augmente et la
température ambiante est ainsi refroidie par du "froid gratuit". Dès que la température extérieure
dépasse la température ambiante, le taux d'air extérieur se règle à une valeur minimale.
- Le point de fermeture de la vanne de chauffage et le point d'ouverture de la vanne de
refroidissement sont séparés par ce que l'on appelle la zone neutre.
On évite ainsi qu'une énergie coûteuse de refroidissement soit gaspillée. Dès que cette zone neutre
est dépassée, la vanne de refroidissement est ouverte selon la puissance frigorifique nécessaire
Il est important que d'une part, la séquence de l'installation de ventilation soit réglée de façon
optimale et que d'autre part, il n'y ait pas de chevauchements avec l'installation de chauffage. On ne
doit ainsi jamais arriver à la situation où d'un côté l'installation de chauffage chaufferait et d'un autre
côté l'installation de ventilation refroidirait avec de l'air extérieur ou même avec la vanne de
refroidissement.
Si l'installation de chauffage n'est employée que comme chauffage de base, le risque décrit ci-dessus
est faible parce qu'il existe forcément un écart suffisamment grand entre la consigne de l'installation
de chauffage et la consigne effective de température ambiante de l'installation de ventilation.
Il faut cependant être prudent lorsque l'installation de chauffage produit une pleine puissance
calorifique pour le chauffage des locaux. Les consignes peuvent être effectivement si proches que
des chevauchements non admis sont possibles.
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Ce risque est particulièrement élevé parce que la "consigne" de l'installation de chauffage n'est pas
du tout comparée à la valeur réelle de la température ambiante la régulation de la température de
départ effectuée en fonction des conditions atmosphériques est effectivement une commande en ce
qui concerne la température ambiante !
Une courbe de chauffe réglée de façon quelque peu erronée peut conduire à d'importants gaspillages
énergétiques, ce qui est grave, c'est que l'erreur ne pourra être que difficilement détectée étant donné
que le trop plein de chaleur produite est automatiquement supprimé par la ventilation et que la
température ambiante souhaitée est maintenue au niveau optimal !
Tableau Combinaisons de différents types de régulation pour le chauffage et la ventilation
No
Proportion de
chauffage
type de régulation
Chauffage
Chauffage
Ventilation
dans chauff.
ambiant
Ventilation
Nuit, w. -end Réchauffage Nuit, w e. Rechauffage Jour
Jour
1
Pleine charge
Régulation
terminale
Rég.air
soufflé
Réd./ arrêt normal norm arrêt
al
arrêt
Marche
2
Pleine charge
Vanne ext. +
thermostat
Rég.air
soufflé
Réd./ arrêt normal norm arrêt
al
arrêt
Marche
3
Peine charge
Vanne ext. +
thermostat
Rég.air
soufflé
marche
Marche
4
Pleine charge
selon
Rég.termina Réd./ arrêt normal norm arrêt
cond.atmosph. le
al
arrêt
Marche
5
Charge de base Selon cond.
Optimalisation
arrêt arrêt
Rég.termina Norm./
normal norm
le
Réd./ arrêt
al
mar a
Marche
100% AR
atmosph.
6
Pleine charge
Rég.adaptative Rég.terminal
e
Optimisation
arrêt arrêt
Marche
Marche
3.5.4 Récupération de chaleur
La récupération de chaleur a pour objectif d'économiser l'énergie et par conséquent les coûts de
fonctionnement. L'utilisation d'un tel système contribue à long terme à la réduction des frais
d'investissement pour la production de chaleur et de froid.
Système d'air repris
Il ne s'agit pas à vrai dire d'un système de récupération de chaleur mais plutôt d'un type d'installation,
utilisé couramment dans le passé. Sa grande efficacité devrait permettre de toujours l'employer si
cela est justifié du point de vue de la sécurité et de la qualité de l'air
Dans de nombreux cas la charge frigorifique est déterminante en été pour fixer le débit d'air soufflé.
De l'air repris est mélangé à l'air extérieur afin d'économiser l'énergie utilisée pour le refroidissement
ou le chauffage de l'air extérieur. Le taux d'air extérieur varie, selon l'état de l'air extérieur, entre le
taux minimal nécessaire à l'utilisateur et le taux maximal en demi-saison lorsque le refroidissement
s'effectue avec l'air extérieur.
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Air extrait
Air extrait
Air repris
Air soufflé
Air neuf
Système à eau glycolée
Un récupérateur de chaleur installé dans la gaine d'air extrait enlève à l'air la chaleur à l'aide d'un
mélange d'eau glycolée, qui, dans un circuit fermé, transfère par un deuxième échangeur la chaleur à
l'air extérieur froid.
+
-
-
Avantages:
- bonne possibilité d'intégration dans les installations existantes puisqu'il n'y a pas d'obligation de
placer l'installation d'air soufflé et celle d'air rejeté côte à côte.
- aucune transmission de particules et de germes
- bien réglable
Inconvénients:
- fluide caloporteur et pompe nécessaires
- Coefficient de récupération de chaleur relativement faible
- pratiquement aucune récupération de chaleur en dehors de l'hiver
Ce type de récupération ne devrait être appliqué que si pour des raisons de construction un échange
de chaleur direct air-air n'est pas réalisable ou n'est pas rentable.
Récupérateur de chaleur à plaques ou à tuyau
L'air extrait et l'air extérieur sont amenés l'un à l'autre par des plaques ou des tuyaux fixes en métal
ou en verre. C'est là que s'effectue l'échange de chaleur.
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Air neuf
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Air extrait
+
- +
Avantages:
- pas de parties mobiles, donc avantageux - aucune transmission de particules et de germes - non
corrosif pour les surfaces de récupérateurs de chaleur en verre
Inconvénients:
- les installations d'air soufflée et d'air extrait doivent être placées côte à côte
- faible récupération en été
- encombrement assez important
Récupérateur à régénération
Une roue alvéolée de l'accumulateur en rotation lente est traversée dans un sens par de l'air extrait et
dans l'autre sens par de l'air extérieur En fonction du type d'accumulateur, seule la chaleur ou aussi
l'humidité est récupérée. Une zone de nettoyage sert à éviter un mélange direct d'air.
Echangeur rotatif
Air extrait
Air extérieur
Systèmes de récupération et rendements
Récupération de chaleur avec surfaces d'échange
ou ce qu'on appelle les récupérateurs de chaleur transmettent principalement de la chaleur sensible,
également de la chaleur latente lors de condensation. Les systèmes et les rendements pour le
dimensionnement lors d'états d'air définis
- Récupérateur à plaques
Récupérateur à tuyaux jusqu'à 60 %
- Système à eau glycolée jusqu'à 45 %
- Récupérateur à régénération jusqu'à 70 %
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Récupération de chaleur avec accumulateur
ou ce qu'on appelle les récupérateurs de chaleur a régénération transmettent la chaleur sensible et
latente, cette dernière avant tout lorsque l'humidité est aussi récupérée. Le rendement s'élève jusqu'à
75%.
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4. Systèmes de gestion technique
4.1 Gestion technique des bâtiments
On parle de gestion technique ou de technique de gestion de bâtiment (GTB) si des installations
techniques doivent être commandées et surveillées à partir d'un poste central.
Plusieurs solutions sont offertes; les caractéristiques principales sont brièvement décrites ci-dessous.
GTB conventionnelle
- On mesure et régule avec des appareils analogiques électroniques ou pneumatiques.
- On commande à l'aide d'une technique électromécanique ou de systèmes de commande
programmables par mémoire.
- Les liaisons entre les deux procédés sont réalisées par des appareils conventionnels (relais;
contacts libres de potentiel) et des circuits.
- Les capteurs et les lignes aux sous-stations du système de GTB doivent être multipliés: une fois
pour les valeurs analogiques, une fois pour les informations logiques.
GTB avec régulation numérique
(Direct Digital Control, DDC)
Solution partiellement intégrée
- La technique numérique est appliquée pour la mesure et la régulation ainsi que pour les fonctions
simples de commutation dans les sous-centrales du système de GTB ("intelligence répartie").
- La commande s'effectue par des relais ou des systèmes de commande à programme mémorisé.
- Les liaisons entre les mesures, la régulation et la commande sont réalisées comme pour la GTB
conventionnelle
- Par contre capteurs et lignes en double sont supprimés.
Solution entièrement intégrée
- La mesure, la commande et la régulation en régulation numérique s'effectuent avec le même
système dans l'armoire électrique. Celui-ci peut échanger simultanément toutes les informations
nécessaires avec un poste central. Toutes les fonctions sont librement programmables.
- Les liaisons entre mesures, régulation et commande ne sont plus nécessaires tout comme les
capteurs et connexions doubles
La plupart du temps, l'utilisation de systèmes de GTB se limite aux bâtiments dotés de nombreuses
installations techniques.
L'évolution rapide de l'électronique permet également l'utilisation de systèmes programmables en
mémoire pour la mesure, la commande et la régulation de petites et moyennes installations. Les
extensions de fonctions pourront être réalises par étapes.
GTB ou pas? Quel concept?
La réponse à ces questions dépend des critères suivants :
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- Les investissements pour la GTB doivent être justifiés par un rapport coût-utilité.
- Des extensions et des adaptations doivent être réalisées simplement et par étape.
- Les évolutions prévisibles dans le domaine de l'électronique, de l'organisation du service de
maintenance, de l'optimisation de l'énergie doivent être prises en considération.
- En ce qui concerne l'organisation et le personnel technique, l'entreprise doit s'appuyer le plus
possible sur ses propres moyens. Ce sont les collaborateurs qui connaissent le mieux l'entreprise !
GTB surveillance centrale
bus
Contrôleur
Mesurer et
commander
a)
Armoire
électrique
Commander
potentiomètre, organes de réglage
GTB surveillance centrale
bus
Mesurer ,
Mesurer,
commander,
règler
commander,
règler
b)
potentiomètre, organes de réglage
Armoire
électrique
Installation
Exemples de concepts de GTB
a) GTB conventionnelle; b) GTB avec DDC, solution entièrement intégrée
Contraintes d'un système GTB
La technique de gestion centrale, correctement utilisée, simplifie la surveillance, la commande, la
régulation et l'optimisation. Elle n'épargne cependant pas à l'utilisateur
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- de surveiller et d'entretenir les installations avec un personnel technique qualifié.
- de chercher constamment de nouvelles possibilités d'optimisation après la mise en place de la
régulation.
Les moyens sont fournis par une comptabilité de l'énergie et un contrôle détaillé des mesures
d'économie d'énergie à l'aide des données de fonctionnement.
- d'adapter aux modifications techniques de bâtiment ou d'installation l'ensemble des dispositifs de
mesure de commande et de régulation
4.1.1 Utilisation de systèmes intégrés de commande et de gestion sur le marché HVAC
Depuis l'apparition du microprocesseur sur le marché HVAC et l'émergence du terme DDC, une
bonne régulation ne pourrait plus, de l'avis général, se concevoir sans cette technique qui la rendrait
moins onéreuse. Dans le secteur HVAC, le terme DDC ne comprend plus seulement la régulation
numérique mais aussi l'intégration de fonctions de régulation, de commande et de gestion dans un
système.
De tels systèmes seront appelés "systèmes intégrés de gestion technique".
a) Intégration des fonctions de gestion d'énergie et dans un système à microprocesseur
L'intégration de fonctions entières ou partielles dans un système commandé par microprocesseur est
surtout adaptée aux situations où la complexité des liaisons et du traitement liée à la solution d'un
problème de gestion technique est très grande. Nous entendons par complexité des liaisons le
rapport existant entre le nombre des entrées/sorties et celui des fonctions de liaison, et par
complexité de traitement le rapport existant entre les entrées/sorties et celui des fonctions de
traitement.
Pour une solution de gestion technique complexe, beaucoup de fonctions sont résolues par logiciel,
alors que le nombre d'interfaces (entrées/sorties) reste relativement faible. Le matériel (relais,
régulateur, etc. ) ainsi que le montage et le câblage dans l'armoire électrique sont remplacés par un
logiciel.
Des préparations d'énergie bivalentes ou polyvalentes sont typiques pour des fonctions complexes de
commande et de régulation dans le secteur HVAC. On ne peut atteindre un fonctionnement optimal
du point de vue énergétique qu'à l'aide d'un ordinateur
b) Gestion de l'énergie
Nous entendons par gestion de l'énergie toutes les fonctions qui optimisent l'utilisation de l'énergie
telles que l'OSC (optimisation de l'enclenchement ), les programmes horaires, le délestage Ces
fonctions standards de la gestion d'énergie sont normalement résolues aussi bien avec des appareils
terminaux conventionnels qu'avec des systèmes commandes par microprocesseur. Cependant, des
fonctions servant à déterminer le mode de fonctionnement le plus économique sont de plus en plus
demandées , elles ne peuvent pas être résolues de façon conventionnelle mais elles exigent une
intelligence programmable (fonctions arithmétiques).
c) Fonctions de surveillance et de gestion
Ces fonctions (exploitation interactive, messages d'alarmes et de fonctionnement, suivi de tendances,
suivi de maintenance, etc ) font partie du domaine d'argumentation de la GTB classique. L'utilisation
de ces fonctions est minime pour les installations de petite taille ou de faible complexité : il n'y a pas
besoin de personnel qualifie et l'on a aisément une vue d'ensemble sur les petites installations. De
tels systèmes de gestion sont cependant intéressants pour les installations plus grandes et plus
complexes car ils permettent p ex. une utilisation efficace du personnel de maintenance, une
prolongation de la durée d'utilisation grâce à un entretien préventif, une optimisation de l'énergie.
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Caractéristique du système
Intégration
Intégration et fonction des commandes
De régulation dans un
Système – par logiciel
Gestion d’énergie (GE)
Fonction GE standard
(OSC récupération de chaleur)
Fonctions GE supérieure,
(délestage)
Fonctions non standardisées
(arithmétique)
Fonction de surveillance et de
gestion,
Exploitation interactive avec
messages d’alarmes et de
Fonctionnement, suivi de tendances
et de maintenance
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Applications
Comparaison des solutions
conventionnelles
Installations importantes
Complexes et moyennes (nombre
Important de liaisons)
Suppression de matériel
Réduction de câblage et gain de
Place dans l’armoire électrique
Importantes et moyennes installations
avec un traitement important
Suppression de matériel
Réduction de câblage et gain de
Place dans l’armoire électrique
Intelligence centralisée
(économie d’énergie)
Economie supplémentaire d’énergie
Grâce à une intelligence individuellement
programmable
Installations importantes avec
communication entre sous-stations
Installations importantes, complexes
et moyennes
Installations complexes
Informations supplémentaires pour
la mise en service et l’optimalisation
ultérieure de l’installation
Grandes installations, installations
complexes moyennes
Pour donner une vue d’ensemble
de ces installations
entretien amélioré, prise de conscience
de la consommation d’énergie
4.1.2 La micro-électronique dans la gestion technique
Gestion technique
La gestion technique est un terme venant du domaine de l'automatisation des processus.
La fonctionnalité de la technique d'automatisation, appelée "technique de gestion", évolue avec le
progrès technologique. Il y a quelques années la gestion comprenait avant tout l'exploitation les
messages et la surveillance (fonctions typiques d'un " poste de contrôle"), la notion de gestion
technique s'élargit de nos jours considérablement grâce au développement de la micro-électronique.
Il est entré dans l'usage de considérer comme appartenant à la gestion technique toutes les tâches
d'optimisation d'énergie, de régulation et de commande apparaissant dans les processus
d'automatisation.
Systèmes de gestion
Les systèmes de gestion sont des systèmes informatiques dont l'architecture répond à la spécificité
de la tâche à réaliser.
La diversité des tâches de gestion technique ainsi que l'extension locale d'un processus technique
conduisent habituellement à distinguer les éléments suivants :
- Poste central avec possibilités d'affichage, d'exploitation et d'édition de journaux (terminal,
imprimante)
- Contrôleur(s) pour des fonctions de gestion d'énergie, de commande et de régulation complexes et
non-standard
- Régulateurs - automate(s) avec possibilité de raccordement à la périphérie du processus
(détecteurs, organes de réglage)
- Dispositif de communication pour le couplage de postes centraux avec des contrôleurs et des
régulateurs-automates.
La répartition des tâches entre le poste central, les contrôleurs et les régulateurs-automates relève
d'un choix technologique. On distingue les systèmes de gestion centralisés et décentralisés.
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Notions de base
7/09/2001
Systèmes centralisés
Dans les systèmes centralisés, pratiquement toute l'intelligence de l'ordinateur se trouve concentrée
dans le poste central.
Toutes les fonctions de gestion sont assumées clé fait par cet ordinateur. Les contrôleurs sont
uniquement des interfaces destinées aux organes périphériques dépourvues de tâches de gestion
techniques autonomes.
Cette concentration des tâches entraîne une lenteur des temps de réaction des systèmes centraux.
De plus, toute panne du poste central immobilise tout le reste de l'installation.
Les systèmes centralisés ne connaissent pas de problèmes de coordination entre le poste central et
le régulateur-automate.
En raison du flux d'informations à véhiculer, les unités de communication sont inaptes à la gestion de
réseaux (la gestion du flux de données est assurée par l'ordinateur central).
Systèmes décentralisés
Dans les systèmes décentralisés, l'intelligence est répartie. Grâce à cette répartition, les fonctions
entre le poste central, les contrôleurs et les régulateurs automates peuvent être exécutées ainsi: le
poste central prend en charge toutes les fonctions de contrôle, le contrôleur toutes les fonctions de
régulation de commande et d'optimisation d'énergie. Les régulateurs automates peuvent aussi
assurer les fonctions de régulation et de commande.
Afin que cette répartition des tâches fonctionne harmonieusement, celles-ci sont couplées par un
dispositif de communication performant.
Les avantages présentés par les systèmes décentralisés sont une capacité de rendement et une
sécurité de fonctionnement élevées (la panne d'un composant ne paralyse pas toute l'installation).
La capacité de rendement des systèmes décentralisés provient du fait que les différentes tâches
techniques de gestion, à l'inverse des systèmes centraux, ne sont pas assurées par un seul mais par
plusieurs ordinateurs. Ces ordinateurs sont habituellement structurés sous la forme de systèmes à
carte unique.
Poste centrale
Gérer, surveiller, éditer des journaux, etc..
bus
Gestion de communication
Contrôleur
Régulation, commande
gestion d'énergie
bus
Régulat. automate
Réguler, commander
Régulat. automate
Interface
Périphérie: sondes, potentiomètre, organes de réglage, etc..
Exemple d'un système de gestion décentralisée
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Notions de base
7/09/2001
Dans les systèmes de gestion, tous les points de données nécessaires au niveau central doivent être
saisis et intégrés. Chaque appareil, comme la sonde, l'organe de réglage, le commutateur, la lampe
témoin, etc. est désigné comme point de donnée auquel est reliée la commande ou la régulation. Lors
de la mise au point d'un schéma de principe, ces points de données sont saisis comme sorties et
entrées analogiques ou numériques (p.ex. AI = analog input, DO = digital output)
t
rΗ
∆p
+
t
rΗ
t
∆p
AI
DI
AO
DO
LS
.
SOUCES :
Staefa Control System (Actuellement SiBT)
Honeywell s.a.
Encarta édition 99
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