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Digeste de la construction au Canada, 1973-02
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Le problème fondamental du conditionnement de l'air
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 106F
Le problème fondamental du
conditionnement de l'air
Publié à l'origine en février 1973 N. B. Hutcheon
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
On peut considérer un bâtiment comme un ensemble d'enceintes formant plusieurs espaces utilitaires. L'environnement de ces espaces varie et dépend de l'usage auquel est destiné un espace particulier.
Il s'ensuit que, dans la conception d'un bâtiment moderne, il faut prendre les moyens pour créer les conditions nécessaires pour l'environnement désiré. La climatisation étant très répandue, elle pose des problèmes spéciaux à l'architecte. Celui-ci se voit par la force des choses, obligé de confier certaines responsabilités dans l'élaboration du système à d'autres, mais il y a certaines décisions que l'architecte doit lui-même prendre. La raison en est que certaines mesures peuvent influencer la conception d'autres parties du bâtiment et, d'autre part, des mesures concernant la conception du bâtiment peuvent avoir une grande influence sur le coût et le rendement du système de climatisation.
Pour obtenir de bons résultats, une bonne compréhension de l'interaction entre le bâtiment et le système de climatisation est essentielle. Le Digest 105F a traité des effets de certaines caractéristiques du bâtiment sur le chauffage et le refroidissement. Ces effets ont été étudiés principalement quant au coût de la climatisation. La qualité de l'environnement produit par la climatisation est aussi importante et dépend, dans une large mesure, de l'utilisation de chaque espace. L'obtention de conditions d'environnement acceptables par l'effet du chauffage et du refroidissement d'un espace constitue le problème fondamental de la climatisation. Le présent Digest traitera principalement de ce sujet. L'étude portera surtout sur la climatisation en vue d'assurer le confort.
Pour concevoir un milieu thermique confortable, il faut d'abord savoir comment les gens réagissent aux conditions physiques qui existent dans un espace. Ces questions ont fait l'objet du Digest 102F, où il est fait mention des conditions aptes à assurer le confort des occupants. On y mentionnait que les niveaux de rayonnement thermique étaient un facteur qui influençait l'équilibre de la chaleur du corps, et qu'ils n'étaient pas directement liés à la climatisation.
Comme ces niveaux sont déterminés principalement par les températures des objets environnants, sans oublier les murs, le plancher, le plafond et les parois vitrées, ils varient suivant leur emplacement dans l'enceinte. Ils ne peuvent facilement être compensés, sauf d'un façon générale, par un réglage du niveau de température de l'air.
Les niveaux de rayonnement thermique sont le résultat de conditions et de décisions qui ne relèvent pas normalement de la compétence de l'ingénieur responsable de la climatisation. Pourtant, ils peuvent grandement influencer l'uniformité du milieu thermique. Lorsque l'utilisation de l'édifice exige un contrôle étroit des conditions climatiques, on peut être contraint à modifier la conception de l'enceinte et peut-être aussi la densité d'occupation. Ceci se produit souvent dans le cas des laboratoires de recherche, par exemple, où il faut éliminer toutes fenêtres, de façon à exercer un contrôle étroit de la température et de l'humidité.
L'opération essentielle du contrôle de la température et de l'humidité consiste à fournir, ou à éliminer, la chaleur et l'humidité d'un espace, de façon à compenser la résultante des pertes et des gains de l'espace. Le Digest 105F étudie la nature de ces pertes et de ces gains. Il est évident que les caractéristiques de l'espace et de ses occupants peuvent causer des effets d'emmagasinage de chaleur qui modifient l'intensité de chauffage ou de refroidissement nécessaire à un moment donné. Le problème fondamental de la climatisation consiste à maintenir l'équilibre entre les charges de chauffage et de refroidissement de l'espace d'un façon globale, de façon à maintenir dans des limites acceptables les conditions d'environnement de l'espace.
Une façon courante de fournir ou d'élimine de la chaleur et de l'humidité est de retirer de l'espace une quantité définie d'air et de la remplace par une égale quantité d'air conditionné. Le conditionnement de l'air pouvant comprendre le filtrage pour l'enlèvement de la poussière, et l'adjonction d'une certaine quantité d'air frais pour la ventilation, s'effectue souvent à l'extérieur de l'espace conditionné. (Le processus d'opération importe peu à ce stade de notre étude.)
Si l'on étudie la situation décrite dans la Figure 1, on en conclut que l'air expulsé est à ton fin pratique à la température de la pièce. Le flot d'air admis doit, par conséquent, avoir une température et un degré hygrométrique supérieurs ou inférieurs au degré requis pour faire équilibre aux charges calorifiques et d'humidité. Un examen quantitatif de cette relation fondamentale nous renseignera sur les caractéristiques les plus importantes.
Figure 1. Problème fondamental de circulation d'air.
Considérons la charge de refroidissement, H et la charge d'humidité, M, d'une pièce pour un temps unitaire. Si le flot d'air admis et expulsé est égal à W liv./hr, et que H et M représentent
respectivement les degrés calorifique et hygrométrique de l'air, pour une livre d'air, les équations simples d'équilibre, d'énergie et de masse de la pièce sont les suivantes:
H = W (h2- h1) (1)
M = W (m2- m1) (2)
Ces équations indiquent que la charge de refroidissement, H, de l'espace doit être compensée par la différence dans la teneur calorifique de W liv. d'air admis ou éliminé. Lorsque les charges de refroidissement et d'humidité sont causées par les gains de chaleur et d'humidité d'une pièce, l'air admis doit être plus froid et renfermer moins de vapeur d'eau que l'air expulsé. Si par temps froid, l'on doit suppléer à des pertes de chaleur et d'humidité, l'air admis doit être plus chaud et renfermer plus d'humidité que celui de la pièce.
On remarque que l'écart de température et d'humidité entre l'air admis et l'air de la pièce, dépend de l'importance des charges calorifique et d'humidité (H et M) et du taux de circulation d'air (W). Par temps froid, où le chauffage surtout entre en jeu, il n'est pas rare d'injecter de l'air chauffé à des températures allant jusqu'à 150°F. Pour les pièces où l'on désire une température normale, le taux de circulation d'air, W, correspondra à un remplacement de l'air de la pièce trois fois par heure. Dans ces conditions le réchauffage de l'air ne pose pas de problème, et l'air chaud ne créera pas normalement de courants d'air désagréables. L'air admis pour le refroidissement peut plus facilement créer des sensations de courant d'air et doit être habituellement maintenu au-dessus de 40°F pour éviter le givrage du serpentin refroidisseur. En pratique, l'air pour le refroidissement est généralement fourni à une température variant entre 15°F et 30°F en dessous de la température de la pièce. Ainsi, il est plus courant de procéder à dix changements d'air ou même davantage par heure pour équilibrer les charges que l'on rencontre normalement.
Il est évident que si le courant d'air soufflé admis est à 15°F sous la température de la pièce, les parties de celle-ci qu'il touche directement subiront un écart de température de 15°F de la température originale. Une situation semblable pourrait se produire avec le degré hygrométrique. On pourrait donc conclure que le courant d'air principal ne devrait pas s'écarter des conditions idéales de la pièce de plus que de la tolérance acceptée. Ainsi, si la température de la pièce doit être de 75°F ± 2°F, on pourrait exiger que le courant d'air principal pour refroidir ne soit pas inférieur à 73°F, ni celui pour réchauffer, supérieur à 77°F. Il faudrait, pour respecter cette tolérance de 2°F, de 110 à 150 changements d'air par heure pour réchauffer, et 75 pour refroidir.
Un taux de changement d'air qui s'approcherait de 100 par heure doit être considéré comme étant très élevé pour toute densité d'occupation normale, nécessitant de très gros éventails, conduits et bouches et causant possiblement des courants d'air d'une grande vélocité. Lorsque ces taux sont nécessaires, on peut se servir d'un plafond et d'un plancher complètement percés ou de deux murs opposés comme bouche de soufflage et de reprise d'air. Dans de telles conditions un courant d'air uniforme en une seule direction, à faibles turbulences et vitesse réduite (écoulement laminaire), peut être obtenu. De telles mesures se justifient seulement dans des cas spéciaux, ordinairement dans des pièces propres ou lorsqu'on a besoin de taux de changement d'air très élevés pour réduire les écarts de température au travers de la pièce. Dans un système conventionnel de conditionnement d'air, on tire avantage du fait que, de tout l'espace, seulement la partie qui sera occupée doit être maintenue dans des limites acceptables pour les occupants. La partie supérieure du local située au-dessus de 6 pieds peut être avantageusement utilisée comme zone de distribution et de turbulence (voir Figure 1). Pour cela il faut que l'air injecté soit soufflé à une vitesse suffisante pour entraîner l'air de la pièce tout en produisant une circulation secondaire, des quantités d'air atteignant jusqu'à trois à cinq fois le volume d'air admis initialement avant d'entrer dans la zone occupée; en même temps cela donnera une meilleure distribution et un meilleur mouvement d'air au travers de la zone occupée. Ceci n'est pas facile à réaliser et constitue un des grands défis à l'ingénieur en climatisation. De toute évidence, la mesure dans laquelle on peut atteindre une température d'air, un mouvement d'air et une humidité relative uniformes au travers de la zone occupée, dépend largement de la conception du système.
La distribution d'air dépend de trois facteurs: l'énergie cinétique du courant primaire; les effets de pesanteur dus aux écarts de température; et le déplacement résultant du mouvement général causé par l'introduction et la reprise continues de l'air. Il est nécessaire de tenir compte de ces trois facteurs dans la conception d'un système en vue d'une distribution d'air acceptable. Les bouches de soufflage doivent être également conçus de façon à contribuer efficacement au mode choisi de distribution d'air. Leur grandeur, leur emplacement, leur espacement, la quantité d'air traité, et la direction donnée à l'air sont des facteurs importants.
Si le "jet" d'une bouche à une portée trop grande, le courant d'air primaire peut être soufflé directement dans la zone occupée ou peut être dirigé sur le mur, ou encore être dévié vers le bas. L'air chauffé s'élève lorsqu'il est projeté horizontalement; l'air refroidi tombe et l'on doit lui donner une déflection initiale appropriée.
Il n'est pas nécessaire de souligner que l'air primaire refroidi dirigé sur une personne donnera naissance à un courant d'air très désagréable. La circulation secondaire (Figure 1) induite par l'air primaire, toutefois, peut aussi produire des courants d'air, si la température de la pièce est plutôt basse. Il est à noter que l'écoulement d'air induit qui amorce la circulation d'air secondaire est dans la même direction que l'air primaire, lorsqu'il est rapproché mais en direction opposée lorsqu'il est plus éloigné. On peut citer comme exemple, ce phénomène d'écoulement inversé, accompagné de courants d'air importants, les sources primaires chaudes provenant de chaufferettes d'automobiles ou d'aérothermes muraux placés près du plancher où la température de l'air est généralement au-dessous du niveau de confort, même si l'air primaire est assez chaud.
Les bouches de soufflage et de reprise peuvent être placées de différentes façon. La disposition de bouches illustrée à la Figure 1 convient assez bien tant en été qu'en hiver, à condition que la charge de chauffage ne soit pas grande. Lorsque la largeur du local le permet, l'air primaire refroidi peut être soufflé bien en avant en direction du mur opposé, et se mélanger à l'air chaud qui monte le long des parois vitrées et opaques. L'emplacement de la bouche de reprise à la partie inférieure du mur procure certains avantages pour le refroidissement en été, mais pendant la saison du chauffage, une bouche située en allège aura tendance à éliminer une partie de l'air froid s'écoulant vers le bas des surfaces froides. L'air réchauffé soufflé en direction de la partie haute d'un local a tendance à rester là, de sorte qu'il ne compense pas beaucoup les effets refroidissants du mur extérieur et de la fenêtre.
Les diffuseurs de plafond sont aussi courants. L'air primaire est soufflé généralement vers le bas à partir d'un emplacement central dans un cône plat. Une telle disposition peut être assez acceptable pour le refroidissement, mais lorsqu'elle est utilisée pour le chauffage, il est difficile de souffler l'air chauffé vers le bas au travers de la zone occupée à une vitesse suffisante pour lui permettre de se mélanger ou de déplacer l'air refroidi au niveau du plancher. Tout comme le système illustré à la Figure 1, cette disposition est plus satisfaisante dans un système combiné de chauffage et de ventilation, où les convecteurs placés près de la fenêtre équilibrent la charge calorifique d'hiver, et le système d'aération fonctionne de façon à fournir l'air tempéré à la température de la pièce seulement. Le courant d'air chaud qui s'élève des convecteurs est bien placé pour équilibrer l'air froid qui a tendance à descendre et se ramasser au niveau du sol. Lorsque le même système d'air doit être utilisé, tant pour le chauffage que pour le refroidissement, il est difficile d'assurer un bon rendement, tant en hiver qu'en été.
Lorsque les fenêtres sont une source importante de chaleur et de froid, comme c'est souvent le cas, il est courant de souffler l'air verticalement vers le haut à partir d'unités continues ou du type cabinet, placées en allège. Dans ce cas, la zone verticale adjacente aux fenêtres devient, en partie, zone de brassage. Cet emplacement est souvent satisfaisant pour chauffer en convection naturelle dirigée vers le haut, mais pour refroidir, la convection pulsée doit être utilisée. Dans un des systèmes, l'énergie de l'air primaire, fourni à l'unité sous pression, est utilisée pour introduire un grand volume d'air ambiant du plancher pour fins de brassage avant que l'air ne soit soufflé verticalement vers le haut. Ainsi, déplacement et vitesse de décharge vers le haut viendront contre-carrer la tendance naturelle pour la formation d'une zone froide
au niveau du plancher, l'hiver, et d'une zone chaude au niveau du plafond, l'été, phénomènes dus à l'effet de la pesanteur.
Jusqu'à présent, on a envisagé le problème principalement du point de vue des variations de température causées par la distribution d'air conditionné et les effets de chauffage et de refroidissement des murs extérieurs, et des parois vitrées. Le système d'éclairage contribue également dans une mesure importante aux variations de température, étant donné qu'il réchauffe l'air du local. L'influence thermique sur l'espace varie en fonction de la disposition. Les luminaires suspendus cèdent leur énergie par rayonnement et par convection en réchauffant l'air environnant. Les luminaires encastrés dans les plafonds cèdent une partie de leur énergie à l'espace au-dessus du plafond; ceci réchauffe plafonds et planchers superposés pour ensuite dissiper la chaleur dans les espaces climatisés.
Les divers éléments susceptibles de dégager de la chaleur dans un espace occupé, comme les lampes et les cuisinières, aussi bien que les occupants, peuvent fournir de l'énergie par échange de rayonnement avec les surfaces environnantes et par convection impliquant l'air en contact avec eux. L'air qui est réchauffé en contact avec un objet chaud a tendance à s'élever en autant qu'il n'est pas gêné par le mouvement local de l'air. Les objets froids produiront des courants d'air descendants. Les courants d'air qui en résultent peuvent s'éloigner sensiblement de la température de l'air de la pièce, mais ceci ne présente pas d'inconvénient s'ils n'entrent pas en contact avec les occupants avant de bien se mélanger à l'air du local.
La température n'est pas le seul facteur important. L'air environnant le corps humain contient de la vapeur d'eau et son degré hygrométrique sera plus élevé que celui de l'espace en général. L'air d'expiration contient une quantité accrue de chaleur et d'humidité rejetées dans l'espace. Il est également appauvri en oxygène et contient beaucoup de gaz carbonique. Il existe aussi d'autres contaminants tels que des odeurs et la fumée. Tous ces facteurs, ainsi que d'autres résultant d'une utilisation particulière des locaux peuvent modifier les caractéristiques de l'air. On peut atténuer leurs effets par simple dilution, ou brassage. Ceci peut être atteint en favorisant des turbulences et une circulation générale de l'air dans l'espace.
La contamination par la poussière, la fumée, le gaz carbonique et les odeurs, et l'appauvrissement de l'air en oxygène dû à la respiration, ne doivent pas normalement être sous contrôle à l'intérieur de limites étroites mais ne doivent pas dépasser un certain niveau. Ils sont normalement maintenus au niveau désiré par filtrage et dilution avec de l'air frais. La quantité d'air frais nécessaire représente à peine 10 à 20 pour cent du volume d'air requis pour conditionner l'espace.
Cette étude sur le conditionnement de l'air du point de vue des conditions qui règnent dans un local a été présentée avec l'espoir qu'elle conduira à une meilleure appréciation de ce qui est en cause. Lors de la planification d'un système de climatisation, il est essentiel d'avoir au moins une connaissance générale des possibilités et des difficultés que cela comporte et partant du coût de réalisation. Il importe d'apprécier l'influence des diverses décisions qui seront prises au cours de l'évolution du projet. On n'a pu qu'indiquer brièvement et indirectement comment l'enceinte, la nature et les exigences de l'occupation affectent le conditionnement de l'espace. On a supposé qu'il y a moyen d'évaluer les besoins d'un espace et de créer des mouvements d'air de conditionnement selon le besoin. Les nombreuses implications du choix d'un système et de l'équipement feront l'objet d'un Digest à venir.
