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Digeste de la construction au Canada, 1972-09
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Installations de conditionnement d'air
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 109F
Installations de conditionnement
d'air
Publié à l'origine en septembre 1972 K.R. Solvason
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.
La fonction essentielle d'une installation de conditionnement de l'air est de distribuer de l'air traité dans toutes les pièces d'un bâtiment au taux et conditions requises pour neutraliser les gains et les pertes de chaleur et d'humidité (charges), de façon à maintenir la température et l'humidité dans des limites acceptables. Le choix d'un système particulier pour atteindre cet objectif dépendra en grande partie de la tolérance spécifiée quelles que soient les conditions du local, et de la grandeur et de la variation des charges.
Pour exercer un contrôle étroit de la température et de l'humidité dans chaque chambre, il peut exiger un système complexe et dispendieux. Certains locaux, particulièrement les pièces centrales, ne demanderont qu'à être rafraîchies, tandis que les charges des pièces périphériques peuvent alterner entre chauffage et rafraîchissement, suivant les saisons et même les jours. A n'importe quel moment, certains locaux peuvent demander à être chauffés, tandis que d'autres devront être rafraîchis. Les charges d'humidité peuvent aussi varier, suivant le temps et l'emplacement. Par conséquent, le système idéal devrait pouvoir s'adapter, de façon à réchauffer ou rafraîchir, humidifier ou déshumidifier, toute pièce habitée en tout temps.
Un tel système pourrait être choisi pour des installations industrielles, mais dans le cas des installations destinées à assurer le confort, un contrôle poussé et indépendant, tant de la température que de l'humidité, est rarement justifié. L'humidité peut ordinairement varier dans des limites assez larges, ce qui simplifie le système de contrôle et le traitement de l'air (CBD 102F et 108F). La température peut se contrôler indépendamment, bien que le concepteur doive toujours faire face au problème du choix du système de chauffage et de rafraîchissement le mieux adapté.
Le contrôle étroit de la température implique une disponibilité du chauffage et du rafraîchissement partout, en tout temps. Il faut toutefois se rendre compte qu'un tel système sera plus complexe et plus coûteux. Si l'on accepte de laisser varier la température, dans une certaine limite, on pourra se contenter d'un système plus simple qui ne permettra que le
chauffage, ou le rafraîchissement, à un moment donné. L'écart de température qui se produit au moment du changement de charge, du chauffage au rafraîchissement, et inversement, est fonction de la grandeur et de la durée de l'inversion de la charge, qui dépend à son tour des caractéristiques du bâtiment et de sa densité d'occupation.
La sélection d'un système particulier de construction et de fenêtrage ainsi que le choix arbitraire du contrôle de la température et de l'humidité peut influencer sérieusement la conception de la climatisation. Ces décisions influencent non seulement les charges maximales, mais encore la complexité du système et son contrôle. Nous verrons mieux la portée de ces effets en examinant la capacité et la limitation de quelques-uns des systèmes les plus courants.
Systèmes à air centralisés
Cette catégorie comprend tous les systèmes qui traitent l'air dans une centrale et le distribuent dans les divers locaux. Le système d'air le plus simple est probablement le système à air chaud qui ne fournit que du chauffage. Il retire l'air du local, le fait passer au travers d'un réchauffeur et le renvoi à un ou plusieurs locaux. Ce réchauffeur peut être une chaudière à mazout, une batterie de chauffage électrique, ou un serpentin chauffant alimenté en eau chaude ou en vapeur. Les gaines de distribution peuvent être des conduits de large section, à faible vitesse d'air (600 à 2200 pieds par minute) ou de conduits de petite section, à grande vitesse d'air (2500 à 4000 pieds par minute). Des gaines plus petites exigent moins d'espace mais plus de puissance du ventilateur. Les gaines de reprise sont normalement de conduits de large section à faible vitesse.
Il faut choisir une limite supérieure de température et calculer un débit d'air qui compenseront la perte de chaleur maximale, en prenant comme base de calcul une des pièces du bâtiment. Le débit d'air pour toutes les autres pièces peut alors être établi en maintenant les mêmes proportions. On contrôle la température en réglant le fonctionnement de l'unité de chauffage au moyen du thermostat installé dans une des pièces. On ne pourra obtenir un contrôle satisfaisant de toutes les pièces que si la perte de chaleur de chaque pièce varie dans la même proportion que celle de la pièce où le thermostat est installé.
Les taux de pertes de chaleur varient d'une pièce à l'autre. Les locaux orientés du côté du vent subissent généralement une perte de chaleur plus grande que ceux des côtés non exposés; et les gains de chaleur intérieurs provenant de l'éclairage, des occupants et de l'équipement et les gains extérieurs provenant du rayonnement solaire, varient d'une pièce à l'autre, bouleversant ainsi le rapport de perte de chaleur nette pour les différentes pièces. Dans un petit bâtiment comme une maison d'habitation, les pièces sont habituellement reliées entre elles de sorte que la température varie à l'intérieur de limites tolérables dans toutes les pièces à la fois. Dans des bâtiments plus grands, ce n'est généralement pas le cas, et la température ambiante désirée ne peut être maintenue que si l'on règle, soit la température de l'air admis ou le débit de l'air requis pour chaque pièce (ou chaque groupe de pièces ou zones dont les charges de chaleur sont similaires). Si les gains provenant de l'intérieur ou du soleil excèdent la perte de chaleur, ce qui se produit souvent, un système de chauffage simple ne peut empêcher la température de s'élever au-dessus du niveau désiré.
On peut ajouter au système de chauffage simple par air chaud un filtre à air, un humidificateur pour augmenter l'humidité lorsqu'elle atteint un minimum déterminé à l'avance. On peut aussi ajouter de l'air frais à l'air recyclé du local ou encore employer l'air frais pour rafraîchir les pièces, lorsque la température extérieure descend en des sous de la température ambiante désirée.
On pourra améliorer davantage le système de façon qu'il puisse rafraîchir et déshumidifier, soit en alimentant en eau froide le serpentin utilisé pour le chauffage soit en installant un serpentin refroidisseur séparé. Sous sa forme la plus simple, la température sèche serait contrôlée et l'humidité pourrait varier à l'intérieur de limites déterminées d'avance. On peut également avoir recours au traitement adiabatique pour rafraîchir lorsque les conditions extérieures donnent des températures humides suffisamment basses. Là encore, un tel système ne peut pas convenablement tenir compte des charges qui varient lorsque l'on passe du chauffage au
rafraîchissement. Il ne peut satisfaire qu'aux exigences de l'une des pièces, à moins que les charges de toutes les pièces ne varient proportionnellement.
Systèmes à air par Rafraîchissement avec Réchauffage
Les systèmes à air sont souvent conçus comme des systèmes de rafraîchissement avec réchauffage, afin de faire face aux changements cycliques lorsqu'ils passent du réchauffage au rafraîchissement, ainsi qu'aux variations entre les locaux. L'air retiré de toutes les pièces est retourné à la centrale, mélangé avec un minimum désiré d'air frais, le mélange conditionné à une certaine température inférieure à la température ambiante et fourni par les serpentins réchauffants aux gaines de distribution pour chacune des pièces. La température d'alimentation pour chaque pièce peut alors être soit supérieure, soit inférieure à la température ambiante, selon le cas, pour combattre les charges frigorifiques ou calorifiques. Le degré hygrométrique de l'air quittant la centrale est limité à l'humidité de saturation; par conséquent, on peut choisir sa température de façon à limiter l'humidité maximale de l'espace à un niveau désiré.
Le débit d'air pour chaque pièce est établi sur la base de la charge frigorifique du local et de la température de l'air quittant la centrale. Si la charge frigorifique est petite, le débit devrait être calculé d'après le minimum requis pour créer une bonne circulation d'air et fournir une quantité d'air frais satisfaisante. La charge frigorifique réelle sera considérablement inférieure à la charge prévue la plupart du temps, de sorte que les serpentins réchauffants doivent fournir cette différence plus toute charge calorifique nette. Lorsque les températures extérieures sont suffisamment basses, l'air recyclé peut être mélangé à l'air extérieur dans une certaine proportion pour produire la température désirée. Par temps froid, la quantité minimale d'air frais prévue peut donner un mélange trop froid de sorte qu'il peut être nécessaire de préchauffer et d'humidifier l'air admis. Si, par contre, la température de l'air extérieur excède la température de l'air venant de la centrale il faut réfrigérer.
Si l'on doit contrôler l'humidité, l'air qui sort de la centrale doit toujours être saturé à la température du point de rosée requise, puis réchauffé pour donner la température ambiante désirée. Lorsqu'il s'agit d'un bâtiment à plusieurs aires, on peut être obligé de déshumidifier et même de refroidir l'air à l'excès dans la centrale, puis réchauffer et réhumidifier dans des unités séparées pour chaque aire. Si les charges hygrométriques et leurs variations sont faibles, on peut omettre la réhumidification. On peut conditionner dans la centrale au moyen d'un traitement adiabatique, si les températures extérieures permettent de mélanger l'air extérieur et l'air recyclé pour obtenir une température humide du mélange égale à la température de sortie désirée.
Le système de rafraîchissement avec réchauffage, avec ou sans contrôle de l'humidité, offre une grande flexibilité tout au long de l'année. Son fonctionnement, que ce soit l'hiver ou l'été, ne requiert aucun changement particulier; le chauffage et le rafraîchissement sont possibles en tout temps. Toutefois, le coût d'exploitation du système est assez élevé, parce qu'il fonctionne essentiellement sur le principe du rafraîchissement à l'excès et du réchauffage, au besoin. En fait, la charge sur le système de réfrigération est toujours voisine de la charge maximale prévue.
Système de Rafraîchissement avec Réchauffage à Volume Variable
On peut réduire considérablement l'énergie que demande un système de rafraîchissement avec réchauffage en utilisant un système à volume variable plutôt qu'à volume constant. Un thermostat d'ambiance contrôle le débit d'air fourni à chaque pièce, de sorte qu'à mesure que la charge frigorifique décroît, le débit est réduit jusqu'à ce qu'il atteigne un minimum prédéterminé en se fondant sur la circulation de l'air ou des besoins d'air pur. Si ce système rafraîchir au-delà de la limite désirée, le serpentin réchauffant est mis en marche, de façon à élever la température de l'air d'apport. Sous d'autres rapports, le système à volume variable est identique au système à volume constant. Les débits d'air variable compliquent quelque peu la conception d'un système d'approvisionnement et de distribution d'air et par conséquent, augmentent le coût de base.
L'énergie nécessaire, tant pour la réfrigération que pour le réchauffage, est moindre pour le système à volume variable que pour le système à volume constant. Lorsqu'aucune pièce alimentée par un système à volume variable ne demande de réchauffage, l'installation frigorifique ne doit extraire que la charge frigorifique des locaux et celle de l'air de ventilation.
Installation à doubles gaines
Il existe encore un autre type de système à air: le système à doubles gaines, qui distribue à chaque local, tant l'air chauffé que l'air refroidi, à une pression relativement haute. Il comporte également une unité terminale à l'intérieur ou à proximité du local, qui mélange l'air chauffé et refroidi dans les proportions requises pour y assurer la température désirée. Cette unité terminale maintient habituellement le débit d'air total apporté à la pièce à un niveau constant. Au cours des mois d'été, l'air froid est maintenu ordinairement entre 50 et 55°F; il est presque saturé. L'air chaud est maintenu, pour sa part, à environ 5°F au-dessus de la température de l'air recyclé du local. L'hiver, la température de l'air froid peut, pour des raisons d'économie, être haussée de 5 à 10°F au delà de la température d'été, et l'air tiède maintenu suffisamment chaud pour compenser la perte de chaleur; l'air tiède peut être humidifié.
Ce type de système n'est pas normalement conçu pour effectuer un contrôle étroit l'humidité, mais simplement pour limiter l'étendue de la variation. Il tient compte des changements de charges cycliques et des écarts entre les locaux. La consommation d'énergie tant pour la réfrigération que pour le chauffage, est assez élevée, étant donné que l'opération consiste essentiellement à refroidir à l'excès puis à réchauffer l'air dans un grand nombre de locaux alimentés par le système.
Installation de Conditionnement dans le Local
Le convecteur généralement utilisé en chauffage est une forme d'installation de conditionnement placée dans chaque local à traiter. Le chauffage peut se faire à l'eau chaude, à la vapeur ou à l'électricité. Dans le système le plus simple, le chauffage est fourni en hiver seulement; l'infiltration de l'air par les portes et les fenêtres assurera la ventilation. La température de l'eau ou de la vapeur alimentée aux convecteurs est souvent contrôlée, de façon à monter lorsque la température extérieure baisse. Le contrôle final de la température ambiante pourrait alors se faire par contrôle manuel ou thermostatique du débit d'eau ou de vapeur, ou par contrôle du débit d'air de convection sur le serpentin par des amortisseurs. On peut ajouter un ventilateur au convecteur pour obtenir une circulation forcée sur le serpentin. S'il s'agit d'un serpentin à eau, on peu l'adapter tant au chauffage qu'au refroidissement. Un ventilateur à trois vitesses est souvent utilisé et la température ambiante peut être ajustée en réglant, soit la vitesse du ventilateur, soit le débit d'eau au travers du serpentin, ou les deux à la fois. Un système d'alimentation d'eau à doubles conduits (distribution et reprise) nécessite un changement saisonnier de l'eau chaude à l'eau froide et ne peut fournir que du chauffage ou du rafraîchissement, ce qui n'est pas toujours satisfaisant. Comme on l'a déjà mentionné, il n'y a pas de temps déterminé qui marque la fin de la saison du rafraîchissement et le début de la saison du chauffage. Afin de pallier cet inconvénient, on se sert souvent d'un système à trois conduits (distribution d'eau chaude, d'eau froide et reprise en commun), ou à quatre conduits (distribution d'eau chaude, d'eau froide et reprise séparée, soit par un seul serpentin ou des serpentins séparés pour le chauffage et le rafraîchissement). Ainsi, le chauffage et le rafraîchissement peuvent fonctionner en tout temps. Dans certains cas, on peut installer une gaine au travers d'un mur extérieur pour assurer la ventilation.
On installe souvent les éléments éventail-serpentin-pulvérisateur et les canalisations requises dans le local pour faire circuler l'air ambiant et fournir soit le chauffage, ou le rafraîchissement, soit l'humidification ou la déshumidification. L'air de ventilation peut également venir de l'extérieur ou être distribué par un système central au conditionneur de la pièce.
Systèmes Combinés
Ce groupe comprend les systèmes utilisant certaines installations de conditionnement dans le local et aussi de l'air amené d'une centrale de distribution. Des convecteurs autonomes pour le
chauffage, l'hiver, pourraient venir en aide au système central de ventilation. Les convecteurs disposés sur des murs extérieurs et en allège distribuent l'air chaud et contrebalancent l'air froid qui, autrement, glisserait le long du mur et passerait sur le plancher. L'air chaud élève aussi la température des fenêtres, abaissant ainsi le potentiel de condensation, et réduisant les pertes par rayonnement, dues aux occupants. La température de l'air de ventilation doit être contrôlée, et il pourrait humidifier en hiver, et rafraîchir et déshumidifier en été.
Un autre système combiné utilise un appareil inducteur dans le local. Il distribue une assez petite quantité d'air à haute pression, venant d'une centrale, au travers de buses pour induire le mouvement de l'air ambiant sur le serpentin échangeur. On contrôle la température, soit en réglant le débit de l'eau vers le serpentin ou en utilisant une déviation qui dirige le débit de l'air au-travers et au delà du serpentin. L'été, l'air induit est ordinairement déshumidifié pour contrôler la charge d'humidité et l'on maintient la température du serpentin au-dessus de la température du point de rosée, afin d'éviter toute condensation sur le serpentin, et les problèmes liés au drainage. L'automne, le fonctionnement du système passe du rafraîchissement au chauffage, et inversement au printemps. A ces périodes de l'année, le système peut distribuer l'eau chaude et de l'air induit froid ou de l'eau froide et de l'air induit tiède. L'air induit permet au système de réchauffer ou de rafraîchir, selon les besoins, de façon à compenser les petites fluctuations des charges, lorsque le système passe du chauffage au rafraîchissement, et la diversité des charges dans les divers locaux. Une installation à trois ou quatre conduits peut traiter les diverses charges d'une manière plus efficace. En outre, on peut tirer un plus grand profit de l'air induit pour contrôler l'humidité.
Conclusion
Il faut tenir compte du fait que la conception d'un bâtiment ainsi que le choix et la conception du système de conditionnement de l'air sont très étroitement liés. Il est toujours souhaitable de réduire au minimum les charges de chauffage et de refroidissement et leurs variations. Si ceci contribue à l'augmentation du coût du bâtiment, on doit considérer les dépenses accrues en fonction des économies réalisées sur l'opération du système de conditionnement. Le choix d'un système de conditionnement de l'air et le "zoning" nécessaire ne peuvent se faire qu'après une étude minutieuse des charges de chaque pièce et des écarts qui en résulteront si l'on n'apporte pas les corrections voulues pour faire face aux charges cycliques. En ce qui concerne le rafraîchissement il faut étudier aussi dans quelle mesure on peut utiliser l'air extérieur frais plutôt que la réfrigération, en considérant les charges et les conditions extérieures correspondantes. Avant d'arrêter son choix, il faut enfin tenir compte de l'aire requise pour installer le système de conditionnement, le réseau de gaines de distribution et la tuyauterie. La complexité du système, le coût des installations, de même que les frais d'exploitation d'un système de climatisation sont généralement accrus si l'on impose des limites trop strictes. Le choix et la conception détaillée d'un système de conditionnement de l'air requièrent les services d'un Ingénieur Conseil travaillant de concert avec l'architecte et ceci dans toutes les phases de la conception. Ces deux experts doivent travailler en collaboration étroite pour obtenir un environne ment bien contrôlé, de la façon la plus économique et la plus acceptable possible.
