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Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Énergétique du bâtiment :Ventilation
et quelques équipementsM. Pons
CNRS-LIMSI , Rue J. von Neumann, BP133, 91403 Orsay Cedex
htpp://perso.limsi.fr/mpons
Master 2 DFE
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Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Organisation
• 9 heures CM (TD ??)
• Notions de confort thermique• Ventilation, mouvements d’air
• Quelques équipements Chauffe-eau thermodynamique Et Pompes à Chaleur (PAC)
Centrales de Traitement d’Air (CTA)
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Le Confort thermique
• Ne pas avoir trop froid, ne pas avoir trop chaud, • Ne pas sentir de courant d’air gênant,
• Que l’air ambiant ne soit ni trop sec, ni trop humide.
• Notion de qualité de l’air• Condition supplémentaire : Que l’air ambiant
ne contienne pas (trop) de polluants.
• 20°C < Température < 26°C• Vitesse d’air < 0,2 m.s-1.• 30% < Humidité relative w < 50-60%• Plus quelques exemples
de concentrations limites : --
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CO2 < 12000 µg.m-3
CO < 30 µg.m-3
NO2 < 0,32 µg.m-3
SO2 < 1,35 µg.m-3
Ozone < 0,15 µg.m-3
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Ventilation naturelle
• Dans habitat ancien : Ventilation dite naturelle (souvent subie) Entrées par ouvertures ou manques d’étanchéité, en façade Évacuations par ouvertures en partie haute Mise en mouvement par 1) tirage thermique
(effet cheminée), 2) effets du vent.
• Tirage thermique :Soit immeuble R+3, avec Ti, Te = températuresinterne et externe (Ti>Te). La différence de pression motrice pour le tirage s’exprime parla formule simplifiée : dP 0,041.H.(Ti-Te).* Expliquer pourquoi.* App.Num. : Ti = 22°C, Te = 0°C, quels dPpour rez-de-chausée et pour dernier étage ?* Quelle force = 10 Pa sur une porte ? Quelle hauteur d’air ?
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Ventilation naturelle - 2
• Pression due au vent autour d’un bâtimentLa surpression Pv due au vent suit la loi :[=densité de l’air ; V=vitesse du vent à hauteurde référence (10m) ; C=Coefficient de pression qui dépend de la direction du vent, de la forme du bâtiment et de la position considérée].
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2(0.5 )vP C V
4 m.s-1
+5 Pa
-6 Pa
-8 Pa
-4 Pa
Coefficient C très phénoménologique, très dépendant des circonstances, est-il fiable ?
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Ventilation naturelle - 3• En ventilation naturelle, le débit est donc très variable, malgré
les mécanismes de régulation (hygro-réglables p.ex.). • Le débit peut être trop fort (dépense énergétique inutile)
ou trop faible (inconfort, hygiène).• Aération des logements : générale et permanente ( saison).
• Débits [en m3.h-1] à extraire du logement (> minimal)et des pièces de service (> minimal – nominal)
selon le nombre de pièces principales :
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CCHArt
R111-9
Nb. pièces Logement Cuisine S de bains WC
1 > 35 > 20 - 75 15 15
2 > 60 > 30 – 90 15 15
3 > 75 > 45 – 105 30 15
4 > 90 > 45 – 120 30 30
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Ventilation mécanique contrôlée VMC - Principe
• Entrées d’air dans les pièces principales (moins polluées) et sorties dans les pièces de service, cuisine, Sdb, WC (plus polluées).
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VMC simple fluxSource : Fédération
Française du Bâtiment & EDF. COSTIC
• Consommations d’énergie ?
• Nuisance ?
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Pertes de Charge
• Sommation sur les pertes de charge en série sur tronçons où vitesse constante :
• Avec : Coefficient de perte de charge entre deux points du réseau,
soit linéiques (conduits) :L = longueur ; Dh = diamètre hydraulique (4.Section/Périmètre) ;si Re<2000 : = k.64/Re ; avec k=1 pour tube circulaire ; [à suivre planche suivante] ;
• Pour pré-dimensionnement : Plin = 1 Pa.m-1.
• Diamètres de gaines (mm) : 50 ; 63 ; 80 ; 100 ; 125 ; 160 ; 200 ; 250 ; 315 ; 400 ; 500 ; 630 ; 800 ; 1000
soit singulières (coudes, tés, etc.) :P.ex. = 0,5 pour coude à 90°, 0,3 pour coude à 45°. [à suivre planches suivantes] ;
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2(0.5 )tot i ii
P V
( / )lin hL D 4 /hD A
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Pertes de charge linéiques
• Écoulement laminaire (Re < 2000) : = k.64/Re ; k pour tubes
rectangulaires (a/b)
• Écoulement turbulent (Re > 4000) : Si rugosité nulle : Si rugosité :
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a/b 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0,1 0
k 0,89 0,90 0,94 1,02 1,20 1,34 1,50
210(1.8 log 1.64)Re
210 10[ .log ( . ) .log ( / )]ha b Re c D
a b c3,6 – 10 -0,80 2,00 010 – 20 0,07 1,13 -0,8720 – 40 1,54 0,00 -2,0040 – 190 2,47 -0,59 -2,59
> 190 1,14 0 -2,00
. . / hRe D Quelques exemples de rugosité
Tôle : 50 – 160 µmFibre de verre : 90 – 450 µmPlastique, PVC : 10 – 50 µm
Maçonnerie ordinaire : 95 - 190 µm
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Pertes de charge singulières - 1
• Coudes : = 0,5 pour 90° ; = 0,3 pour 45°.• Changements de section :
Élargissement brusque D3 -> D2 : Rétrécissement brusque D2 -> D3 :
• Piquages à 90°
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2 23 2[1 ( / ) ]D D
23 20.5 [1 ( / ) ]D D
D1/D2 = 0,3 D1/D2 = 0,7
Q1/Q2 Q1/Q2
Soufflage0,1 1,5 0,4 1,320,2 2,4 0,8 1,95
Reprise0,1 0,62 0,4 0,710,2 4,66 0,8 2,69
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2 3
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Pertes de charge singulières - 2
• Entrées et sorties d’air La perte de charge dépend très
fortement du dessin exact de la grille, cf. les documentationsPar exemple, pour une grille classique à ailettes de 400x200 en reprise d’air, P = 8 Pa pour un débit de 300 m3.h-1, et 20 Pa pour 500 m3.h-1. ( = env. 12).
• Filtres Filtres à particules : grossiers (>1µm), fins. Filtres à molécules : charbon actif (COV, odeurs). Pertes de charges : 150 à 450 Pa selon finesse, …
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Marche à suivre
Dimensionnement des réseaux aérauliques
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Débits réglementaires
Air neuf / air extrait Débits max d’air neuf et d’air extrait
Choix du type de ventilation Débit de ventilation
Dimensionnement des conduits à 1 Pa/m (diamètre hydraulique à calculer pour section
rectangulaire)
Calcul des pertes de charge maximales :Somme pertes de charge linéaires et singulières
Recherche tronçon le plus défavorisé
Choix du ventilateur, position du point de fonctionnement sur courbe débit vs. pression
Calcul des points intermédiaires si plusieurs vitesses
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Application numérique
• Soit le cas « 4 pièces » de planche #6 avec extractions séparées cuisine, SdB, et WC (cf. p. #7).
• Quels sont les débits à extraire dans chaque pièce de service, et au total ?
• En supposant une rugosité nulle, chercher le diamètre de gaine qui donne une perte de charge linéique juste inférieure à 1 Pa/m pour chaque débit, et le débit total (cf. liste diamètres en p. #8). On supposera une rugosité nulle. 1) Se répartir les cas à calculer. 2) Voir données thermophysiques de l’air en fin de polycopié.
• À quelle perte charge correspond un coude à 90° sur chacun de ces trois conduits ?
• Chaque conduit individuel (cuisine, SdB, et WC) fait une longueur de 5 mètres et comporte deux coudes, quel conduit provoque la perte de charge la plus forte ?
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Application numérique suite
• À cette perte de charge doit être ajoutée [au moins] celle sur le conduit évacuant le débit total, 3 mètres de long et avec un coude à 90°. Quelle est la valeur minimale de la perte de charge totale ?
• À quelle puissance mécanique cette perte de charge correspond-elle ?
• Cette valeur est-elle réaliste ?
• En supposant un écart de température de 20K entre intérieur et extérieur, quelle est la puissance thermique correspondant à cette ventilation ?
• À quelle consommation énergétique annuelle cette puissance thermique correspond-elle ?
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Nuisances sonores
• Limiter les vitesses = économies d’énergie et réduction du bruit.
• Vitesses d’air maximales recommandées V [m.s-1]en fonction du niveau sonore souhaité (Guide AICVF) :
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Niveau NR V dans conduits principaux
V dans conduits secondaires
V dans conduits terminaux
20 4,5 3,5 2,025 5,0 4,5 2,530 6,5 5,5 3,25
• Conduits terminaux : raccordement aux bouches.• NR 30 approximativement équivalent à 35 dB(A).
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Ventilation Motorisée VMC Simple Flux
• Un groupe moto-ventilateur, placé dans les combles du bâtiment, crée une dépression dans le logement par l’intermédiaire de gaines et bouches d’extraction situées dans les pièces de service.
• Cette dépression permet de faire pénétrer l’air neuf dans les pièces principales par des entrées d’air encastrées dans les menuiseries, et par perméabilité des façades.
• L’air vicié est refoulé en toiture par une sortie chatière. • Variation possible de débit en cuisine.
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Principes
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• Source AICVF
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Exemple en habitat collectif
• A
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Ventilation Motorisée VMC Double Flux
• À la VMC de reprise (extraction) d’air est ajoutée une seconde VMC pour souffler de l’air frais (= extérieur) dans les pièces de vie.
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VMC double fluxSource : Fédération Française du
Bâtiment & EDF. COSTIC
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Principe
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• Source AICVF
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Exemple en habitat collectif
• A
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L’efficacité énergétique• Contrôler les débits, les adapter finement aux besoins
Modulation temporelle (programmation, horloges), ou en fonction de l’occupation (présence, humidité, CO2 …).
• Ventilateurs à faible consommation Moteurs à courant continu, variateurs de fréquence.
• Récupérer l’énergie sur le renouvellement d’air Technique double flux avec échangeur de chaleur … … soit statique, soit rotatif, …
• Échangeur courants croisés, ou à contre-courant ; éventuellement plus humidification air extrait en été.
… soit thermodynamique.• Pompe à chaleur air / air
Puits canadien
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Récupération de chaleur sur VMC Double Flux
• VMC de reprise (extraction) + VMC de soufflage d’air extérieur.
• Échangeur (statique) de chaleur entre les deux flux.
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VMC double fluxSource : Fédération Française du
Bâtiment & EDF. COSTIC
• Préchauffage en hiver, et
prérafraîchissementen été
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Récupération de chaleur sur Double Flux• Échangeur
statique à courants croisés (Alu ou plastique), efficacité de l’ordre de 0,6 – 0,75.
• Technique avancée :
récupération chaleur latente de
l’humidité contenue dans
l’air repris.
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Échangeur rotatif inerte .
• Échangeur rotatif « régénérateur » (échange de chaleur sensible).
• Matériau poreux, perméable dans une direction et inerte (typiquement en aluminium), plus deux « balais » qui définissent deux secteurs.
Air refroidiAir chaud
Air froid
REFROIDISSEMENT
CHAUFFAGE
Air réchauffé
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TD : Échangeur de récupération de chaleur VMC Double Flux (Matlab, Excel ?)
• Conditions nominales : renouvellement d’air = 135 m3.h-1, avec 0°C et 20°C de températures extérieure et intérieure.
• Efficacité de l’échangeur à courants croisés : 0,7.
• Q_1 : Quelle est la puissance thermique effectivement récupérée ?Quelle valeur de UA [ou hS, en W.K-1]
• Q_2 : Pour la même valeur de UA, quelle efficacité lorsque le débit passe à sa valeur maximale 210 m3.h-1 ? Quelle puissance récupérée ?
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0.78
0.22
exp( . ) 11 exp
.cross
C NUT
C NUT
min
max
.
.
p
p
m cC
m c
min
. p
UANUT
m c
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Quelques données thermophysiques [en USI]pour les conditions standard (25°C, 1,013×105 Pa)
Conductivité k
Chaleur spécifique cp
Massevolumique
Viscosité dynamique
Air 0,026 1006 1,18 18,2 x 10-6
Eau (liq.) 0,6 4180 1000 903 x 10-6
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Quelques sites web utiles :www.aicvf.org/ - www.ffie.fr/ - www.uecf.fr/
2/36 -1 -1273 111
17.1 10 [kg.m .s ]111 273
T
T
• Viscosité dynamique de l’air : (formule de Sutherland)