Le ventilo-convecteur
- Principe de fonctionnement
- Détails technologiques
- Variante : le Module de Traitement d'Air (MTA)
- Variante : le système modulaire à eau glacée (Hydrosplit)
- Domaine d'application
- Schémas de régulation : ventilos - 2 tubes
- Schémas de régulation : ventilos -4 tubes
- Schémas de régulation : ventilos - 2 tubes - 2 fils
- Avantages
- Inconvénients
- Coût
Principe de fonctionnement |
Le ventilo-convecteur est au radiateur, ce que le mix-soup est au presse purée ! Cela va plus vite mais cela fait du bruit... !
Plus sérieusement,
Un radiateur traditionnel est alimenté par une eau à ...50°...70°... dans une ambiance à 21°. L'échange de chaleur s'effectue facilement grâce à un tel écart de température.
Mais pour fournir du froid, on fait circuler de l'eau (dite "glacée") à ...5°...10°... dans une ambiance à 24° : l'écart de température devient trop faible pour fournir une bonne puissance frigorifique. On passe dès lors à un échange forcé : un ventilateur est ajouté et le radiateur est remplacé par une batterie d'échange. En pulsant de l'air sur l'échangeur, la puissance frigorifique est fortement augmentée mais le bruit envahit les locaux.. !
Pour assurer le refroidissement l'été mais aussi le chauffage en hiver, un ventilo-convecteur comprendra donc :
- une prise d'air du local (à chauffer ou à refroidir),
- un filtre grossier pour arrêter les poussières,
- un ou plusieurs ventilateurs, à faible vitesse,
- une ou deux batteries d'échange, de faible section, alimentées en eau chaude et/ou en eau glacée,
- éventuellement une résistance électrique d'appoint
- un bac inférieur pour récolter les condensats,
- et un habillage éventuel qui coiffe le tout pour l'intégrer au local.
On le retrouve en position verticale (allège de fenêtre), ou en position horizontale (accroché au plafond ou intégré dans un soffit
Et l'apport d'air neuf ?
Le ventilo-convecteur suppose l'installation de deux réseaux distincts
- un réseau d'eau pour apporter chaleur et froid au local,
- un réseau d'air pour assurer la pulsion minimale d'air neuf hygiénique.
Cette séparation entre la fonction "thermique" et la fonction "ventilation" permet une facilité de régulation et l'absence de contamination par recyclage de l'air.
Dans certains cas, un caisson de mélange avec arrivée d'air neuf est intégré au ventilo. Cet air vient soit d'une prise directe en façade au dos du ventilo, soit d'un caisson de traitement d'air en centrale.
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L'intégration d'une prise d'air neuf à l'arrière de l'équipement est une solution peu onéreuse, mais
- elle demande une protection vis à vis du risque de gel,
- elle réalise un pont thermique avec l'extérieur,
- le débit d'air neuf sera fonction de la pression du vent sur la façade...
Si bien que dans la plupart des cas, on prévoit une installation de ventilation supplémentaire indépendante
- soit une ventilation simple flux (avec extraction dans les sanitaires, par ex.)
- soit une ventilation double flux (avec pulsion et extraction dans chaque local)
Conclusions
La possibilité de faire du chaud et du froid avec le même appareil, son prix de revient très raisonnable suite aux faibles surfaces des échangeurs, la facilité de la régulation local par local, l'efficacité du transport thermique par eau, ... fait du ventilo-convecteur un best-seller de nos bâtiments climatisés !
Détails technologiques |
Il existe quatre grandes familles :
- Les ventilos "à 2 tubes réversibles" :ils ne disposent que d'un seul échangeur, alimenté alternativement en eau chaude en hiver, et en eau glacée en été. Mais un risque de perte d'énergie apparaît par mélange entre eau froide et eau chaude si la zone neutre est trop faible (voir régulation des ventilos).
- Les ventilos "à 4 tubes" : ils disposent de deux échangeurs, pouvant être connectés en permanence soit au réseau d'eau chaude, soit à celui d'eau glacée.
La taille (le nombre de rangs) de l'échangeur de froid est plus élevé que celui de la batterie chaude, suite au delta T° plus faible sous lequel travaille la batterie froide. On dit que "le pincement" est plus faible entre T°eau et T°air dans l'échangeur.
- Les ventilos "à 2 tubes - 2 fils" :pour diminuer les coûts d'installation, on ne prévoit que le réseau d'alimentation en eau glacée. Pour assurer le chauffage d'hiver, une résistance électrique d'appoint est prévue (le ventilateur pulse l'air du local au travers de la résistance, comme dans le cas d'un convecteur électrique direct).
Mais le prix du kWh électrique étant nettement plus élevé que le kWh thermique, les coûts d'exploitation seront importants...
- Les ventilos "2 tubes réversibles + 2 fils" : astuce ! Ce dernier système peut être utilisé en fonctionnement deux tubes (càd eau glacée en été, eau chaude en hiver), la résistance électrique sert alors uniquement en résistance d'appoint en mi-saison.
Les coûts d'exploitation sont dès lors plus limités que dans la version "2 tubes - 2 fils".
Des ventilos particuliers
Il est possible d'intégrer complètement le ventilo dans un faux plafond ou un faux plancher (des hauteurs d'équipement de 200 à 300 mm existent).
Soit il s'agit un appareil "cassette" : il aspire l'air du local en partie centrale et le repulse après traitement latéralement, tangentiellement au faux plafond.
Certains ventilos sont prévus pour être intégrés sous le plancher des locaux montés sur vérins (local informatique, par exemple). Dans ce cas, l'ouverture de l'appareil doit pouvoir se faire par le dessus.
Soit il s'agit d'un appareil dont le raccordement est prévu via des gaines de distribution vers différentes grilles de pulsion. Cela améliore le confort (meilleure diffusion de l'air, diminution du bruit, ...) mais il faut que le ventilo reste facilement accessible pour la maintenance (ouverture prévue par le dessous).
Quelques détails technologiques
> Vannes
La batterie d'échange air-eau à tubes ailettés est encadrées par deux vannes d'isolement et une vanne de réglage du débit d'eau. Cette vanne est commandée par un thermostat dont le bulbe est situé dans la prise d'air.
> Ventilateurs
La ventilation est assurée par une ou deux turbines, centrifuge ou tangentielle, de 40 à 50 Pa de pression totale, généralement à 3 vitesses (avec un sélecteur accessible à l'utilisateur... qui le positionne souvent en première vitesse pour limiter le bruit !). La puissance demandée est généralement de l'ordre de 80 à 125 W, suivant les modèles.
> Condensats
Le bac de récupération des condensats sera raccordé au réseau d'évacuation. Dans le cas où le ventilo est accroché au plafond, cette évacuation n'est pas toujours aisée. On aura parfois recours à une petite pompe de relevage des eaux de condensat.
> Habillage
L'habillage est constitué en acier galvanisé, généralement recouvert intérieurement de laine de verre ou de mousse polyuréthane pour des raisons thermiques et acoustiques. Mais il arrive que pour des raisons esthétiques, la carcasse du ventilo soit intégré dans la structure décorative du local ou dans une armoire et dans ce cas, seules les grilles restent visibles.
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Variante : le Module de Traitement d'Air (MTA) |
Il s'agit d'une variante côté "émission" : les ventilos sont remplacés par de petits caissons de préparation, disposés en batterie dans le local technique.
Au départ, il s'agit de la réponse d'un constructeur à un promoteur immobilier qui lui demandait : "faites-moi un système simple, modulable, facile à entretenir".
Ce caisson comprend
- une batterie chaude (à eau ou électrique),
- une batterie à eau glacée,
- une prise d'air neuf,
- un filtre de classe F5,
- un ventilateur centrifuge,
- un régulateur pouvant communiquer avec une centrale de régulation (GTC),
- un départ pour le soufflage,
- un retour pour la reprise.
Ces caissons sont prolongés par des gaines pour alimenter les diffuseurs d'air dans les locaux (ces diffuseurs assurent aussi bien la pulsion que la reprise).
Ils sont eux-mêmes les extrémités d'une gigantesque pieuvre qui les nourrit
- en air neuf prétraité,
- en eau glacée,
- éventuellement en eau chaude.
Tout a été prévu pour diminuer la main d'oeuvre : préindustrialisation des supports, raccordement par flexible,... Chaque équipement défaillant est rapidement démonté et remplacé.
La régulation est particulièrement performante (dans la version "full options" !)
- action sur l'ouverture des vannes, à basse vitesse,
- puis action sur le ventilateur s'il faut augmenter les puissances (périodes de relance, par exemple),
- pilotage possible de l'éclairage et des stores extérieurs,
- possibilité de fonctionner en tout air neuf (free-cooling de nuit, par exemple)
Chaque module de 25 à 50 m2 dispose de son propre caisson, et peut donc définir ses propres conditions de confort.
Le principe de fonctionnement est donc fort proche de celui des ventilo-convecteurs. Mais en plus, il apporte une flexibilité totale s'adaptant très bien aux bâtiments modulaires dont on voudrait pouvoir modifier les cloisons (immeubles de bureaux, chambres d'hôtel,...).
Le coût d'installation fort élevé est sans doute un inconvénient du système ...
Variante : le système modulaire à eau glacée ou "Hydrosplit" |
Il s'agit d'une variante côté "production" et "distribution".
Cette technique, encore appelée "hydrosplit", est un système modulaire, préfabriqué, pour ventilos 2 tubes - 2 fils (sans être exhaustif, et à titre d'information, on range dans cette catégorie "l'Hydroflow" de Carrier, "l'Aquajet" de Technibel, "l'Aquastream" de Trane, ....).
Est vendu "en kit"
- un groupe d'eau glacée,
- un module hydraulique de distribution primaire,
- des modules hydrauliques de distribution secondaire,
- sur lesquels viennent se greffer des ventilos 2 tubes - 2 fils.
- Groupe frigorique généralement disposé en toiture.
- Circulateur de la boucle primaire .
- Capacité tampon, dimensionnée pour absorber les besoins frigorifiques durant 5 à 10 minutes
(le compresseur est équipé d'un anti-court cycle qui interdit le démarrage du compresseur durant 5 à 10 minutes). - Circulateur secondaire.
- Clapet anti-retour.
- Unité terminale de traitement d'air (ventilo-convecteur).
- Module hydraulique secondaire. **
- Module de bypass qui permet une irrigation permanente de la boucle.
*par exemple, chez un fabricant, la boucle primaire peut présenter 50 m. de dénivellation verticale et 100 m. d'éloignement.
**par exemple, chez un fabricant, il peut y avoir jusqu'à 9 modules de distribution secondaire, auxquels on peut raccorder 8 ventilos chacun, soit un total de 72 ventilos dans le bâtiment.
L'objectif commercial est de faire baisser les prix par cette standardisation du produit, et d'ouvrir le marché de la climatisation aux chauffagistes qui n'ont plus qu'à assembler le mécano !
Pourquoi pas... mais ce système entraîne un chauffage électrique direct, peu écologique et d'un coût d'exploitation fort élevé ! Il faut s'assurer que les besoins de chauffage seront tout à fait occasionnels.
Certains systèmes sont greffés sur une installation frigorifique réversible, d'autres présentent l'avantage de pouvoir lui raccorder également une distribution d'eau chaude (pour réaliser du "2 tubes" ordinaire). cela peut constituer alors une solution intéressante en rénovation, puisqu'il y a récupération de la chaudière existante.
Domaine d'application |
On rencontre le ventilo-convecteur comme émetteur :
- Dans les installations de climatisation devant assurer à la fois des besoins de chaleur en hiver et des besoins de refroidissement en été; ainsi, on les rencontre classiquement en allège de fenêtre des locaux, pour casser le froid du vitrage en hiver et compenser les apports solaires importants en été dans les bureaux, les commerces, les restaurants, les salles informatiques, les chambres d'hôtel,...
- Dans les installations de chauffage pour lesquelles on souhaite une relance très rapide; une salle des fêtes, une salle de conférence, ... dont le chauffage est intermittent, seront utilement équipés de ventilo-convecteurs.
- Dans les installations de chauffage irriguées par de l'eau à basse température; les circuits raccordés à une source géothermale, à une pompe à chaleur, à un capteur d'énergie solaire,... sont valorisés par les ventilo-convecteurs qui augmentent la puissance de l'échange.
On rencontre plus particulièrement le ventilo-convecteur "4 tubes"dans les bâtiments dont les besoins simultanés sont différents d'un local à l'autre : une cafetaria, un local informatique, des bureaux, des salles d'archives,... et le tout sur une même façade !
Le ventilo "2 tubes - 2 fils" est une solution qui peut à la limite convenir lorsque le bâtiment est neuf et particulièrement bien isolé. Les apports internes (éclairage, bureautique, personnel,...) sont tels que le chauffage ne doit être enclenché qu'en période de gel, par exemple. Mais il sera utile de demander au bureau d'études une évaluation précise des coûts d'exploitation prévus pour le bâtiment...
C'est souvent la solution choisie par les promoteurs : le prix de revient du bâtiment est moindre. Quand à l'exploitation, ce n'est plus leur affaire ... !
Schémas d'installation et régulation des ventilos 2 tubes |
Deux systèmes s'entrecroisent au niveau de l'échangeur
- le circuit d'eau (transfert thermique de la production vers l'émetteur),
- le circuit d'air (transfert thermique de l'émetteur vers la pièce).
et les régulations de ces deux systèmes sont distinctes.
Sur ce schéma de base, on distingue 2 régulations :
1. Une vision de la régulation locale de chaque ventilo-convecteur
- avec vanne 3 voies,
- avec vanne 2 voies et régulateur de pression différentielle,
- avec vanne 2 voies et circulateur à vitesse variable.
2. Une régulation de l'alimentation eau chaude/eau glacée des ventilo-convecteurs
- chaud ou froid + commutation été/hiver,
- chaud ou froid par une machine frigorifique réversible,
- chaud et froid simultanément + distribution par zone,
- chaud et froid simultanément + distribution par zone + circulateur de zone.
Schémas d'installation et régulation des ventilos 4 tubes |
Trois systèmes s'entrecroisent au niveau de l'échangeur
- le circuit d'eau glacée,
- le circuit d'eau chaude,
- le circuit d'air (transfert de l'émetteur vers la pièce).
et les régulations de ces systèmes sont distinctes.
Sur ce schéma de base, on distingue dès lors 2 régulations :
1. Une régulation locale de chaque ventilo-convecteur :
- avec vanne 3 voies,
- avec vanne 2 voies et régulateur de pression différentielle,
- avec vanne 2 voies et circulateur à vitesse variable.
. Une régulation de l'alimentation eau chaude/eau glacée es ventilo-convecteurs
- production de chaud et froid distinctes,
- production combinée de chaud et froid, via une machine frigorifique avec récupération de chaleur au condenseur.
Schéma d'installation et régulation des ventilos "2 tubes - 2 fils" |
Le schéma d'installation des ventilos "2 tubes - 2 fils" est simple : hydrauliquement, seul le réseau d'eau glacée est réalisé.
La résistance d'appoint électrique est, soit commandée en tout ou rien, soit soumise à une régulation progressive (régulation chrono-proportionnelle).
Les schémas de régulation sont simples puisque les productions de chaud et de froid sont indépendantes. L'équipement frigorifique peut être complété par un stockage de glace.
Avantages |
- La possibilité de faire du chaud et du froid avec le même appareil, et avec une puissance élevée.
- Un prix de revient raisonnable suite aux faibles surfaces des échangeurs à débit d'air forcé, et au faible coût de pose, (à noter que le prix de l'appareil dépend peu de la taille de l'échangeur et qu'il est donc possible de le surdimensionner au départ pour tenir compte d'un éventuel accroissement des charges futures).
- Une intégration aisée en rénovation puisque seules des tuyauteries d'eau sont à placer, en dehors de la gaine de débit d'air neuf.
- Un placement aisé en allège lorsque les hauteurs sous plafond ne permettent pas l'intégration d'un faux plafond.
- La possibilité de placer le ventilo en hauteur et de libérer la place au sol.
- Une facilité de régulation, local par local, et donc un bon confort pour les utilisateurs.
- Une régulation souple puisque réalisée tant via le débit d'eau que le débit d'air.
- Un mode de régulation très accessible par les utilisateurs.
- Une liaison possible des différents appareils par bus de communication, ce qui permet une régulation globale de qualité par GTC.
- Une efficacité du transport thermique par eau.
- Un arrêt possible de l'équipement, localement.
- Une intégration possible dune prise d'air neuf à l'arrière de l'équipement.
- Une fiabilité de l'appareil (qui constitue un grand classique de la climatisation) et donc une longue durée de vie; ce n'est pas la Rolls de la clim, ... mais une bonne Peugeot, quoi !
Avantages spécifiques au système à quatre tubes :
- La souplesse d'utilisation est totale puisque chaque ventilo est autonome : un local peut être refroidi lorsque son voisin est chauffé...
- La possibilité de récupérer la chaleur extraite dans un local pour la fournir au local en demande.
- Plus de circuits de zones, de vannes de commutation, ... la régulation est plus simple et le service de maintenance ne s'en plaindra pas !
Avantages spécifiques au système à deux tubes - 2 fils :
- Très économique à l'installation et très souple à la régulation.
Inconvénients |
- Lorsqu'un appareil de mauvaise qualité est installé (sous-dimensionnement des échangeurs, vitesse élevée du ventilateur, ...), le bruit sera l'élément le plus négatif de cet équipement. Le niveau sonore peut être compris entre 35 et 65 dB, selon la qualité constructive, la vitesse du ventilateur et l'âge de l'équipement.
- L'hygrométrie n'est pas contrôlée dans les locaux, ce qui peut poser problème d'un air trop sec en hiver.
- La difficulté d'assurer un confort thermique correct est réelle, notamment sans courants d'air dans la zone de travail,...
- Curieusement, la facilité de fabrication et de pose peut devenir un inconvénient, surtout en marché public où le prix constitue le critère de sélection : la qualité des ventilos fournis et la qualité de l'installation est très variable !
- Le ventilo dont une prise d'air est réalisée en façade est une solution peu adaptée aux critères de confort actuel ! Ses performances thermique et acoustique sont faibles. Sans oublier le risque de gel...
Inconvénients spécifiques au système à deux tubes :
- Les besoins doivent être similaires dans les différents locaux dune même zone; autrement dit, le nombre de zones doit être suffisamment élevé, si on ne souhaite pas de conflits en mi-saison pour le passage du chaud au froid !
Inconvénients spécifiques au système à quatre tubes :
- Le coût d'intallation est plus élevé puisque les ventilos contiennent deux échangeurs, les circuits sont dédoublés, de même que le nombre de vannes, de circulateurs,...
- L'encombrement est également plus important (ventilos plus volumineux et gaines techniques plus larges).
- Durant toute une partie de l'année, il faut maintenir en fonctionnement les deux réseaux; les pertes énergétiques de ces réseau ne sont pas négligeables...
Inconvénients spécifiques au système à deux tubes - 2 fils :
- Le coût d'exploitation est certainement le point noir de ce système...
Coût |
Investissement
 | Quelques ordres de grandeur :
Il est clair que confort et coût évoluent de pair, l'augmentation de prix étant liée à l'importance des équipements de régulation, des vannes,... |
Exploitation
Les contrats annuels de maintenance oscillent entre 3 et 4,5 €/m², selon la surface totale.
Les coûts d'exploitation varient bien entendu en fonction des charges saisonnières à vaincre. C'est surtout l'été qui pose problème : beaucoup ou peu d'apports internes des équipements, d'apports solaires par les fenêtres, ...? Seule une simulation informatique pourrait être précise en la matière.
Dans l'étude de cas qui compare plafonds froids et ventilos, il a été choisi de prendre une consommation d'été équivalente à 1 000 heures de fonctionnement à puissance nominale. Ce à quoi il faut ajouter la consommation des ventilateurs et des pompes de ciculation d'eau glacée.
La durée moyenne de vie Dun ventilo-convecteur de bonne marque est de 35 000 à 45 000 h de fonctionnement.
Sur base de + 2 000 h/an, ceci représente 17,5 à 20 ans de durée de vie.
La période de remplacement des ventilo-convecteurs s'échelonne sur 4 à 5 ans à partir de la 15ème année de fonctionnement. Des remplacements peuvent déjà être nécessaires dès la 10ème année.
Un ensemble moto-ventilateur à remplacer coûte environ 225 €/pièce; la main d'oeuvre pour cette tâche représente + 32,5 €/V.C