 Principe de fonctionnement |
Pourquoi une variation du débit ?
Situons-nous en été. Comment répondre aux variations de charge d'un local ? Que se passe-t-il lorsque le soleil perce enfin l'épaisse couche nuageuse et fait monter la température ?
Un système de conditionnement d'air "classique" délivre un air plus froid (de 20°, l'air passe à 16°C, par exemple). Le débit d'air pulsé reste le même, mais la température diminue. On parle alors de "système à débit d'air constant".
Une alternative consiste à garder la température constante tout l'été (16°C par exemple) mais à augmenter le débit d'air pulsé. On parle de "système à Débit d'Air Variable". DAV disent les Français, VAV disent les anglophones (que l'on traduit en Volume d'Air Variable).
Dans un système "tout air-VAV", le débit d'air varie donc entre le minimum hygiénique pour les occupants et le maximum nécessaire pour reprendre toutes les charges du local (soleil, bureautique, personnes,...).
En pratique, le débit varie entre 30 et 100 % du débit nominal. La variation de débit est faite en agissant :
- soit sur un volet motorisé,
- soit directement sur les bouches de soufflage (conçues pour le débit variable).
Qui dit variation de débit, dit perturbation de la pression du réseau...
Si les bouches se ferment, la pression de gaine va augmente. Toute la distribution de l'air en sera perturbée. Dès lors, on modulera la vitesse des ventilateurs pour maintenir une pression de gaine constante. Et par la même occasion, la consommation des ventilateurs en sera diminuée (voir aussi "la gestion de la ventilation à la demande").
Si la température est constante (16° par exemple), comment chauffer en hiver ?
Si l'installation doit aussi chauffer les locaux en hiver, le problème se complique !
On rencontre alors les variantes :
- monogaine
- avec chauffage par radiateurs indépendants
- avec chauffage par batterie terminale
- double gaine (une d'air froid et une d'air chaud)
- avec chauffage par radiateurs indépendants
- avec chauffage par batterie terminale
- double gaine (une d'air froid et une d'air chaud)
Quel intérêt majeur par rapport aux systèmes à débit constant ?
Lorsque l'on sait que le coût du transport de l'air représente de 20 à 40 % du coût d'exploitation, le débit d'air variable se justifie certainement.
Encore faut-il que la réduction du débit d'air dans les locaux entraîne effectivement la réduction de la consommation du(es) ventilateur(s) ! Ainsi, certains systèmes créent un by-pass dans le faux plafond : lorsque le débit pulsé diminue, l'air non utilisé est renvoyé en centrale...
Une installation VAV est particulièrement bien placée pour une utilisation optimale des énergies gratuites :
- En hiver, de l'air frais extérieur peut alimenter les zones à rafraîchir sans nécessiter l'enclenchement des groupes frigorifiques.
- En été, une ventilation nocturne peut décharger le bâtiment de la chaleur accumulée en journée.
Remarque : pour diminuer les sections de gaine, il est possible de distribuer l'air sous haute pression, à des vitesses variant entre 5 et 15 m/s.
Différentes variantes technologiques |
On distingue différentes variantes technologiques :
Les systèmes VAV mono gaine sans réchauffage terminal
On ne pulse que de l'air froid en été (entre 12 et 18°C) et de l'air chaud en hiver (entre 25 et 40°C). L'air est préparé en centrale et chaque local régule le débit d'air juste nécessaire en fonction de la température souhaitée, avec un débit minimum ajusté au débit d'air hygiénique.
Le plus simple est d'avoir une consigne fixe pour chaque saison et le passage d'une consigne à l'autre est réalisé par un thermostat extérieur : il y a basculement pour une température extérieure de +15°C, par exemple.
Les systèmes VAV mono gaine avec réchauffage terminal
L'idée est de prévoir un circuit d'air froid pour tous les locaux, à débit variable, complété par des batteries de chauffe pour les locaux périphériques.
Trois principes sont possibles :
> 1° soit l'apport de chaleur est réalisé par des corps de chauffe traditionnels (radiateurs, convecteurs).
Généralement, ces corps de chauffe sont placés en périphérie du bâtiment, le long des façades, pour vaincre les déperditions par les parois. Le système VAV assure la ventilation hygiénique toute l'année, refroidit le coeur du bâtiment en hiver et refroidit tout le bâtiment en été.
> 2° soit les batteries de chauffe sont placées en série sur la gaine d'air.
Une régulation spécifique est nécessaire :
Par exemple, si la sonde d'ambiance détecte une température inférieure à 21°C, la vanne de chaud est ouverte à 100 % et le débit d'air est réduit au seuil minimal hygiénique. Lorsque la température intérieure approche de 23°, la vanne chaud se ferme progressivement. Lorsque la température dépasse 23°, la vanne chaud est fermée et le débit d'air frais augmente progressivement jusqu'à atteindre le débit maximal à 24°C. Ici encore, l'insertion d'une zone neutre entre chaud et froid sera énergétiquement préférable.
En pratique, la batterie de chauffe est souvent intégrée dans la boîte de détente. Elle est alimentée en eau chaude, ou remplacée par une résistance électrique.
> 3° soit les batteries sont placées en parallèle par rapport au local :
La régulation est complétée par l'enclenchement du ventilateur d'air recyclé lorsque le chauffage est enclenché :
Chaque batterie chaude voit son débit modulé en fonction du thermostat d'ambiance de la zone qu'elle alimente.
Avantages |
- Lors de la conception, un grand avantage du système à débit d'air variable est de pouvoir diminuer les dimensions de la centrale de traitement. Comparons les systèmes :
- Avec un système à débit d'air constant, chaque zone sera dimensionnée avec un débit d'air permettant de répondre à la charge frigorifique extrême; dans le caisson de traitement d'air central, on devra traiter (en permanence !) le total des débits maximaux de toutes les zones !
- Par contre, avec le système VAV, on va tenir compte du fait que le soleil tourne autour du bâtiment et que la charge maximale de la zone Ouest survient lorsque la zone Est est à faible demande; la centrale de préparation sera dimensionnée sur base du cumul instantané possible entre toutes les zones,... ce qui est déjà nettement plus raisonnable !
- L'avantage énergétique suit directement : pourquoi pulser en permanence le débit maximal dans chaque zone ? Tout particulièrement en mi-saison, pourquoi pulser un maximum d'air à une température "neutre" (20°C) alors les besoins sont nuls (la température ambiante est dans la zone neutre) ? La force du VAV est de réduire la vitesse du ventilateur à ce moment et de ne pulser que le débit d'air hygiénique. La consommation du ventilateur (proportionnelle au cube du débit d'air pulsé) est fortement réduite. Il en résulte une économie du coût d'exploitation (par rapport à un système à débit constant de même puissance). Le chiffre de 20 % d'économie thermique et électrique (ventilateur) est couramment cité, entre un VAV simple (sans réchauffage terminal) et un système unizone à débit constant.
- L'avantage acoustique lui est lié encore : la grande vitesse (et donc les niveaux sonores les plus élevés) est réservée aux charges extrêmes. Ce qui est particulièrement apprécié par les occupants.
- Par rapport aux installations de type "air-eau" (ventilo-convecteurs,...), le VAV permet également de réaliser du free-cooling des bâtiments en hiver et en mi-saison : l'air extérieur vient directement refroidir le bâtiment, sans participation du groupe frigorifique.
Inconvénients |
- Le réglage d'un débit d'air est moins aisé que le réglage d'une température. Il semble que sur le terrain la mise au point d'une installation VAV donne parfois quelques cheveux blancs ! Tout particulièrement, le réglage des registres d'air neuf paraît délicat.
- Le coût d'installation reste élevé, au moins par rapport à une installation de ventilos-convecteurs.
- L'encombrement n'est pas négligeable, comme pour toutes les installations "tout air". Les gaines dans chaque zone sont dimensionnées pour transporter le débit maximum, correspondant à la charge extrême de l'été...
- L'air extérieur gratuit de l'hiver doit être préchauffé dès que sa température devient inférieure à la température de pulsion. Et ce chauffage finit par coûter fort cher. Un recyclage de l'air extrait permet de supprimer ce budget mais n'est pas toujours souhaité pour des raisons hygiéniques. Un récupérateur de chaleur lui est préféré, mais il suppose d'en faire l'investissement.
Coût |
Avec un prix compris entre 137,5 et 212,5 €/m², l'installation VAV est plutôt plus chère qu'une installation par ventilos-convecteurs. Elle devrait être moins chère qu'une installation à débit constant suite à la taille plus réduite du caisson de préparation en centrale, mais le coût de la régulation en est nettement plus élevé.
Domaine d'application |
Le VAV est un système de climatisation "tout air". Cela veut dire que les gaines sont dimensionnées pour pouvoir refroidir tout le bâtiment avec de l'air. Un tel système est encombrant et coûteux. Il ne justifie que lorsqu'une alimentation en air hygiénique importante est nécessaire, donc une présence nombreuse d'occupants.
Si de plus cette présence est variable dans le temps, si les charges thermiques sont variables, il sera opportun de pouvoir moduler le débit : c'est l'objet du VAV.
Le VAV simple (sans réchauffage terminal) peut répondre à des besoins de zones très variables,... mais pas opposées !
On rencontre tout particulièrement le VAV dans les grands bureaux paysagers, ou dans les larges plateformes avec locaux de réunion, salles de conférences au centre du bâtiment : un apport d'air neuf est nécessaire en permanence. De plus, le refroidissement du centre du bâtiment est nécessaire toute l'année. Du free-cooling est alors possible et permet d'éviter d'enclencher les groupes frigorifiques en hiver, voire en mi-saison. Les coûts d'exploitation en seront fortement réduits.
A la limite, c'est le concepteur qui devra organiser la fonction des locaux pour créer des zones thermiquement homogènes.
Les installations VAV "à bypass" (l'air non utilisé est renvoyé en centrale) sont à rejeter puisque le traitement de l'air reste total. On peut juste l'admettre dans le cas d'une grande zone à débit d'air constant (une grande usine) à côté de laquelle sont situés quelques locaux (les bureaux à coté de l'usine). Dans ce cas, un VAV à bypass sur l'alimentation des bureaux est compréhensible.