Cours_Batiment_MPons..

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Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Énergétique du bâtiment :
Ventilation
et quelques équipements
M. Pons
CNRS-LIMSI , Rue J. von Neumann,
BP133, 91403 Orsay Cedex
htpp://perso.limsi.fr/mpons
Master 2 DFE
1
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 :
--
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
Master 2 DFE
3
1
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 = températures
interne et externe (Ti>Te). La différence de
pression motrice pour le tirage s’exprime par
la formule simplifiée : dP  0,041.H.(Ti-Te).
* Expliquer pourquoi.
* App.Num. : Ti = 22°C, Te = 0°C, quels dP
pour 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 bâtiment
Pv  C (0.5  V 2 )
La surpression Pv due au vent suit la loi :
[=densité de l’air ; V=vitesse du vent à hauteur
de référence (10m) ; C=Coefficient de pression qui dépend de la
direction du vent, de la forme du bâtiment et de la position considérée].
Coefficient C très phénoménologique,
très dépendant des circonstances,
est-il fiable ?
-8 Pa
4 m.s-1
+5 Pa
-4 Pa
-6 Pa
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2
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 :
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
CCH
Art
R1119
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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).
• Consommations
d’énergie ?
• Nuisance ?
VMC simple flux
Source : Fédération
Française du Bâtiment &
EDF. COSTIC
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3
Pertes de Charge
• Sommation sur les pertes de charge en
série sur tronçons où vitesse constante :
• Avec  : Coefficient de perte de charge
Ptot   i (0.5  Vi 2 )
i
entre deux points du réseau,
Dh  4  A / 
 soit linéiques (conduits) : lin   ( L / Dh )
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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Pertes de charge linéiques
• Écoulement laminaire (Re < 2000) :  = k.64/Re ;
 k pour tubes
a/b
1
0,8
0,6
0,4
0,2
rectangulaires (a/b)
k
0,89
0,90
0,94
1,02
1,20
0,1
0
1,34
1,50
• Écoulement turbulent (Re > 4000) :
 Si rugosité nulle :   (1.8  log10 Re  1.64) 2
 Si rugosité  :   [ a  b.log ( Re.  )  c.log ( / D )]2
h
10
10
Re.  . / Dh
a
b
c
3,6 – 10
-0,80
2,00
0
10 – 20
0,07
1,13
-0,87
-2,00
20 – 40
1,54
0,00
40 – 190
2,47
-0,59
-2,59
> 190
1,14
0
-2,00
Quelques exemples de rugosité 
Tôle : 50 – 160 µm
Fibre de verre : 90 – 450 µm
Plastique, PVC : 10 – 50 µm
Maçonnerie ordinaire : 95 - 190 µm
Master 2 DFE
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Pertes de charge singulières - 1
• Coudes :  = 0,5 pour 90° ;  = 0,3 pour 45°.
• Changements de section :
2 2
 Élargissement brusque D3 -> D2 :   [1  ( D3 / D2 ) ]
 Rétrécissement brusque D2 -> D3 :   0.5  [1  ( D3 / D2 ) 2 ]
• Piquages à 90°
D1/D2 = 0,3
Soufflage
Reprise
D1/D2 = 0,7
Q1/Q2

Q1/Q2

0,1
1,5
0,4
1,32
0,2
2,4
0,8
1,95
2
0,1
0,62
0,4
0,71
3
0,2
4,66
0,8
2,69
1
3
2
1
Master 2 DFE
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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 documentations
Par 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, …
Master 2 DFE
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5
Marche à suivre
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 points intermédiaires
si plusieurs vitesses
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
Dimensionnement des réseaux aérauliques
Master 2 DFE
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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 ?
Master 2 DFE
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6
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 correspondelle ?
• 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 ?
Master 2 DFE
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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) :
•
Niveau NR
V dans conduits
principaux
V dans conduits
secondaires
V dans conduits
terminaux
20
4,5
3,5
2,0
25
5,0
4,5
2,5
30
6,5
5,5
3,25
• Conduits terminaux : raccordement aux bouches.
NR 30 approximativement équivalent à 35 dB(A).
Master 2 DFE
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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.
Master 2 DFE
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Principes
•
Source AICVF
Master 2 DFE
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8
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.
VMC double flux
Source : Fédération Française du
Bâtiment & EDF. COSTIC
Master 2 DFE
19
9
Principe
•
Source AICVF
Master 2 DFE
20
Exemple en habitat collectif
• A
Master 2 DFE
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10
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
Master 2 DFE
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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.
VMC double flux
Source : Fédération Française du
Bâtiment & EDF. COSTIC
• Préchauffage en hiver,
et
prérafraîchissement
en été
Master 2 DFE
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11
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.
Master 2 DFE
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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.
CHAUFFAGE
Air réchauffé
Air froid
Air refroidi
Air chaud
REFROIDISSEMENT
Master 2 DFE
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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.
 exp(C.NUT 0.78 )  1 

• Q_1 : Quelle est la puissance

C.NUT 0.22


thermique effectivement récupérée ?
m .c p
Quelle valeur de UA [ou hS, en W.K-1]
min
UA
C
NUT 
• Q_2 : Pour la même valeur de UA,
m .c p
m .c p
max
quelle efficacité lorsque le débit passe
 cross  1  exp 


m3.h-1
à sa valeur maximale 210
Quelle puissance récupérée ?



?
min
Master 2 DFE
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Quelques données thermophysiques [en USI]
pour les conditions standard (25°C, 1,013×105 Pa)
Conductivité
k
Chaleur
spécifique cp
Masse
volumique 
Viscosité
dynamique 
Air
0,026
1006
1,18
18,2 x 10-6
Eau (liq.)
0,6
4180
1000
903 x 10-6
273  111  T 
• Viscosité dynamique de l’air :
  17.1  106 


(formule de Sutherland)
T  111  273 
2/3
[kg.m-1.s-1 ]
Quelques sites web utiles :
www.aicvf.org/ - www.ffie.fr/ - www.uecf.fr/
Master 2 DFE
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