Poutres climatiques avec facteur k variable - une option pour les systèmes CAV et VAV

Il est essentiel de garantir une bonne qualité de l'air, sans pour autant générer de bruits ni causer d'inconfort en raison d’une vélocité importante de l'air, de variations de température ou de rayonnement inégal. Le défi consiste à concevoir une solution CVC répondant aux exigences de la qualité de l'environnement intérieur, de la consommation énergétique, de l'investissement et du coût du cycle de vie. Les options sont nombreuses, et ce blog se concentre sur le choix d'un terminal qui peut fournir une bonne qualité de l'air et un confort thermique de manière très économe en énergie : les poutres climatiques.

Pour garantir une bonne qualité de l'air, il est nécessaire d'éliminer les polluants, ce qui est réalisé par la ventilation. Afin de concevoir un système économe en énergie, il est avantageux d'utiliser la ventilation mécanique, qui permet de récupérer de l'énergie à partir de l'air extrait.

La ventilation peut également assurer un refroidissement confortable en fournissant de l'air primaire à une température plus basse que celle de la pièce. Dans les situations où l'air extérieur est plus froid que la température ambiante, cela devient très économe en énergie (refroidissement gratuit). Cependant, il existe en pratique une limite à la quantité de refroidissement qu'un système de ventilation peut fournir.

Pour augmenter la capacité de refroidissement et dissocier le contrôle de la qualité de l'air et du confort thermique, le système de ventilation peut être accompagné d'un système à induction par eau pour le chauffage et le refroidissement.

Quelles sont les options ?

Normalement, le chauffage est assuré par un système hydronique, tel que les ventilo-convecteurs, le chauffage au sol ou les radiateurs lorsque l'air est utilisé pour gérer la qualité de l'air intérieur et le refroidissement. Mais une autre option consiste à gérer à la fois le refroidissement et le chauffage grâce à un circuit d'eau. Cela peut se faire grâce à des plafonds rayonnants ou les poutres climatiques par exemple.

Grâce aux dernières avancées des poutres climatiques, une solution hybride d'air et d'eau a fait son apparition sur le marché. En ajoutant des systèmes de contrôle ingénieux à une telle solution, il est possible de tirer parti des avantages à la fois de l'air et de l'eau, à savoir le refroidissement gratuit et des capacités de refroidissement/chauffage plus importantes.

Solutions CAV

Normalement, une solution de poutres climatiques actives est conçue pour fonctionner avec des volumes d'air constants (CAV). Le débit d'air primaire est alors conçu pour gérer les charges thermiques latentes et éliminer les impuretés afin d'assurer une bonne qualité de l'air intérieur. Les poutres climatiques actives traditionnelles sont conçues avec des buses de taille fixe, ce qui donne un facteur k fixe. Pour fournir différents débits d'air primaire, la taille et/ou le nombre de buses doivent être modifiés. Mais cela signifie que si l'utilisation d'un espace est modifiée pendant la phase de conception ou dans le cadre d'un projet de rénovation, les produits doivent être remplacés pour garantir la fourniture de la bonne quantité d'air frais en fonction de la nouvelle utilisation de la pièce.

Néanmoins, grâce aux dernières avancées, au lieu d’utiliser les buses pour contrôler le débit d’air, on utilise des ouvertures dans la chambre de pression dont leur taille peut être ajustée. En conséquence, le facteur k n’est plus une valeur fixe, mais peut varier. On modifie la quantité d’air fournie en ajustant le facteur k, ce qui est beaucoup plus simple que de remplacer entièrement le produit.

Solutions VAV avec poutres climatiques actives

Dans les cas où il est souhaitable d'utiliser une poutre climatique active traditionnelle dans des conditions de volume d'air variable (VAV), un régulateur de débit d'air est installé devant l'unité pour modifier la pression dans la gaine en amont de l’unité terminale. Cependant, la relation entre la pression dans la gaine et le débit d'air n'est pas linéaire, elle suit plutôt une relation quadratique, ce qui signifie que lorsque le débit d'air est réduit de 50 %, la pression dans la gaine doit être réduite à seulement 25 % de la pression nominale.

À des débits d'air primaire faibles, la pression dans la gaine devient très faible et la vitesse à laquelle l'air entre dans la pièce est également faible. Il existe alors un risque que l'effet Coandă ne soit pas maintenu, pouvant provoquer des courants d'air. Ainsi, la plage réaliste dans laquelle le débit d'air d'alimentation peut être réduit est quelque peu limitée. Il y existe aussi des limites pour augmenter les débits d'air car augmenter le débit d'air implique que la pression dans la gaine doit être augmentée aussi. Le doublement du débit d'air primaire entraîne un quadruplement de la pression dans la gaine. Cela est peu recommandé car surgiront alors des nuisances acoustiques du fait de la vitesse de l'air.

En résumé, les poutres climatiques traditionnelles possédant des buses fixes peuvent être utilisées dans des conditions VAV, mais dans une plage limitée de débit d'air primaire.

Un autre inconvénient de la modulation de la pression dans la gaine est que le rapport d'induction est plus ou moins constant avec un facteur k fixe (le rapport d'induction se réfère à la quantité d'air de la pièce qui est entraînée ou aspirée par le système de ventilation). Cela signifie que lorsque le débit d'air primaire est réduit, la quantité d'air de la pièce qui est aspirée diminue proportionnellement, et par conséquent, la capacité de chauffage/refroidissement disponible côté eau est considérablement réduite.

Facteur k variable pour les solutions VAV

Les poutres climatiques modernes avec des tailles de buses variables peuvent fonctionner à différents débits d'air primaire tout en maintenant la pression dans la gaine de manière constante. À mesure que le débit d'air primaire est réduit, la taille des ouvertures dans la chambre de pression est également réduite, tout comme le facteur k. Cela se traduit par un taux d'induction accru. En pratique, cela signifie que la quantité d'air induit n'est pas réduite linéairement avec le débit d'air primaire. Cela permet d'obtenir des taux d'induction élevés et de bonnes capacités de refroidissement/chauffage même à de faibles débits d'air. La pression dans la gaine étant maintenue, cela a pour effet de maintenir la vitesse de l'air d'alimentation à un niveau qui permet de garantir l'effet Coandă. De plus, il est possible d'augmenter les débits d'air primaire sans augmenter la pression dans la gaine, ce qui signifie qu'un seul produit peut fournir une large gamme de débits d'air primaire.

Le taux d'induction peut varier en fonction de la conception du système de ventilation et de la manière dont le débit d'air primaire est modulé. Si le facteur "k" est variable et que la taille de l'ouverture diminue à mesure que le débit d'air est réduit, le taux d'induction augmente. En revanche, si vous utilisez une poutre avec une buse fixe et vous modulez le débit d'air primaire en amont, le taux d'induction reste relativement constant.

Stratégies de contrôle compte tenu de la large plage de fonctionnement du produit

Les poutres climatiques avec des facteurs k variables peuvent être exploitées comme décrit ci-dessus sur une large plage de débits d'air primaire, ce qui permet de considérer différentes stratégies de contrôle.

En cas de changement de la température de consigne dans une pièce, plusieurs paramètres peuvent être modifiés pour ajuster la quantité de refroidissement/chauffage fournie à la pièce. Le débit d'air primaire et la température, ainsi que la quantité et la température de l'eau circulant dans la batterie d'une poutre climatique, peuvent être ajustés pour contrôler la quantité de chauffage/refroidissement fournie à une pièce. Le meilleur choix dépendra de la situation et de la conception du système. S'il fait froid et sec dehors, il pourrait être avantageux d'augmenter le débit d'air lorsqu'il est nécessaire d'augmenter la quantité de refroidissement. À un autre moment, les conditions pourraient être différentes, et il serait plus efficace d'augmenter le débit d'eau plutôt que le débit d'air.

Étant donné que les poutres climatiques dépendent de l'induction de l'air ambiant pour générer un écoulement à travers la batterie, l'air primaire est toujours mélangé avec l'air ambiant, qui peut être refroidi, chauffé ou, en cas de fermeture des vannes d'eau, non affecté par la batterie. En suivant ce raisonnement, une poutre climatique fonctionne avec une température d'air primaire plus basse que la plupart des diffuseurs, sans créer de problème de courants d'air. On peut donc fournir davantage de refroidissement via l'air ou réduire les débits d'air primaire nécessaires pour fournir une quantité modérée de refroidissement, rendant l'utilisation du freecooling encore plus efficace.

Les poutres climatiques actives avec facteur k variable ou les poutres VAV peuvent être considérées comme une solution hybride qui, combinée à un contrôle astucieux, capture les avantages des solutions climatiques à la fois aérauliques et hydroniques.

Chez Swegon, nous proposons tous types de solutions, avec différentes types de contrôle et de fonctionnalités, tant au niveau de la pièce qu'au niveau du système. N'hésitez pas à nous contacter, nous serions heureux de vous aider à trouver une solution adaptée à votre prochain projet.

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