Le chauffage et le refroidissement via les centrales d'air
LES POSSIBILITES
Le refroidissement en centrales d'air n'est pas toujours évident. Si le besoin de refroidissement est trop important, ou s'il y a par zone une demande trop différente de refroidissement, on n'intègre pas le système de refroidissement dans la centrale d'air. Si tel n'est pas le cas, le refroidissement en centrales d'air est recommandé, pour les projets résidentiels comme non résidentiels. La centrale d'air combine plusieurs aspects thermiques en une installation et est gérée par un même système de commande. Gain de place, coûts d'exploitation réduits et entretien minime garantis.
Pour chauffer
Batterie à eau chaude et batterie électrique
Exemple pratique: L'air frais a une température de -10 °C. Avec l'eau amenée avec une température de 80 °C et une température de retour de 60 °C, l'air peut être chauffé via une batterie à deux rangées à 27 °C. Avec une batterie à quatre rangées, il est chauffé à 52 °C. Après le filtre vient la batterie servant à chauffer l'air ambiant frais amené. Pour cela, un échangeur de chaleur est utilisé dans lequel circule de l'eau de chauffage provenant d'une chaudière à gaz, à mazout, d'une pompe à chaleur ou d'un chauffe-eau solaire. S'il n'y a pas d'eau de chauffage, une batterie électrique (plus chère en raison de la consommation d'énergie) peut offrir la solution. Par le passé, la température d'amenée de l'eau de chauffage était d'env. 80 à 90 °C. De nouvelles sources d'énergie comme les chauffe-eau solaires amènent de l'eau à une température comprise entre 70 et 60 °C. Plus la température d'amenée est élevée, plus la batterie à eau est fine (ex. deux rangées au lieu de quatre), et inversement. La surface d'échange de chaleur (nombre de rangées) est aussi adaptée selon l'application.
Si la batterie est utilisée pour amener l'air à la température intérieure (jusqu'à 20 °C), elle comptera moins de rangées (parfois même une seule) qu'une batterie utilisée pour chauffer le bâtiment avec de l'air (entre 20 et 50 °C avec une température de soufflerie maximale de 35 °C). La batterie à eau chaude peut être montée dans la centrale d'air (généralement si l'air est amené à la température intérieure) mais aussi dans les conduits de pulsion (chauffage). Si la température intérieure doit être plus basse ou plus élevée, la température de l'eau dans la batterie est adaptée. Cela est possible via un robinet à trois voies avec régulation de mélange ajoutant si on le souhaite de l'eau froide ou chaude à la batterie à eau chaude et réduisant ou augmentant ainsi la température de l'air soufflé.
Exemple pratique: L'air frais a une température de -10 °C. Avec l'eau amenée avec une température de 80 °C et une température de retour de 60 °C, l'air peut être chauffé via une batterie à deux rangées à 27 °C. Avec une batterie à quatre rangées, il est chauffé à 52 °C.
La batterie à expansion directe (DX) peut aussi être utilisée pour chauffer (voir plus loin).
Pour refroidir
Batterie à eau glacée
Pour refroidir l'air, une batterie à eau glacée peut être intégrée dans la centrale d'air. Dans ce bloc supplémentaire, de l'eau froide circule dans les conduites au lieu d'eau chaude. L'air ambiant refroidit au contact des conduites d'eau froide. La batterie à eau glacée compte plus de rangées (généralement quatre) car il y a un refroidissement latent (déshumidification de l'air) comme sensible (l'air sec est ensuite refroidi). Une partie de la puissance disponible est donc utilisée pour le refroidissement latent (la déshumidification demande de l'énergie et plus il y a d'humidité dans l'air, plus il faut de refroidissement latent). Vu qu'il y a de la condensation (et donc des gouttes) lors du refroidissement, un bac à condensation recueillant et évacuant ces gouttes est nécessaire. Parfois, la batterie à eau chaude et à eau glacée sont combinées en une batterie. De l'eau chaude ou froide arrive alors dans la batterie, qui est chauffée ou refroidie si on le souhaite. Comme pour la batterie à eau chaude, la température de l'eau glacée peut être facilement modulée avec un robinet à trois voies à régulation de mélange.
Exemple pratique: L'air frais a une température de 30 °C. Avec l'eau amenée avec une température de 7 °C et une température de retour de 12°C, l'air peut être refroidi via une batterie à quatre rangées jusqu'à 19 °C.
Batterie à expansion directe
Outre une batterie à eau glacée, l'air peut aussi être refroidi selon le principe du conditionnement de l'air: une batterie à expansion directe. Dans la centrale d'air, il y a alors un bloc supplémentaire (l'évaporateur), relié par des conduites de refroidissement avec une unité placée dehors (le condenseur). Le compresseur se trouve dans l'unité intérieure ou extérieure (en plaçant le compresseur à l'extérieur, l'unité intérieure est plus silencieuse). L'air ambiant est transporté par le ventilateur vers l'évaporateur. L'évaporateur extrait la chaleur de l'air ambiant et la transmet au réfrigérant (généralement R410a). Cela est possible car le réfrigérant s'évapore et a besoin pour cela d'énergie (chaleur) qu'il tire de l'air amené. L'air refroidi est ensuite soufflé dans le bâtiment et refroidit. Le réfrigérant même, à l'état gazeux, se dirige vers le compresseur, qui comprime le gaz et l'amène à une température et une pression plus élevées.
Ensuite, le réfrigérant est transporté vers le condenseur où il refroidit et se condense à nouveau en liquide. Pendant ce processus de condensation, le réfrigérant transmet la chaleur à l'air extérieur. Le réfrigérant est, enfin, amené à basse pression via la valve d'expansion et le processus peut reprendre. Comme pour une batterie à eau glacée, une batterie à expansion directe exige aussi une évacuation de la condensation. Notons que le circuit peut être 'inversé'. Le condenseur devient alors évaporateur et l'évaporateur condenseur. L'air frais est donc chauffé et soufflé à l'intérieur tandis que le refroidissement provenant de l'évaporateur est évacué à l'extérieur. Avec cette batterie, la température peut être modulée moins facilement (qu'avec une batterie à eau glacée), sauf si on travaille avec une régulation à inverter. L'expansion directe est aussi généralement utilisée pour les petites à moyennes puissances (120 à 150 kW). Pour les plus grosses capacités, la batterie à eau glacée convient mieux.
Exemple pratique: L'air frais a une température de 30 °C. Grâce à une batterie à expansion directe, l'air peut être refroidi jusqu'à 14 °C.
Refroidissement adiabatique
Troisième possibilité pour refroidir: via le refroidissement adiabatique. Le refroidissement adiabatique ne peut fonctionner que dans un système où l'air est aussi évacué. On a le choix entre un refroidissement adiabatique direct et indirect. Dans le premier cas, l'air amené frais est mis directement en contact avec l'eau (via humidification par évaporation, par pulvérisation, à haute pression,...). L'air amené fait en sorte que l'eau puisse s'évaporer mais pour s'évaporer, l'eau a toutefois besoin d'énergie. Cette énergie (chaleur) est donc extraite de l'air amené. L'air extérieur refroidit ainsi. Un problème du refroidissement direct, c'est qu'il génère plus d'humidité dans l'air, ce qui n'est pas toujours souhaitable. Le refroidissement adiabatique indirect constitue alors une solution. Dans ce cas, il y a un échangeur de chaleur à plaques dans l'unité. Cet échangeur est constitué de plaques entre lesquelles l'air évacué et l'air amené (air intérieur) circulent en se croisant. L'air extérieur doit être assez froid pour refroidir le bâtiment. Dans cette optique, de l'eau est pulvérisée sur l'échangeur à plaques. Seul l'air évacué entre en contact avec l'eau et fait en sorte qu'elle puisse s'évaporer. Par conséquent, l'air intérieur refroidit, et est suffisamment froid pour refroidir l'air extérieur frais. Cela est possible vu que l'air intérieur et extérieur se croisent dans l'échangeur. Via la fine paroi, l'air intérieur transmet ainsi le froid à l'air extérieur chaud. Si on décide de ne pas amener d'air frais, le refroidissement adiabatique peut être utilisé pour refroidir directement l'air intérieur ou pour le faire via contact indirect avec l'air extérieur frais. Notons que le refroidissement adiabatique est souvent combiné avec d'autres techniques. Ce système ne garantit, en effet, qu'un refroidissement limité.
Exemple pratique: L'air frais est amené avec une température de 32 °C. Avec le refroidissement adiabatique, la température de l'air soufflé est abaissée à 22 °C.
Pour booster le rendement
By-pass pour free cooling
Le free cooling est réalisé à l'aide d'une valve de by-pass, d'un servomoteur et d'un régulateur. Le régulateur vérifie si une pièce peut être refroidie avec de l'air extérieur plus froid. Si tel est le cas, la valve de by-pass s'ouvre. L'air extérieur entre alors directement dans le bâtiment (sans passer par la batterie). La nuit par exemple, cela refroidit beaucoup et il peut être intéressant d'utiliser l'air extérieur pour refroidir le bâtiment.
Caisson de mélange
Ce système d'aspiration à deux valves prend de l'air de l'intérieur ou de l'extérieur. Cet air peut également être mélangé. Imaginons que la température dans le bâtiment soit trop élevée et qu'il faille y remédier d'urgence. Le caisson de mélange ferme alors la valve à air frais. L'air à l'intérieur peut ainsi d'abord être refroidi avant que de l'air frais soit amené pour la ventilation. Inversement, cela est aussi possible pour chauffer le bâtiment le matin. L'amenée d'air frais est alors fermée afin que le bâtiment puisse être chauffé plus rapidement.
Recuperation
En vue d'optimiser le rendement de la centrale de traitement d'air (avec des récupérations parfois supérieures à 90%), un système de récupération est devenu quasiment indispensable aujourd'hui. Le bloc de récupérateur exige pulsion et extraction.
Il faut donc au moins deux ventilateurs. L'un extrait l'air 'sentant le renfermé' du bâtiment tandis que l'autre aspire de l'air extérieur frais. En été, l'air intérieur frais refroidit l'air extérieur chaud et contribue ainsi au refroidissement du bâtiment.
En hiver, il fait plus chaud à l'intérieur que dehors et l'air intérieur transmet de la chaleur à l'air extérieur. Il existe sur le marché différents systèmes de récupération. Exemples:
- échangeur à plaques à flux croisés ou à contre-flux: se compose (comme pour le refroidissement adiabatique) de plaques entre lesquelles circulent l'air évacué et l'air amené.
Comme les deux flux d'air se croisent (indirectement), ils se transmettent du froid/de la chaleur; - roue thermique: constituée de petits canaux où l'air amené et évacué circulent en sens inverse et se transmettent du froid/ de la chaleur sous l'effet de la rotation de la roue;
- twin coil: permet une récupération de charge frigorifique limitée en été. Ce système de récupération se compose d'une batterie du côté évacuation de l'air et d'une batterie du côté amenée de l'air.
Entre les deux circule un mélange d'eau-glycol.
Exemple pratique: De l'air extérieur de 30 °C et de l'air intérieur de 24 °C se croisent dans l'échangeur à plaques. L'air extérieur est refroidi à 25 °C dans le bloc de récupération.
Points importants Refroidissement
On décide parfois de ne pas intégrer le système de refroidisse-ment dans la centrale d'air.
Besoin de froid trop important
Dans les projets de rénovation ou les bâtiments moins bien isolés, le débit d'air nécessaire pour refroidir est parfois (contrairement aux maisons passives ou à basse énergie exigeant en moyenne 2 à
4 kW de refroidissement) (bien) plus élevé que le débit d'air nécessaire pour ventiler le bâtiment. On décide alors de ne pas intégrer le système de refroidissement dans la centrale d'air. Sinon, le caisson de ventilation doit être surdimensionné, ce qui est moins avantageux en termes de prix et de qualité.
Refroidissement selon la zone
La combinaison de refroidissement et de ventilation par zone (ex. par bureau) est parfois difficile aussi. Souvent, le besoin est différent par zone. Ces différences peuvent être mieux absorbées par un système de refroidissement décentralisé que par une centrale d'air où un système de refroidissement et de ventilation est intégré. En général, le degré de refroidissement est différent par zone. Pour absorber tout de même les différences de besoin par zone, un post-refroidisseur (une batterie commandant une zone dans le réseau de conduits, ex. batterie à eau glacée) dans le conduit de pulsion peut constituer une solution. De telles batteries aident à réguler la température de soufflerie dans la zone avec plus de précision. Souvent, elles sont raccordées à des sondes. Il faut aussi raccorder les batteries de refroidissement au système de refroidissement (eau glacée ou expansion directe).
