Dans le cas d'un free-cooling mécanique, voir aussi le dispositif Conduits > Limiter les pertes de charge.
Quel est le lien entre pertes de charge et puissance du ventilateur ?
Pour réaliser le free-cooling, il convient de s'assurer que tout local destiné à être occupé pendant un temps relativement long (pièces de séjour et chambres à coucher, cuisines, bureaux, salles de réunion, etc.) fait partie d'un trajet de free-cooling. Il s'agit d'un trajet que l'air extérieur plus froid doit pouvoir suivre facilement à travers le bâtiment.
L'ensemble du trajet de free-cooling (ou son concept) est de préférence tracé dès l'esquisse. Cela concerne le choix du principe (naturel, mécanique, hybride) et des éléments correspondants qui permettent d'obtenir un trajet de ventilation harmonieux, fluide et présentant une perte de charge faible (éléments ouvrants, ouvertures de transfert, conduits verticaux). Une perte de charge faible signifie que l'air rencontre peu de résistance sur son trajet. Plus la perte de charge est élevée, plus la consommation du ventilateur augmente (en d'autres termes, plus il est difficile pour le vent et la différence de température de déplacer l'air sur le trajet). De plus amples informations concernant la perte de charge sont disponibles dans le dossier Concevoir un système de ventilation énergétiquement efficace.
L'EER de la ventilation nocturne peut être vu comme la puissance pouvant être refroidie divisée par la consommation du ventilateur. La consommation énergétique du ventilateur dépend en grande partie de la résistance rencontrée par l'air de ventilation. La formule de calcul de la consommation du ventilateur est la suivante :
avec :
- P : consommation due à la puissance absorbée du ventilateur (W)
- q : débit (m³/h)
- ∆P : perte de charge sur le trajet de ventilation (Pa)
- η : rendement du ventilateur (-)
Une augmentation de la perte de charge entraîne donc une augmentation proportionnelle de la puissance absorbée par le ventilateur.
Pourquoi prévoir un trajet spécifique pour la ventilation nocturne ?
La perte de charge ΔP est approximativement proportionnelle au carré du débit q :
En appliquant ce principe et la formule donnant la puissance absorbée par le ventilateur pour un débit 1, on déduit que cette puissance est proportionnelle au cube de ce débit 1 :
Cela signifie que, au sein d'une même installation, si on augmente le débit 1 pour arriver au débit 2, on obtient que la puissance absorbée par le ventilateur P 2 est proportionnelle au cube du débit 2, ce qui entraîne :
Un triplement du débit, par exemple de 5 000 m³/h à 15 000 m³/h, entraîne donc approximativement une consommation du ventilateur 27 fois plus grande ! Elle passe, dans notre exemple de 1,5 kW à 40,5 kW.
C'est la raison pour laquelle il est nécessaire de toujours vérifier les conséquences du free-cooling mécanique sur la consommation du ventilateur. Si l'impact est trop important, il convient de prévoir pour le free-cooling mécanique un trajet conçu spécifiquement pour des débits élevés.
Ces éléments sont décrits à l'aide d'exemples à la page "Comment un trajet de ventilation spécifique et comportant peu de pression se présente-t-il ?".
Comment limiter les pertes de charge ?
Pour limiter au maximum la perte de charge, il convient de restreindre autant que possible le réseau de conduits ou de le contourner localement. Pour ce faire, il existe différentes possibilités :
- Utiliser le couloir (qui devient un « conduit ») comme une partie du trajet de ventilation
- Éviter des longueurs de conduits en utilisant des ouvertures pour le passage de l'air
- Désactiver complètement la pulsion en la remplaçant par des fenêtres ouvrantes (il ne reste alors plus que la consommation électrique du ventilateur d'extraction). On parle de free-cooling hybride.
- Ne pas utiliser le groupe de ventilation en plaçant un extracteur séparé (avec une faible perte de charge).
- Augmenter les débits sans augmenter les pertes de charge en utilisant le plenum pour la pulsion d'air et des bouches de pulsion et d'extraction surdimensionnées.
Pulsion d'air par le plenum
Comment un trajet de ventilation spécifique et comportant peu de pression se présente-t-il ?
Nous mettons donc au point pour le free-cooling un trajet de ventilation spécifique (a) adapté aux débits plus importants de la ventilation nocturne et (b) présentant une perte de charge inférieure à celle d'un trajet de ventilation normal. Un trajet de ventilation hygiénique et un trajet de ventilation nocturne sont comparés ci-dessous.
La colonne de gauche présente un trajet de ventilation hygiénique. L'air est puisé par le groupe de ventilation, acheminé jusqu'aux locaux via des conduits et insufflé dans les conduits via des grilles d'amenée. L'air est extrait des locaux via des grilles d'évacuation, acheminé jusqu'au groupe de ventilation via des conduits, pulsé à travers l'échangeur de chaleur et évacué vers l'extérieur. La perte de charge totale d'un trajet de ventilation de ce type est de l'ordre de 1 000 Pa (dimensionnement comportant très peu de pression).
La colonne de droite présente un trajet de ventilation nocturne. L'air entre dans les locaux via des fenêtres ouvrantes. Il est évacué via de grandes grilles de transfert vers le couloir et la cage d'escalier. L'air est extrait du couloir et de la cage d'escalier par un ventilateur d'extraction. La perte de charge totale d'un trajet de ventilation de ce type est de l'ordre de 200 Pa.
Indication de l'ordre de grandeur des différences entre un trajet de ventilation hygiénique et un trajet de ventilation nocturne
| Trajet pour la ventilation hygiénique | Trajet pour la ventilation nocturne | ||
|---|---|---|---|
| | ||
| Composants du trajet de ventilation | Perte de charge | Composants du trajet de ventilation | Perte de charge |
| Amenée de la ventilation : conduites, silencieux, grilles | 180 Pa | Amenée : fenêtres ouvrantes | 10 Pa |
| Évacuation de la ventilation : conduites, grilles | 120 Pa | Évacuation : grilles de transfert + conduit d'extraction (+ éventuellement silencieux) | 90 Pa |
| Groupe de ventilation | 700 Pa | Ventilateur | 100 Pa |
| Total | 1 000 Pa | Total | 200 Pa |
| Paramètres et calcul de la consommation d'énergie | |||
| Débit | 5 000 m³/h | Débit | 15 000 m³/h |
| Rendement du ventilateur | 0,7 | Rendement du ventilateur | 0,7 |
| Puissance absorbée pour 5 000 m³/h | 1 984 W | ||
| Puissance absorbée pour 15 000 m³/h, autre ventilateur et sans autre modification * | 53 568 W | ||
| Puissance absorbée pour 15 000 m³/h, autre ventilateur et modifications du réseau de conduits ** | 5 952 W | Puissance absorbée pour 15 000 m³/h | 1 190 W |
* Lorsque le réseau n'est pas modifié, le ventilateur doit surmonter des pertes de charge importantes puisqu'un débit très élevé est envoyé dans un réseau de conduits étroits pour ce débit. La puissance absorbée par le ventilateur est alors 27 fois plus importante que le débit de conception (ventilation hygiénique). Cependant cette valeur calculée est une valeur fictive. En effet, généralement le ventilateur ne peut pas descendre en dessous de 40% de son débit maximal. Ainsi pour vaincre cette perte de charge élevée, il faudrait avoir un ventilateur surdimensionné qui fournirait un débit de ventilation hygiénique trop important.
** Pour une augmentation du débit à 15 000 m³/h, on adapte normalement aussi le réseau de conduits et les autres composants du trajet de ventilation. Les ventilateurs ont en effet un débit maximum à fournir et une perte de charge maximale à surmonter. Les modifications nécessaires du groupe de ventilation et du réseau de conduits ont des répercussions sur le prix et sur l'espace nécessaire dans le local technique et le reste du bâtiment (par exemple pour l'espace destiné aux conduits sous le plafond).
En résumé, le concepteur fondera toujours son choix sur les éléments suivants :
- le coût de l'équipement des éléments supplémentaires nécessaires au free-cooling et
- les économies d'énergie considérables rendues possibles par le free-cooling.
Le confort ou un réflexe naturel de recours à des techniques passives peuvent toutefois également amener à des éléments supplémentaires suffisants en faveur du free-cooling.
