L’amélioration des performances d’un système de ventilation à la demande (DCV ou Demand Controlled Ventilation) est une nécessité. Pour le propriétaire, l’investisseur ou l’exploitant, ces DCV doivent devenir plus fiables pour réduire l’écart entre la performance énergétique réelle et celle théorique.
Cet article examine les différents points critiques suivants à prendre en compte pour le choix d’un système de ventilation à la demande (DCV) précis et efficace d’un point de vue énergétique et pendant la mise en service d’un DCV.
Introduction
Correctement installé, un système de contrôle de ventilation à la demande (DCV) peut réduire la consommation énergétique pour ventilation de plus de 50% (Maripuu, 2009). Quand même, l’évaluation de l’utilisation réelle de l’énergie relève que le potentiel d’économie énergétique est rarement atteint (Mysen et al., 2010). Les systèmes de ventilation à la demande DCV doivent devenir plus fiables pour réduire l’écart entre la performance énergétique théorique et celle réelle. Les expériences négatives impliquant les systèmes DCV ont plusieurs causes, parmi lesquelles on peut identifier : la documentation inadéquate visant les spécifications techniques et la prise en charge, les rapports d’équilibrage non convenables pour les systèmes DCV, les erreurs de communication et l’absence des informations sur les systèmes DCV chez les décideurs. Reposant sur l’expérience obtenue à la suite des cas d’étude, un groupe d’experts a fixé des nouvelles normes et rédigé la documentation visant la prise en charge (Mysen and Schild, 2013). Ce travail a été effectué au cadre du projet R&D norvégien reDuCeVentilation (http://www.sintef.no/Projectweb/reDuCeVentilation/).
Les systèmes DCV sont des systèmes de ventilation à la demande où le flux d’air est contrôlé automatiquement en fonction d’une demande précise de point de vue de la température ambiante. Par suite, les systèmes DCV doivent comporter une commande rétroactive assurée, par exemple, par un capteur situé dans la chambre, capteur qui puisse fournir des informations permanentes sur la qualité de l’air à l’intérieur. Le signal est utilisé ensuite pour contrôler le flux d’air en fonction des paramètres de qualité de l’air de l’intérieur.
VAV vient de Variable Air Volume, système à volume d’air variable. C’est un terme plus large que celui de système de ventilation à la demande (DCV), le VAV englobant tous les systèmes à débit d’air variable, quelque soit le type de contrôle. Seuls les systèmes VAV contrôlant le débit d’air en fonction d’une demande précise, mesurée, en termes de température ambiante, et non en fonction d’une valeur préétablie seront considérés comme des systèmes de ventilation à la demande (DCV) dans cet article. Les amortisseurs habituels VAV des systèmes de ventilation à la demande DCV sont désignés par le terme amortisseur DCV dans cet article.
La mise en service, l’équilibrage et le contrôle d’un système DCV sont constitués des étapes suivantes de travail, ci-présentes dans la Figure 1.
(Montage complet (conduits et automatisation) – Contrôle physique (trappes, étanchéité) – Correction par système de bus – Equilibrage – Contrôle de la performance du système – Documentation de prise en charge – phase opérationnelle
Les étapes de travail recommandées après le montage du système de ventilation à la demande.
Cet article examine les points critiques suivants pendant la mise en service d’un système DCV :
- Un système DCV précis et efficace de point de vue énergétique
- Procédures d’équilibrage
- Procédures de prise en charge
Un système de ventilation à la demande (DCV) précis et efficace de point de vue énergétique
La puissance spécifique de ventilation (SFP) est exigée et contrôlée d’habitude à des débits d’air maximaux. Quand même, un système DCV aura d’habitude des débits d’air de 30 à 80% du débit d’air maximal, en fonction de divers facteurs tels les dimensions et le taux minimal de ventilation. A des débits d’air maximaux il n’y a que de petites différences entre les puissances spécifiques de ventilation (SFP) du système en fonction de la stratégie de contrôle (Figure 2, r = 1), mais à des débits d’air plus bas (Figure 2, r < 1) il y a des différences importantes en fonction de la stratégie de contrôle. Il est important d’exiger une valeur SFP maximale pour deux scénarios opérationnels : débit d’air maximal et débit d’air réduit pour garantir une stratégie de contrôle efficace de point de vue énergétique. Les points de contrôle les plus importants sont présentés dans la Figure 2. La précision du débit d’air devrait être contrôlée. Une variation du débit d’air dans une chambre devrait correspondre approximativement à la même variation du débit d’air total traversant la centrale de traitement d’air (CTA). Par ce test on va démontrer si un système DCV à contrôle de pression redistribue partiellement le débit d’air à cause d’une précision insuffisante ou à cause du mauvais positionnement du capteur de pression. Les composantes essentielles telles les capteurs de CO2 devraient être vérifiées in situ. Un point de contrôle pour les capteurs de CO2 est représenté par la vérification de la teneur en CO2 (les résultats ppm), pour voir si elle reste la même quand l’immeuble est vide le soir/la nuit. Figure 2 Les points de contrôle les plus importants. Mesure de la SFP avec charge partielle, contrôle de la correspondance entre le débit d’air de la chambre et le débit d’air total, vérification de l’existence d’un amortisseur DCV en position permanente d’ouverture maximale à l’aide du système de gestion bâtiment (Schild&Mysen, 2009).
- contrôle de la capacité
- contrôle de l’efficacité énergétique
- relation entre le changement de débit d’air de la chambre et le débit de la CTA
- un amortisseur DCV en position d’ouverture permanente
- fraction de la SFP maximale
- fraction du débit d’air maximal
- mauvais / normal / bon / idéal
Les variations pendant la mise en service sont normales, elles devraient y intervenir. Malheureusement, trop peu de fois on prévoit l’amélioration du système. Une meilleure solution serait d’établir à l’avance un modèle de compensation économique qui prenne en considération les variations par rapports aux demandes, variations qui auraient des effets sur la consommation d’énergie. Un tel modèle de compensation économique causée par les variations entre les valeurs SFP exigées et celles mesurées a déjà été essayé en Norvège.
Un système DCV est dynamique et devrait être essayé et calibré aussi dans des conditions d’été que d’hiver. Il devrait y avoir une inspection technique, un test fonctionnel et une révision de ce système après une période de fonctionnement normal, une année, par exemple.
Les procédures d’équilibrage pour des divers systèmes de ventilation à la demande (DCV)
Il y a plusieurs systèmes DCV et les principes de fonctionnement de ceux-ci sont précisés et décrits par Mysen (Mysen and Schild, 2011). Certains de ces principes prévoient des procédures d’équilibrage ; cet article examine « Les DCV à contrôle de pression » et « Les DCV avec amortisseur optimisé ».
Les systèmes de ventilation à la demande (DCV) à contrôle de pression
Les DCV à contrôle de pression (PC-DCV) correspondent aux systèmes de ventilation à la demande (DCV) traditionnels. Le but du contrôle de la pression statique est de contrôler indirectement les débits d’air par le contrôle de la pression dans une position stratégique de la gaine. Les (PC-DCV) demandent l’installation d’équipements DCV actifs contrôlant les débits d’air d’apport et d’évacuation de chaque DCV par chambre/zone. Contrôler la vitesse de ventilation pour maintenir une hausse de la pression statique de ventilation aura comme résultat une limitation inutile à travers le chemin critique pendant le fonctionnement de la plupart des CTA et donc une utilisation excessive de l’énergie de ventilation. La partie de la gaine avec la plus grande résistance au flux depuis la CTA à n’importe quel dispositif final est appelée « chemin critique » et est utilisée pour déterminer la hausse de la pression de ventilation nécessaire.
Une expérience fortunée avec les systèmes PC-DCV montre que les changements mineurs des demandes en termes de température ambiante mènent à une redistribution du débit d’air dans la tuyauterie pendant que le débit d’air de la centrale de traitement d’air (CTA) reste plus ou moins constant. Le résultat est qu’on n’obtient aucune économie énergétique ou bien que l’apport d’air est insuffisant. C’est bien à cause d’une précision inadéquate ou d’un mauvais positionnement du capteur, par exemple trop près de la centrale de traitement d’air (CTA) ou d’une branche. En règle générale, sa position doit être à ¾ au-delà de la gaine principale.
- gaine de soufflage
- gaine d’évacuation
- câbles signal
- capteur de pression
- capteur de température ambiante
Figure 3 Système à contrôle de pression. La vitesse de ventilation est contrôlée pour conserver la pression statique de la gaine de ventilation principale là où se trouve le capteur de pression.
Les objectifs principaux de l’équilibrage d’un système PC-DCV sont :
- le contrôle du positionnement du capteur de pression
- régler correctement la pression de référence
De plus, par l’équilibrage seront identifiées les erreurs de connexion et de communication.
La procédure d’équilibrage comporte les étapes suivantes :
- contrôler l’alimentation de tous les équipements DCV, vérifier s’il n’y a pas d’erreurs de polarité
- vérifier si le capteur de pression est monté dans un emplacement avec pression statique stable ou avec profil de vitesse uniforme, exécuter des tests au centre de la gaine avec un tube Pitot ou un anémomètre à fil thermique
- choisir une pression de référence légèrement plus haute que celle nécessaire. Cela peut se déduire du calcul des pertes de charge ou de manière empirique.
- fixer les maxima et les minima actuels du débit d’air (Vmax and Vmin) sur chaque amortisseur DCV et configurer les amortisseurs en mode automatique. Contrôler les niveaux du débit d’air des amortisseurs DCV, qu’ils aient tous les taux maximaux, lire le taux d’ouverture.
- trouver l’amortisseur de référence, l’amortisseur avec le plus haut taux d’ouverture
- régler la pression de référence jusqu’à ce que l’amortisseur de référence DCV obtienne le débit d’air maximal sans limitation (soit environ 80% du taux d’ouverture). On a trouvé ainsi la pression de référence de point de vue de l’énergie optimale, ce qui représente la plus basse pression de référence fournissant les débits d’air convenables en fonction des valeurs préétablies.
- remplir le formulaire de contrôle VAV. Ce formulaire rempli sera inclus parmi les documents du système de ventilation à la demande.
Les systèmes de ventilation à la demande (DCV) avec amortisseur optimisé
Le DCV avec amortisseur optimisé contrôle le débit d’air de la gaine principale en fonction de la position des amortisseurs de sorte qu’au moins un de ceux-ci se trouve en position d’ouverture maximale. (Fig. 4). Le but est de garantir une consommation énergétique de ventilation minimale par une hausse minimale de la pression de ventilation. Cela est possible si l’un des parcours de la gaine (le chemin critique) est toujours ouvert. Au cas d’un système de ventilation à la demande (DCV) avec amortisseur optimisé le débit d’air nécessaire, le débit d’air d’apport et l’angle de l’amortisseur sont les mêmes pour tous les amortisseurs DCV. Ces informations sont transmises à un contrôleur réglant la vitesse de ventilation.
L’équilibrage des équipements DCV des systèmes avec amortisseur optimisé est très simple, il consiste à spécifier le débit d’air minimal et maximal initial de chaque équipement DCV. Cela peut se faire par le système de bus ou branchant un dispositif de programmation directement aux équipements DCV. Des divers dispositifs de programmation sont utilisés par les fournisseurs.
Les procédures d’équilibrage comportent les étapes suivantes :
- contrôler l’alimentation des équipements DCV, des capteurs/régulateurs de température ambiante, s’ils ont tous le voltage nécessaire ne présentent pas d’erreurs de polarité
- fixer les maxima et les minima actuels du débit d’air (Vmax and Vmin) sur chaque amortisseur DCV et configurer les amortisseurs en mode automatique
- si les DCV ne fonctionnent pas comme prévu vérifier la polarité de l’alimentation
- remplir le formulaire de contrôle VAV. Ce formulaire rempli sera inclus parmi les documents du système de ventilation à la demande.
La documentation de prise en charge d’un système de ventilation à la demande (DCV)
Formulaire de contrôle VAV
Pendant le fonctionnement les plus fréquents problèmes rencontrés sont les débits d’air maximaux et minimaux. On devrait donc effectuer des tests pour ces deux situations. Il est nécessaire pour ce faire de voir chaque équipement de système de ventilation à la demande (DCV) et d’outrepasser le signal de contrôle du capteur de température ambiante (la température, par ex.), pour configurer les valeurs des débits d’air minimal et maximal des équipements DCV et pour avoir accès aux débits d’air et au taux d’ouverture. Le taux d’ouverture précise si les équipements DCV fonctionnent dans le champ convenable (de 40 à 80%) et si la pression de référence est équilibrée.
Cela demande quatre mesures de contrôle pour chaque DCV. De telles procédures de contrôle sont particulièrement importantes pour les systèmes de ventilation à la demande (DCV) à contrôle de pression et avec possibilités de contrôle limitées depuis les BMS (système de gestion immeuble).
Des procédures pour des tests de charge à des débits d’air maximaux et minimaux ont été déployées (Mysen and Schild, 2013).
Test de charge automatisé d’un système de ventilation à la demande (DCV)
Les tests de charge manuels prennent du temps et on a prouvé qu’il est difficile d’outrepasser les équipements DCV pendant ce type de tests. Il faudrait donc essayer d’automatiser complètement le test de charge en le configurant depuis le panneau de contrôle ou le BMS. Cela présente plusieurs avantages : on pourrait déployer un test complet (pas avec vérification ponctuelle), avec toutes les combinaisons d’outrepasser le signal du capteur, à des coûts beaucoup plus réduits, répétable chaque fois qu’il est nécessaire (une fois par an pendant un fonctionnement normal ou après chaque changement induit au système).