Régulation et surveillance du point de rosée pour plafonds rafraîchissants
Par R. Abrach. T. Nitz
Le fonctionnement d'un plafond rafraîchissant alimenté
en eau nécessite une stratégie de régulation globale qui doit prendre en
considération, outre chaque local individuel, le bâtiment et son
environnement. Les investissements et l'efficacité du système sont largement
tributaires de la coordination entre la régulation, la production et la
distribution d'énergie ainsi que la conception des plafonds rafraîchissants.
L'objectif est de parvenir à ce que le plafond rafraîchissant, la ventilation
et le chauffage fonctionnent ensemble sans aucune condensation au plafond ou
dans le faux plafond.
Particularités de
la régulation des plafonds rafraîchissants
Le principe du plafond rafraîchissant est basé sur des
fonctions " refroidissement" (ou "chauffage") et « ventilation »
séparées. Ce type de climatisation permet d'obtenir des conditions de confort
optimales tout en réduisant au minimum la consommation d'énergie. La simplicité
de cette technique d'installation requiert cependant quelques particu larités
pour la régulation:
- Régulation de départ du circuit d'eau glacée pour le
plafond rafraichissant
- Régulation de départ pour le chauffage
- Régulation de la température et de l'humidité pour l'air souffle
- Régulation de la température de l'eau dans le local
- Régulation de l'air soufflé dans le
local
- Surveillance du point de rosée pour le local, la zone ou
le bâtiment
- Régulation du débit et de la température des circuits
d'eau en agissant sur les vannes de régulation et les pompes.
Un rafraîchissement
gratuit diminue les coûts d'énergie
La puissance d'un plafond rafraîchissant est déterminée
par la température de départ de l'eau glacée, le débit, le type et la
dimension du plafond rafraîchissant. Pour la régulation de départ de la
distribution primaire, un circuit hydraulique à température variable avec un
algorithme PI est approprié. La température de départ est influencée également
par la compensation été et les valeurs limites de la surveillance du point de
rosée. Comme les plafonds sont alimentés avec une température de départ
d'eau relativement élevée de 14 à 18 °C, ils permettent ainsi l'utilisation
du rafraîchissement gratuit. Plus le couplage thermique entre le plafond rafraîchissant
et la masse du bâtiment est correct, plus l'effet de rafraîchissement gratuit
est important. En raison de la faible différence entre la température de l'air
soufflé et la température ambiante, l'installation de ventilation peut
fonctionner avec de l'air extérieur frais pendant une durée assez longue.
Régulation de la température dans le local
Aucun autre système ne sait mieux que la régulation
terminale répondre aux besoins individuels de l'occupant de local. Le
refroidissement ou le chauffage ne sont activés qu'au-delà de la température
de la "zone neutre d'énergie". Le facteur déterminant est la demande
de confort formulée par l'occupant. Toutefois la puissance du plafond diminue
si l'utilisateur exige des températures ambiantes trop basses.
Figure 1
Grâce à la commande de présence et à l'abaissement de
nuit, de très grandes économies d'énergie peuvent être obtenues. La consigne
de chauffage ou de refroidissement n'est maintenue au niveau de confort que
lorsque le local est occupé. La présence de personnes est soit commandée
manuellement soit détectée automatiquement par un capteur à infrarouges.
Pendant la nuit, les consignes peuvent être abaissées-selon
le type de l'utilisation et le type de bâtiment.
Pour les fenêtres ayant une isolation thermique
relativement mauvaise, des rayonnements d'air froid peuvent se faire ressentir
sur le confort ambiant. Leur influence est d'autant plus grande si la température
extérieure est basse, l'isolation thermique mauvaise et si la fenêtre est de
grande dimension. Des radiateurs placés sous les fenêtres peuvent compenser ce
rayonnement. Le régulateur veille à ce que l'apport de chaleur soit disponible
pour la compensation du rayonnement froid, indépendamment de la température
ambiante.
Amélioration du confort par la compensation été 1 hiver
Afin d'optimiser l'utilisation de l'énergie et les
conditions de confort, les températures de départ d'eau et d'ambiance peuvent
être adaptées aux conditions extérieures saisonnières.
En été, il est conseillé d'augmenter progressivement la
température ambiante en fonction de l'élévation de la température extérieure.
On évite ainsi que les personnes entrant ou sortant du bâtiment ne soient
exposées à des différences importantes de température. La consommation d'énergie
est aussi réduite et il y a moins de risque de condensation du plafond rafraîchissant.
En hiver, le rayonnement froid des murs extérieurs est
compensé par une augmentation des températures ambiantes en fonction de la
diminution des températures extérieures. Ce problème se trouve toutefois atténué
avec l'amélioration constante de l'isolation, en particulier grâce aux
nouvelles fenêtres isolantes.
Principes de régulation pour les plafonds rafraîchissants
La régulation de puissance du plafond rafraîchissant peut
s'effectuer en contrôlant soit le débit soit la température. Le choix dépend
du mode de surveillance du point de rosée sélectionné et des exigences de
confort.
Pour la régulation à débit variable le débit d'eau glacée
varie pendant que la température de départ reste constante. La température de
retour à la sortie du plafond rafraîchissant varie très fortement selon le débit.
La transmission de puissance n'est pas proportionnelle au débit. Lors d'une
petite ouverture de vanne, la transmission de chaleur est moins bonne que pour
un débit élevé. Avec une vanne par local, le coût du circuit hydraulique
(circuit de répartition) est minimal comparé au coût d'un circuit à température
variable (vanne à deux voies pour le circuit à débit variable, à trois voies
pour le circuit de répartition).
Figure 2
La régulation à température variable assure un débit
constant dans le plafond rafraîchissant. La régulation de la puissance
s'effectue en adaptant par local la température de départ de l'eau glacée.
Une pompe doit être ajoutée en plus de la vanne (circuit de mélange ou à
injection) pour chaque unité de régulation. La transmission de puissance
s'effectue en permanence en fonction de la différence de température entre les
températures de plafond et d'ambiance.
Un circuit de mélange ou à injection demande une
surveillance active du point de rosée. Le coût supplémentaire des pompes est
atténué par une surface de plafond moins importante.
Figure 3
La vanne de régulation doit se fermer lors d'une coupure
de courant ou d'une perturbation dans le circuit de régulation (vanne magnétique
ou vanne thermique) afin d'éviter efficacement une condensation du plafond.
Selon le circuit hydraulique sélectionné une vanne à deux ou trois voies doit
être utilisée.
Régulation de la ventilation
Seule la combinaison du plafond rafraîchissant et de la
ventilation garantit une bonne qualité d'air pour des conditions de confort
optimales. La ventilation évacue l'humidité et assure avec de l'air prérefroidi
et déshumidifié le fonctionnement fiable du plafond rafraîchissant. Le risque
de condensation du plafond est réduit étant donné que la température du
point de rosée de l'air ambiant reste en dessous de la température de départ
de l'eau glacée du plafond. Dans la plupart des installations l'air est amené
à un débit constant dans le local, mais des systèmes de VAV sont également
utilisés. Pour une ventilation par déplacement d'air la température d'air
soufflé doit être d'au moins 1 à 2 K inférieure à la température ambiante,
afin que le déplacement d'air souhaité ait lieu. La valeur de la température
de l'air soufflé doit tenir compte des desiderata des occupants.
Pour la ventilation par mélange, l'air est soufflé par
des bouches de soufflage aménagées dans le plafond. Les flux d'air près du
plafond augmentent la puissance frigorifique du plafond rafraîchissant grâce
à un accroissement de la convection. La température d'air soufflé est plus
basse pour le système de mélange d'air que pour le système de ventilation par
déplacement. Le système peut alors se charger d'une partie importante du
refroidissement. Une installation VAV s'avère fort utile si de grandes
puissances frigorifiques doivent être introduites dans le local. Le VAV peut être
aussi couplé à une régulation de qualité d'air pour les grands locaux. Si
l'ouverture des fenêtres est possible, l'alimentation en eau glacée du plafond
rafraîchissant devra être coupée par un contact de feuillure pour économiser
l'énergie.
Surveillance du point de rosée
Une condensation du plafond rafraîchissant se forme dès
que la température de surface du plafond passe en dessous de la température du
point de rosée du local. Les plafonds rafraîchissants ne doivent donc jamais
fonctionner sans surveillance du point de rosée.
Le choix de la surveillance du point de rosée est avant
tout guidé par la répartition des charges d'humidité dans le bâtiment, les
températures de départ d'eau glacées souhaitées et les exigences de confort.
On
distingue trois méthodes:
- Surveillance
centrale du point de rosée
La température de départ pour les plafonds rafraîchissants
est décalée au niveau central pour l'ensemble du bâtiment en fonction de
divers paramètres (température de point de rosée de l'air extérieur, de
l'air extrait ou du local de référence).
- Surveillance
passive du point de rosée
Une sonde de point clé rosée placée dans le local détecte
la condensation; la régulation arrête alors l'apport d'eau glacée.
- Surveillance
active du point de rosée
La température de point de rosée est calculée et le départ
est réglé individuellement dans le local afin que la température de départ
soit toujours supérieure à la température de point de rosée.
Ces trois méthodes peuvent se combiner entre elles pour un
fonctionnement optimal des plafonds rafraîchissants (tableau 1).
Tableau 1
Méthodes de surveillance du point de rosée
Tableau 2
Le mode de surveillance du point de rosée détermine le
circuit hydraulique pour les locaux et par conséquent le choix de la vanne et
l'utilisation d'une pompe par zone réglée.
Tableau 3 Influence de la surveillance du point de
rosée sur le circuit hydraulique
Surveillance centrale du point de rosée
La température de départ d'eau glacée pour les plafonds
rafraîchissants est réglée pour tout le bâtiment. Le point de rosée de
l'air extérieur, de l'air extrait ou d'un local de référence sert de référence.
Le choix dépend du type de ventilation et de la répartition des charges
d'humidité dans le bâtiment (cf. tableau 3). La température de départ est réglée
de façon à toujours laisser un écart de sécurité pour la température du
point de rosée du local critique (voir figure 4). Le local critique est celui
qui présente la charge d'humidité interne la plus élevée, par ex.une salle
de conférence avec un grand nombre de personnes. Les locaux avec beaucoup de
plantes sont également considérés comme critiques.
Pour les installations de climatisation avec une déshumidification
insuffisante de l'air extérieur ou lorsqu'il y a ouverture de fenêtres, le départ
est calculé d'après le point de rosée de l'air extérieur. L'efficacité du
plafond rafraîchissant peut être limitée, les températures de point de rosée
étant relativement élevées en été et en automne.
Si un bâtiment contient beaucoup de locaux avec des
charges d'humidité élevées, le point de rosée de l'air extrait ou d'un local
de référence peut être utilisé pour les calculs.
La surveillance centrale du point de rosée rend nécessaire
une température de départ élevée et par conséquent une plus grande surface
pour le plafond rafralchissant.
Tableau 4 Sélection
des grandeurs de référence pour la surveillance passif du point de rosée
Figure 4
Pour la surveillance centrale du point de rosée, la régulation
doit assurer une zone de sécurité entre la température du point de rosée de
l'air extérieur, de l'air extrait ou d'un local de référence et la température
de départ de l'eau glacée,
Exemples
Régulation du plafond rafraîchissant avec surveillance
du point de rosée
Figure
5
La température de départ de l'eau glacée pour le plafond
rafraîchissant est réglée au niveau central et décalée selon le point de
rosée de l'air extérieur, de l'air extrait ou d'un local de référence de façon
à ce qu'il n'y ait pas de condensation. Le régulateur terminal assure la température
ambiante souhaitée avec un minimum d'énergie.
Surveillances centrale et passive du point de rosée
La surveillance s'effectue en séquence avec la régulation
centrale de départ et les sondes locales de point de rosée dans les locaux
critiques. Le local critique est celui qui présente la charge d'humidité la
plus élevée.
La température d'eau de départ pour les plafonds rafraîchissants
est réglée au niveau central pour tout le bâtiment (voir surveillance
centrale du point de rosée).
La sonde locale de point de rosée détecte la condensation
; le régulateur terminal ferme la vanne du plafond rafraîchissant. Une vanne
à fermeture rapide à l'avantage d'inter-rompre le processus de condensation.
Avec la surveillance passive du point de rosée, l'écart de sécurité pour le
point de rosée des locaux critiques se réduit. La température de départ peut
être diminuée dans tout le bâtiment. La surface nécessaire du plafond
rafraichissant peut par conséquent être plus petite.
L'utilisation d'une sonde de point de rosée n'est nécessaire
que pour les locaux critiques. La sonde doit être placée au point le plus
froid (arrivée d'eau glacée) du plafond rafraîchissant. Un bon contact
thermique est la condition préalable pour un fonctionnement plus sûr.
Figure 6
Pour les surveillances centrale et passive du point de rosée,
la régulation doit assurer une zone de sécurité entre la température du
point de rosée de l'air extérieur, de l'air extrait ou d'un local de référence
et la température de départ de l'eau glacée. Le refroidissement est arrêté
dans les situations critiques.
Exemples
Régulation du plafond rafraîchissant avec surveillances centrale et
passive du point de rosée
Figure 7
La température de départ pour le plafond rafraîchissant
est réglée a u niveau central. Dans les locaux critiques une sonde de point de
rosée empêche toute condensation. Le régulateur terminal assure la température
souhaitée avec un minimum d'énergie.
Surveillances centrale et active du point de rosée
La surveillance s'effectue en séquence avec la régulation
centrale de départ et le calcul local du point de rosée et le décalage de la
température de départ dans les locaux critiques.
La température de départ pour les plafonds rafraîchissants
est réglée au niveau central dans le bâtiment pour les locaux non critiques
(voir surveillance centrale du point de rosée).
Pour les locaux critiques, le point de rosée se calcule à
partir de l'humidité relative et de la température ambiante. Le départ est décalé
individuellement pour chaque local ce qui implique l'utilisation d'une pompe.
Avec la surveillance active du point de rosée des locaux critiques la température
de départ peut être diminuée dans tout le bâtiment. La surface du plafond
rafraîchissant s'en trouve réduite.
Figure 8
Pour les surveillances centrale et active du point de rosée
la régulation doit assurer une zone de sécurité entre la température de
point de rosée de l'air extérieur, de l'air extrait ou d'un local de référence
et la température de départ de l'eau glacée. Dans les locaux critiques la
température de départ de l'eau glacée est décalée individuellement.
Exemples
Régulation de plafond rafraîchissant avec
surveillances centrale et active du point de rosée
Figure 9
La température de départ pour le plafond rafraîchissant
est réglée au niveau central. Dans les locaux critiques la température de départ
est décalée de façon à éviter toute condensation. Le régulateur terminal
assure la température ambiante souhaitée avec le minimum d'énergie.
Surveillance active du point de rosée
La surveillance s'effectue localement dans tous les locaux.
La température de départ est réglée pour tout le bâtiment à des valeurs
plus basses comparativement aux autres méthodes.
Le régulateur calcule continuellement le point de rosée
à partir de l'humidité relative et de la température ambiante. La température
de départ est décalée individuellement pour chaque local selon le point de
rosée ce qui implique l'utilisation d'une pompe supplémentaire pour le circuit
de mélange ou à injection. La surface du plafond rafraîchissant s'en trouve
par conséquent diminuée.
Figure 10
Pour la surveillance active du point de rosée, la régulation
décale pour chaque local la température de départ de l'eau glacée. Une zone
de sécurité est assurée entre la température du point de rosée du local et
la température de départ d'eau glacée.
Exemples : Régulation du plafond rafraîchissent avec surveillance
active du point de rosée
Figure 11
La température de départ est décalée individuellement
dans chaque local de façon à éviter toute condensation. Le régulateur
terminal calcule constamment le point de condensation et assure la température
ambiante souhaitée avec le minimum d'énergie.
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