Les ventilo-convecteurs (FCU) dissimulés au plafond font partie des dispositifs terminaux les plus courants dans les systèmes CVC air-eau. Ils sont largement utilisés dans les immeubles de bureaux, les hôtels, les hôpitaux, les complexes commerciaux et autres applications similaires. Un FCU ne génère pas lui-même de capacité de refroidissement. Au lieu de cela, l'eau réfrigérée circule à travers son serpentin et un ventilateur force l'air intérieur ou l'air primaire à travers la surface du serpentin pour un échange de chaleur sensible et latente, réalisant ainsi le refroidissement et la déshumidification. Par conséquent, la sélection des FCU ne peut pas être basée simplement sur l’estimation de la surface au sol. Il doit être déterminé de manière exhaustive sur la base de calculs détaillés de la charge de refroidissement, des paramètres du système d'eau glacée, des conditions de conception intérieure, du débit d'air, de la chute de pression de l'eau, de la pression statique externe et des exigences de contrôle.
Cet article explique systématiquement les principes de sélection et les paramètres techniques clés des FCU dissimulés au plafond d'un point de vue professionnel, dans le but de fournir des références techniques exploitables aux concepteurs CVC, aux entrepreneurs, aux gestionnaires d'installations et au personnel des achats.
1. Rôle des FCU dans les systèmes CVC
Un FCU est un appareil terminal dans un système air-eau. Sa capacité de refroidissement provient d'une source de refroidissement centrale, telle qu'un refroidisseur ou une installation de refroidissement modulaire, et est livrée au terminal via des canalisations d'alimentation et de retour d'eau glacée. Les températures typiques d'alimentation et de retour d'eau glacée sont de 7°C/12°C, ou de 6°C/12°C et de 7°C/13°C, selon la conception du système. Un FCU ne contient pas de compresseur ni de circuit réfrigérant. Son efficacité énergétique ne peut donc pas être évaluée par EER ou SEER. Les indicateurs de performance d’un FCU comprennent principalement :
Capacité frigorifique nominale (capacité sensible + capacité totale)
Rapport thermique sensible (SHR)
Débit d’eau glacée et chute de pression de l’eau
Débit d'air (vitesse élevée/moyenne/basse)
Pression statique externe
Niveau de bruit
Consommation électrique par unité de débit d'air
2. Facteurs clés affectant la sélection du FCU
2.1 Calcul de la charge de refroidissement intérieur
Le cœur de la sélection du FCU consiste à déterminer la charge de refroidissement de la pièce ou de la zone, y compris la charge sensible et la charge latente. La charge de refroidissement doit être calculée par un logiciel de calcul de charge professionnel conformément aux normes ASHRAE ou locales. Les principales entrées comprennent :
Transfert de chaleur de l'enveloppe, y compris les murs, le toit, les fenêtres, le type de verre et le coefficient d'ombrage
Gain de chaleur du rayonnement solaire, y compris l'orientation, le rapport fenêtre/mur et l'ombrage extérieur
Gain de chaleur et d’humidité des occupants, y compris chaleur sensible et latente
Gain de chaleur pour l’éclairage et les équipements
Charge d'air extérieur, si le système gère l'air extérieur
Gain de chaleur par infiltration ou ouverture de porte
L’estimation basée sur la superficie, telle que les watts par mètre carré, ne peut être utilisée qu’à des fins d’estimation préliminaire et ne peut remplacer un calcul détaillé. Dans les bâtiments commerciaux, le rapport thermique sensible varie considérablement selon les pièces, les calculs doivent donc être effectués séparément.
2.2 Superficie de la pièce et hauteur du plafond
La superficie de la pièce affecte la charge de refroidissement, mais ce n’est pas le seul facteur. La hauteur du plafond affecte le volume d’air, mais son impact sur la charge de refroidissement est généralement inférieur à celui de l’enveloppe, des fenêtres, des occupants et de l’équipement. À moins que la hauteur du plafond ne soit exceptionnellement grande, comme dans les halls d’entrée ou les atriums, il n’est généralement pas nécessaire d’appliquer une règle simple comme augmenter la capacité de refroidissement de 10 % pour chaque pied supplémentaire. Au lieu de cela, le volume réel et le taux de renouvellement d’air doivent être intégrés dans le calcul de la charge.
2.3 Température et débit d'alimentation en eau glacée, de retour
La capacité de refroidissement du FCU diminue à mesure que la température d'alimentation en eau glacée augmente et augmente à mesure que la différence de température d'alimentation-retour augmente. Lors de la sélection, les éléments suivants doivent être clairement définis :
Température d'alimentation en eau glacée, par exemple 7°C
Différence de température aller-retour, par exemple 5°C
Débit d'eau glacée, en L/s ou m³/h
Chute de pression de l'eau, en kPa
Pression de service du système
La capacité de refroidissement d'un même modèle FCU peut différer de plus de 20 % sous différentes températures d'eau. La sélection ne peut donc pas se baser uniquement sur la valeur nominale du catalogue.
2.4 Débit d'air et pression statique externe
Le débit d'air détermine la répartition de l'air et l'uniformité de la température. Les FCU dissimulés au plafond ont généralement des vitesses de ventilateur élevées, moyennes et faibles. Lors de la sélection, le débit d'air doit être déterminé en fonction des exigences de distribution de l'air ambiant et la pression statique externe doit être vérifiée pour confirmer si elle est suffisante pour vaincre la résistance des conduits d'alimentation, des conduits de retour, des sorties d'air et des filtres. Si la pression statique externe est insuffisante, le débit d'air réel sera inférieur à la valeur nominale, ce qui entraînera une capacité de refroidissement réduite et une répartition inégale de la température.
2.5 Rapport thermique sensible (SHR)
Le rapport de chaleur sensible est le rapport entre la capacité de refroidissement sensible et la capacité de refroidissement totale. Différentes pièces ont des valeurs SHR différentes :
Bureaux et salles informatiques : SHR relativement élevé, 0,85–0,95
Salles de conférence, restaurants et zones densément fréquentées : SHR relativement faible, 0,70 à 0,85
Services hospitaliers et laboratoires : déterminés en fonction des exigences du processus
Lors de la sélection, le FCU SHR doit correspondre à la charge de la pièce SHR. Sinon, des conditions telles que « la température atteint le point de consigne mais l'humidité dépasse la limite » ou « une déshumidification excessive entraînant une consommation d'énergie de réchauffage » peuvent se produire.
2.6 Exigences en matière de bruit
Les FCU sont installés au-dessus du plafond et le bruit est transmis dans la pièce par les sorties d'air soufflé, les sorties d'air repris et le rayonnement du plafond. Lors de la sélection, il convient de prêter attention à :
Niveau de pression acoustique de l'unité, dB(A)
Bruit à vitesse moyenne du ventilateur
Si un caisson de pression statique insonorisant est nécessaire
Isolation des vibrations et connexions flexibles dans le vide du plafond
Pour les espaces sensibles au bruit tels que les hôpitaux, les hôtels, les bibliothèques et les studios d'enregistrement, des modèles à faible bruit doivent être sélectionnés et des mesures d'isolation contre les vibrations doivent être prévues.
2.7 Contrôle et intégration du système
Le contrôle FCU moderne comprend généralement :
Contrôle du ventilateur à trois vitesses
Vanne d'eau motorisée, deux ou trois voies
Thermostat intérieur avec réglage de la température, sélection de la vitesse du ventilateur et changement de mode
Mise en réseau avec des systèmes d'automatisation de bâtiment (BAS/BA)
Mode d'économie d'énergie, démarrage/arrêt programmé et verrouillage de présence
Lors de la sélection, il convient de confirmer que l'interface de contrôle est compatible avec le système d'automatisation du projet et que les vannes motorisées, les thermostats et les câbles réseau sont réservés.
3. Procédure de sélection du FCU
Recueillir les conditions de conception: température intérieure sèche, humidité relative, températures d'alimentation et de retour d'eau glacée, paramètres de l'air extérieur et exigences en matière de bruit.
Calculer la charge de refroidissement: calculez la chaleur sensible, la chaleur latente, la chaleur totale et le SHR pour chaque pièce.
Déterminer le débit d'air: à déterminer en fonction de la répartition de l'air, du taux de renouvellement d'air et de la différence de température de l'air soufflé.
Sélectionnez au préalable le modèle FCU: sélectionnez initialement en fonction de la capacité de refroidissement totale, de la capacité de refroidissement sensible, du SHR, du débit d'air et de la pression statique externe.
Vérifier les paramètres côté eau: vérifiez si le débit d'eau glacée, la chute de pression de l'eau et la différence de température d'alimentation et de retour correspondent au système.
Vérifier le bruit: assurez-vous que le bruit à vitesse moyenne du ventilateur répond aux exigences de la pièce.
Confirmer le schéma de contrôle: vanne motorisée, thermostat et méthode de mise en réseau.
Vérifier les conditions d'installation: espace sous plafond, trappe d'accès, pente d'évacuation des condensats et isolation.
Finaliser le modèle et la quantité.
4. Erreurs de sélection courantes
Estimation de la capacité de refroidissement uniquement par zone: ignorant l'orientation, le rapport fenêtre/mur, les occupants, l'équipement et l'air extérieur.
Utilisation d'EER/SEER pour évaluer les FCU: Les FCU n'ont pas de compresseur, ces indicateurs ne sont donc pas applicables.
Ignorer la correction de la température de l'eau glacée: les capacités de refroidissement du catalogue sont généralement basées sur des conditions standard et doivent être corrigées lorsque les températures réelles de l'eau diffèrent.
Ignorer la chute de pression de l'eau et le débit: entraînant une hauteur de pompe insuffisante ou un déséquilibre hydraulique.
Ignorer la pression statique externe: débit d'air insuffisant lorsque la résistance du conduit est élevée.
Ignorer la correspondance SHR: provoquant une perte de contrôle de l'humidité ou une consommation d'énergie de réchauffage.
Ignorer l’isolation du bruit et des vibrations: affectant le confort intérieur.
Ignorer l'évacuation des condensats: provoquant des fuites d'eau et la croissance de moisissures au-dessus du plafond.
Ignorer la compatibilité des contrôles: impossibilité de se connecter au système BA.
5. Conclusion
La sélection des FCU dissimulés au plafond est une tâche technique systématique. Il doit être basé sur des calculs détaillés de la charge de refroidissement et prendre en compte de manière exhaustive la température de l'eau glacée, le débit, la chute de pression de l'eau, le débit d'air, la pression statique externe, le rapport thermique sensible, le bruit, le contrôle et les conditions d'installation. L'estimation par zone ne peut être utilisée que pour des projets préliminaires et ne peut pas remplacer le calcul de charge professionnel. Un FCU lui-même ne génère pas de capacité de refroidissement et son efficacité énergétique n'est pas évaluée par EER/SEER. Il convient plutôt de prêter attention aux paramètres côté eau, aux paramètres côté air et à l’efficacité énergétique globale du système.
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Référence
- Manuel ASHRAE - Fondamentaux. Société américaine des ingénieurs en chauffage, réfrigération et climatisation.
- Manuel de conception des systèmes CVC. McGraw - Professionnel de la colline.