les composants de la ventilation 13

Le puits canadien

• Principe et utilisation
• Règles de conception
• Exemple

Principe et utilisation

Le puits canadiens (encore appelé "puits provençal") permet de préchauffer/prérefroidir l'air neuf d'un système de pulsion mécanique par l'intermédiaire d'un conduit d'amenée d'air enfoui dans le sol, en complément de la récupération de chaleur éventuelle.

En hiver, le sol, à cette profondeur, est plus chaud que la température extérieure : l'air froid est donc préchauffé lors de son passage dans les tuyaux. Avec ce système, l'air aspiré ne sera pas prélevé directement de l'extérieur, d'où une économie de chauffage.

En été, le sol est, à l'inverse, plus froid que la température extérieure : ce principe va donc utiliser la fraîcheur relative du sol pour le refroidissement naturel de l'air entrant dans le bâtiment.

Il semble que le puits canadien permette une économie de l'ordre de 20 .. 25 % de la consommation liée au chauffage de l'air neuf (5 .. 10 % de la consommation totale de chauffage) et permette un rafraîchissement naturel de l'air en été. Le coût du puits canadien dépend de la conception du bâtiment. Par exemple, l'intégration dans les fouilles du bâtiment ne demande pas d'excavation supplémentaire.

Cependant, vu l’investissement important qu’il requiert, les risques de condensation internes, les pertes de charges supplémentaires dans le système de ventilation qu’il amène et l’entretien, le puits canadien/provençal n’est généralement pas une priorité. En effet :

• En hiver,  il est en concurrence avec le récupérateur de chaleur. 
• En été, il permet certes d’améliorer le confort hivernal mais son rôle reste faible comparativement à d’autres stratégies passives de froid comme la bonne définition des surfaces vitrées, les protections solaires extérieures, la ventilation naturelle intensive ou l’inertie.

	Récupérateur de chaleur sur l’air extrait uniquement	Puits canadien/provençal uniquement	Récupérateur de chaleur sur l’air extrait + puits canadien/provençal
Hiver
Été

Règles de conception

Les règles de conception suivante constituent une bonne pratique pour le secteur domestique :

• la conduite sera enterrée à 2 m de la surface du sol,
• la vitesse de l'air dans le conduit ne dépassera pas 3 m/s (conseillé 2 m/s, voire moins),
• le dimensionnement du conduit tiendra compte de la nature du sol,
• le conduit comprendra une pente d'environ 2 % et une évacuation des condensats produits en été,
• le conduit sera lisse et étanche, de manière à éviter l'infiltration d'eau et les développements bactériens,
• l'entrée d'air sera équipée d'un filtre et protégée contre l'intrusion des rongeurs,
• l'entrée d'air sera située à une hauteur de 120 cm minimum ou dans un mur de soutènement,
• le diamètre des conduits ne dépassera pas 20 cm,
• si plusieurs conduits sont nécessaires, ils seront espacés d'au minimum 5 fois leur diamètre,
• l'installation sera équipée d'un by-pass thermostatisé de manière à court-circuiter le conduit enterré lorsque la température extérieure est supérieure à la température du sol et en absence de besoin de rafraîchissement.

Toutes les garanties devront être prises pour assurer la qualité hygiénique du puits canadien. Il s'agit de permettre le nettoyage du système et éviter le développement bactérien consécutif aux condensations estivales.

Exemples de précautions :

• Il est important de pouvoir accéder à la conduite pour un entretien, et un nettoyage fréquent (à prévoir dans l'entretien du bâtiment).
• Les conduites doivent être en pente, l'eau éventuelle coule vers le point d'aspiration.
• Une pompe peut être prévue au point d'aspiration pour évacuer l'eau éventuelle.
• Dans le cas d'un gainage en béton, les cycles d'imprégnation et de séchage du béton peuvent limiter les risques.

Exemple

Voici les photos d'un puits canadien posé à l'entrée de l'arrivée d'air d'un immeuble de bureaux (bâtiment Worx - Kortrijk - conception Cenergie), en utilisant des conduits d'égout.

 Une fois les travaux terminés, voici la vue de la prise d'air :

Résultats : évolution de la température dans le conduit (courbe rose "grondbuis"), au mois de mai (température du sol avoisinant les 10°C). La température de l'air en sortie de puits avoisine les 15°C :

Et quelques mois plus tard, lors d'une période de canicule (t° de l'air en sortie de puits de 22°C alors que l'air extérieur est à 35°C) :

les composants de la ventilation 12

Les absorbeurs acoustiques

Les silencieux à absorption

Le silencieux à absorption est le plus utilisé dans les installations de ventilation et de climatisation.

Physiquement, l'énergie acoustique du signal sonore est absorbée par les parois et convertie en chaleur.

gaine d'écoulement. enveloppe perméable aux sons. matériau d'absorption acoustique.

Le principe consiste à faire circuler l'air entre des plaques de matériau absorbant, appelées baffles (garnie de plaques métalliques dans le cas des silencieux pour basse fréquence). L'atténuation acoustique d'un silencieux est fonction de l'épaisseur des baffles, de l'écartement entre deux baffles et de la longueur de ces derniers

Silencieux composés de cinq baffles.

Baffle pour silencieux efficace pour les hautes fréquences.

Baffle pour silencieux, recouvert en partie d'une tôle métallique pour les basses fréquences.

  

Tourelles d'extraction équipées d'un silencieux.

Il existe également des baffles cylindriques dans lesquels le matériau absorbant est recouvert d'un tube  perforé. Ceux-ci ne permettent pas une atténuation aussi importante que leurs homologues rectangulaires, mais provoquent moins de pertes de charges. Pour les plus grands diamètres, ce type de silencieux est en outre équipé d'un cylindre central (appelé bulbe) pour augmenter ses performances.

     

Silencieux cylindriques sans et avec bulbe.

Les silencieux actifs

L'absorption acoustique active est une nouvelle technologie pleine de promesses. Le principe est de créer à l'aide d'un circuit électronique une onde déphasée par rapport à l'onde acoustique qui se propage dans le réseau, annulant cette dernière :

Le bruit incident dans la gaine est transmis par le microphone de détection (situé vers le ventilateur) au calculateur électronique. Celui-ci analyse ce signal entrant, le décompose, calcule le signal inverse et le restitue au haut-parleur. Ce dernier émet le bruit contraire ainsi créé dans le flux d'air qui interfère de manière destructive avec le bruit incident pour l'atténuer. Un microphone de contrôle (à l'opposé du ventilateur) transmet au calculateur le bruit atténué résultant pour qu'il corrige et optimise cette atténuation. Silencieux actif.

L'énorme avantage de cette technique est de ne créer que peu de perte de charge, contrairement à tous les systèmes dits "passifs".

Les silencieux actifs sont capables d'éliminer aussi bien des bruits complexes que des sons purs. Ils sont particulièrement efficaces dans l'atténuation des basses fréquence sans sélectivité.

Ils peuvent ainsi être complémentaire aux silencieux à absorption car leur association permet de réduire des niveaux de bruit sur de larges bandes allant des basses aux hautes fréquences.

Les silencieux actif s'insère directement sur un réseau de gaines circulaires mais, pour les gaines rectangulaires des pièces d'adaptation sont nécessaires.

Les turbulences au sein de l'écoulement d'air diminuent les performances de ce type de silencieux. Il faut donc être attentif à les placer dans une portion du réseau où l'air se répartit le plus uniformément sur toute sa section.

La manchette de compensation

La manchette de compensation, ou compensateur élastique, a pour mission de couper les bruits transmis par les solides, grâce à son élasticité.

Tout particulièrement, elle permet de stopper les vibrations générées par le ventilateur dans le caisson de climatisation.

Elle est réalisée en toile à voile, en tissu plastifié ou en matière synthétique.

Le revêtement absorbant de conduit

Un revêtement intérieur fibreux (généralement, il s'agit de panneaux de laine minérale) renforce l'atténuation du son transporté par un conduit d'air.

Il existe des matériaux avec protection contre la désagrégation (pour éviter un détachement des fibres du matériau acoustique), par exemple des panneaux de fibres minérales enduits au néoprène. Cet enduit ne doit pas dépasser 0,1 mm d'épaisseur, sans quoi le pouvoir d'absorption est diminué. Les panneaux pouvant émettre des fibres dans le réseau de ventilation sont, quant à eux, à éviter.

Ces panneaux ont pour avantage de créer simultanément une isolation thermique entre le fluide et les locaux traversés... mais ont pour désavantages d'augmenter les pertes de charge, de retenir les poussières et de favoriser le développement de milieux peu hygiéniques...

Exemple : imaginons un conduit de 0,15 m x 0,15 m de section, d'une longueur de 11 m, munie d'un revêtement absorbant sur 1 m. Quelle sera l'atténuation sonore totale ?

Voici l'atténuation du niveau sonore annoncée par un fabricant de panneaux absorbants [en dB/m] :

Section du conduit	125 Hz	250 Hz	500 Hz	1 000 Hz	2 000 Hz	4 000 Hz
0,15 m x 0,15 m	4,5	4	11	16,5	19	17,5
0,30 m x 0,30 m	1,5	1,5	6	15	10	7
0,60 m x 0,60 m	1	1,5	5	12	7	4,5

Remarque. On constate que l'absorption acoustique d'un matériau fibreux est nettement plus élevée pour les hautes fréquences (sons aigus) que les basses fréquences (sons graves). On constate également que le même absorbant est plus efficace dans un conduit de faible diamètre (la fréquence des chocs avec les parois est beaucoup plus élevée).

Voici l'atténuation linéaire [en dB/m] d'un conduit en tôle d'acier :

Section du conduit	125 Hz	250 Hz	500 Hz	1 000 Hz	2 000 Hz	4 000 Hz
0,15 m x 0,15 m	0,6	0,45	0,3	0,3	0,3	0,3

Additionnons les atténuations [en dB] sur les 11 m de conduit :

	125 Hz	250 Hz	500 Hz	1 000 Hz	2 000 Hz	4 000 Hz
10 m sans revêtement	6	4,5	3	3	3	3
1 m avec revêtement	4,5	4	11	16,5	19	17,5
Atténuation totale	10,5	8,5	14	19,5	22	20,5

Conclusions : Il est très frappant de voir l'efficacité de 1 m de matériau absorbant par rapport à 10 m de tôle non couverte ! En fait, les conduits en tôle avec revêtement absorbant ne sont rien d'autre que des silencieux à absorption...

les composants de la ventilation 11

Les registres et clapets

Clapets de réglage des débits.

Registres de réglage

Les registres et clapets

Ces registres servent 

• Au réglage de débit d'air, par création d'une perte de charge variable, qui n'est pas directement proportionnelle à l'angle de pivotement des volets : la variation du débit dépend essentiellement de la pente de la courbe débit-pression du ventilateur ; si cette pente est fortement descendante, le débit diminuera lorsque le registre sera près de la fermeture (avec un risque de bruits importants).
  
• A l'isolement entre un conduit d'air et un ou plusieurs autres. Par exemple, pour remplacer une alimentation en air recyclé par une alimentation en air neuf ou pour isoler un échangeur de température. Une étanchéité rigoureuse n'est généralement pas demandée.

En général de section rectangulaire, ils comportent plusieurs lames ou volets pivotant autour d'axes parallèles, depuis une position "ouvert" où ils présentent leur tranche à l'écoulement de l'air, jusqu'à une position "fermée" où leurs bords se rejoignent : comme chaque volet a un effet directionnel, on les actionnent de manière à ce que leur sens de pivotement soit contraire d'un volet à l'autre. On évite ainsi que la déviation du flux d'air aval ne perturbe trop l'écoulement loin à l'aval du registre.

Dans le cas de sections circulaires, on utilise parfois (pour une facilité d'approvisionnement et de fabrication) des registres de section carrée, dont les coins débordent. Un registre de section ronde à un seul volet rond créerait une dissymétrie perturbant trop l'écoulement aval. Les registres à deux volets semi-circulaires sont préférables.

   

Volets de réglage.

Il est difficile de réaliser des registres très étanches. Néanmoins, il est possible de réduire les fuites en position fermée à quelques pour-cent du débit normal avec des bords de volet se recouvrant et munis de joints souples. Le jeu entre volets et parois doit être réduit au minimum tout en restant compatible avec un pivotement facile des volets.

Dans les régions froides, des résistances électriques peuvent être incorporées aux bords des volets placés à l'extérieur.

Clapets d'obturation

Les registres et clapets

Il s'agit des dispositifs permettant la fermeture quasi parfaite d'un conduit. Ils peuvent être actionnés mécaniquement et même automatiquement dès que la vitesse de l'air diminue ou tend à s'inverser. Ils ne comportent généralement qu'un seul volet dont la section est supérieure à celle du conduit. Ils reposent par leur pourtour sur un siège souvent garni d'un joint souple laissant libre une section égale à celle du conduit.

Clapet anti-retour.	Clapet de fermeture.

De tels clapets se rencontrent souvent au refoulement de ventilateurs, fonctionnant en parallèle, afin d'éviter un retour en arrière à travers un ventilateur arrêté. Sans ce dispositif le ventilateur risque d'avoir des temps de démarrage plus long provoquant un échauffement important du rotor du moteur électrique. De tels clapets s'imposent également quand un conduit doit être isolé pour des questions d'entretien ou de sécurité (désenfumage en cas d'incendie).

On utilise également des clapets plus légers dits "anti-retour" comprenant souvent plusieurs lames comme les registres, ces lames retombant sous leur propre poids quand la circulation d'air s'arrête ou s'inverse.

Diaphragmes de réglage

Les registres et clapets

L'utilisation de diaphragmes fixes ou réglables est parfois nécessaire pour modifier la perte de charge d'un circuit pour équilibrer les débits réels par rapport aux prévisions.

Diaphragme de réglage des débits.

Les diaphragmes sont des sources de bruit et créent des zones d'accumulation de poussières. Ils sont réalisés sous des formes différentes 

• Lame plane pénétrant dans le conduit entre deux brides d'assemblage, fixée au montage ou coulissante dans des rainures pour obtenir un réglage. Sa position peut être bloquée par pose d'une goupille.
  
• Lame fixée contre un côté intérieur du conduit et pouvant pivoter par déformation sous la poussée d'une tige articulée ressortant de la paroi. La lame est solidarisée à la paroi après obtention d'un réglage correct.
  
• Grille, grillage ou tôle perforée qui répartissent mieux la perte de charge et ont l'avantage de ne perturber l'écoulement aval que sur une courte distance et d'homogénéiser le flux d'air.

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Les conduits de distribution d'air

Matériaux

Il existe des gaines de distribution en :

• acier galvanisé,
• aluminium,
• inox,
• matière synthétique,
• ciment (les conduits en Eternit et boisseau ont une rugosité de 1,5 à 2 fois supérieure aux conduits galvanisés et donc des pertes de charge nettement plus élevées).

Forme

Les conduits cylindriques

Avantages

• Demandant moins de matière pour une même section, ils sont plus légers et plus économiques.
• Ils sont faciles et rapides à poser.
• Ils se prêtent bien aux changements de direction en plan et en élévation.
• Leur étanchéité est très bonne, particulièrement si les raccords entre conduits se fait avec double joint.

Inconvénients 

• Les piquages et le placement de bouches en parois sont plus compliqués.
• Leur encombrement en hauteur est plus important

Conduit circulaire avec joint aux raccords.

Les conduits rectangulaires

Avantages

• L'encombrement en hauteur peut être plus réduit.
• Les piquages et les bouches en flanc de conduit sont faciles à réaliser.
• Les coudes peuvent facilement être équipés d'aubes directrices.

Inconvénients

• La quantité de matière utilisée est plus importante. Le réseau est donc plus lourd et plus coûteux.
• Pour une même section, la perte de charge linéaire est donc aussi plus élevée pour un même débit.
• La déformation des conduits est plus rapide.
• L'étanchéité du réseau dépend très fort de la mise en oeuvre et de la qualité des joints. Il est presque impossible d'atteindre l'étanchéité des conduits circulaires.

 Adhésif d'étanchéité des conduits rectangulaires.

Les conduits oblongs

Ils sont un compromis entre les conduits circulaires et les conduits rectangulaires  ils sont faciles à placer et étanches et ils prennent moins de place en hauteur que les conduits circulaires.

Coudes, changements de section, piquages

 La forme des coudes, changements de direction, de section ou dérivations jouent un rôle important dans les pertes de charge du réseau de distribution.

Isolation thermique et acoustique

Pour limiter les pertes thermiques lorsque le réseau véhicule de l'air chaud ou de l'air froid, il existe des conduits isolés thermiquement. L'isolant peut être apposé après pose des conduits. Les conduits peuvent également être directement composés du matériau isolant. Dans ce cas, une attention particulière sera portée sur la tenue mécanique de la surface interne du conduit qui ne doit pas présenter de rugosité excessive (augmentation des pertes de charge) et résister à l'arrachement.

Dans le cas de conduits véhiculant de l'air froid, les risques de condensation lors de la traversée d'un local plus chaud que l'air transporté sont éliminés au moyen d'un film pare-vapeur (tissu imprégné, film plastique ou métallique). Il existe des isolants déjà revêtus de tels films. Dans ce cas les joints doivent se refermer au moyen de ruban adhésif.

Il existe également des conduits rectangulaires directement composés de panneaux de laine minérale. Ceux-ci sont d'office enrobés d'un film pare-vapeur. Ces conduits ont par la même occasion des caractéristiques d'absorption acoustique.

Conduits composés de panneaux de laine minérale.

Isolant (épaisseur 25 mm) pour conduit
recouvert d'une feuille d'aluminium.

Normalisation des sections

Le standard Eurovent 2/3 fixe la section des conduits de ventilation à des valeurs standards :

Conduits circulaires

Série des diamètres intérieurs (mm)
63	80	100	125	160	200	250
315	400	500	630	800	1 000	1 250

Rapport de grandeur entre 2 diamètres successifs
Diamètres (mm)	1,26
Sections (m²)	1,58
Vitesses (m/s)	1,58
Pressions dynamiques (Pa)	2,51
Pertes de charge linéaires (PA/m)	3,16

Conduits rectangulaires

Les conduits rectangulaires sont donnés en fonction de leurs côtés. La norme précise également la section obtenue A_c en m², le diamètre hydraulique d_h en mm, le diamètre équivalent d_e en mm et l'aire de surface latérale A_i en m²/m.

• d_h = le diamètre du conduit circulaire ayant les mêmes pertes de charge pour une vitesse d'air identique. 
• d_e = le diamètre du conduit circulaire ayant les mêmes pertes de charge pour un débit identique (avec les mêmes coefficients de frottement).

Le standard Eurovent 2/3 fournit également les correspondances entre les dimensions des conduits rectangulaires, d_h, d_e, A_c et ai sous forme d'abaques.

Grand coté (mm)	Petit côté (mm)
	100	150	200	250	300	400	500	600	800	1 000	1 200	-
200	0,020	0,030	0,040	-	-	-	-	-	-	-	-	Ac
	133	171	200	-	-	-	-	-	-	-	-	dh
	149	186	218	-	-	-	-	-	-	-	-	de
	0,60	0,70	0,80	-	-	-	-	-	-	-	-	ai
250	0,025	0,038	0,050	0,063	-	-	-	-	-	-	-	Ac
	143	188	222	250	-	-	-	-	-	-	-	dh
	165	206	241	273	-	-	-	-	-	-	-	de
	0,70	0,80	0,90	1,00	-	-	-	-	-	-	-	ai
300	0,030	0,045	0,060	0,075	0,090	-	-	-	-	-	-	Ac
	150	200	240	273	300	-	-	-	-	-	-	dh
	180	224	262	296	327	-	-	-	-	-	-	de
	0,80	0,90	1,00	1,10	1,20	-	-	-	-	-	-	ai
400	0,040	0,060	0,080	0,100	0,120	0,160	-	-	-	-	-	Ac
	160	218	267	308	343	400	-	-	-	-	-	dh
	205	255	299	337	373	436	-	-	-	-	-	de
	1,00	1,10	1,20	1,30	1,40	1,60	-	-	-	-	-	ai
500	-	0,075	0,100	0,125	0,150	0,200	0,250	-	-	-	-	Ac
	-	231	286	333	375	444	500	-	-	-	-	dh
	-	283	331	374	413	483	545	-	-	-	-	de
	-	1,30	1,40	1,50	1,60	1,80	2,00	-	-	-	-	ai
600	-	0,090	0,120	0,150	0,180	0,240	0,300	0,360	-	-	-	Ac
	-	240	300	353	400	480	545	600	-	-	-	dh
	-	307	359	406	448	524	592	654	-	-	-	de
	-	1,50	1,60	1,70	1,80	2,00	2,20	2,40	-	-	-	ai
800	-	-	0,160	0,200	0,240	0,320	0,400	0,480	0,640	-	-	Ac
	-	-	320	381	436	533	615	686	800	-	-	dh
	-	-	410	463	511	598	675	745	872	-	-	de
	-	-	2,00	2,10	2,20	2,40	2,60	2,80	3,20	-	-	ai
1 000	-	-	-	0,250	0,300	0,400	0,500	0,600	0,800	1,000	-	Ac
	-	-	-	400	462	571	667	750	889	1 000	-	dh
	-	-	-	512	566	662	747	825	965	1 090	-	de
	-	-	-	2,50	2,60	2,80	3,00	3,20	3,60	4,00	-	ai
1 200	-	-	-	-	0,360	0,480	0,600	0,720	0,960	1,200	1,440	Ac
	-	-	-	-	480	600	706	800	960	1 091	1 200	dh
	-	-	-	-	614	719	812	896	1 049	1 184	1 308	de
	-	-	-	-	3,00	3,20	3,40	3,60	4,00	4,40	4,80	ai
1 400	-	-	-	-	-	0,560	0,700	0,840	1,120	1,400	1,680	Ac
	-	-	-	-	-	622	737	840	1 018	1 167	1 292	dh
	-	-	-	-	-	771	871	962	1 125	1 270	1 403	de
	-	-	-	-	-	3,60	3,80	4,00	4,40	4,80	5,20	ai
1 600	-	-	-	-	-	0,640	0,800	0,960	1,280	1,600	1,920	Ac
	-	-	-	-	-	640	762	873	1 067	1 231	1 371	dh
	-	-	-	-	-	819	925	1 022	1 195	1 350	1 491	de
	-	-	-	-	-	4,00	4,20	4,40	4,80	5,20	5,60	ai
1 800	-	-	-	-	-	-	0,900	1,080	1,440	1,800	2,160	Ac
	-	-	-	-	-	-	783	900	1 108	1 286	1 440	dh
	-	-	-	-	-	-	976	1 078	1 261	1 424	1 573	de
	-	-	-	-	-	-	4,60	4,80	5,20	5,60	6,00	ai
2 000	-	-	-	-	-	-	1,000	1,200	1,600	2,000	2,400	Ac
	-	-	-	-	-	-	800	923	1 143	1 333	1 500	dh
	-	-	-	-	-	-	1 024	1 131	1 323	1 494	1 650	de
	-	-	-	-	-	-	5,00	5,20	5,60	6,00	6,40	ai

Normalisation de l'étanchéité

Le standard EUROVENT 2/2 est basée sur des tests réalisés en laboratoire et sur site sur des conduits mis en oeuvre suivant les codes de bonne pratique. Elle concerne le taux de fuite dans les conduits allant de la sortie de la centrale de traitement d'air aux éléments terminaux.

Un certain degré de fuite dans les réseaux de ventilation est inévitable (et toléré sauf évidemment dans les réseaux transportant des gaz dangereux). Il est en outre reconnu que le transport, le stockage et la mise en oeuvre est source d'agravation des risques de fuite.

EUROVENT 2/2 définit des classes d'étanchéité basées sur le rapport entre la quantité de fuite dans les conduits et la surface du réseau de distribution d'air, bien que les fuites proviennent principalement des joints.

Classe d'étanchéité à l'air des conduits de ventilation selon EUROVENT 2/2
Mesure sur des conduits installés
Taux de fuite [s-1.m-2]  p = pression statique d'essai [Pa]	Surface de fuite équivalente en cm² par m² de conduit	Classe EUROVENT
0.009 x p0,65 <...< 0.027 x p0,65	0.21 <...< 0.64	A
0.003 x p0,65 <...< 0.009 x p0,65	0.07 <...< 0.21	B
< 0.003 x p0,65	< 0.07	C
Mesure en laboratoire
Taux de fuite [s-1.m-2]  p = pression statique d'essai [Pa]	Surface de fuite équivalente en cm² par m² de conduit	Classe EUROVENT
0.0045 x p0,65 <...< 0.0135 x p0,65	0.21 <...< 0.64	A
0.0015 x p0,65 <...< 0.0045 x p0,65	0.07 <...< 0.21	B
< 0.0015 x p0,65	< 0.07	C