Upload
phamxuyen
View
226
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
1
Christophe Delmotte, irLaboratoire Qualité de l’Air et Ventilation
CSTC - Centre Scientifique et Technique de la Construction
Calcul des pertes de pressionet dimensionnement desconduits de ventilation
Applications résidentielles
A-t-on besoin d’un professionnelpour installer un système de ventilation?
Ne suffit-il pas de connecter ensemble tous les accessoires pour obtenir les débits d’air souhaités dans chaque local?
Faut-il vraimentfaire des calculs pour que ça fonctionne correctement?
223/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
2
Que se passe-t-il dans unsystème de ventilation mécanique?
Un ventilateur force l’airà se mouvoir dans des conduits On a besoin d’un ventilateur car les conduits
résistent au passage de l’air (pertes de pression)
L’air suit de préférence le conduitqui oppose le moins de résistance Si on veut plus d’air d’un côté,
il faut réduire la résistance de ce côté
323/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Est-ce que les dimensions desconduits ont vraiment de l’importance?
Les grands diamètres coûtent cheret prennent beaucoup de place
Les petits diamètres opposentplus de résistance au passage de l’air Et cela nécessite des ventilateurs plus puissants
Il faut trouver un bon compromis On a besoin de méthodes de dimensionnement On a besoin de professionnels pour les appliquer
423/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
3
Calcul des pertes de pression
523/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Pertes de pression linéaires
Sont provoquées par la viscosité de l’air Frottement des molécules
entre elles et le long des parois
Elles prennent naissance lorsqu’il y a mouvement de l’air et ont lieu surtoute la longueur des conduits
623/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
4
Formule de Darcy-Weisbach
Perte de pression linéairedans le cas d’un conduit circulaire
(lambda): coefficient de frottement de Darcy [-] L : longueur du conduit [m] D : diamètre intérieur du conduit [m] (rho): masse volumique de l’air [kg/m³] v : vitesse moyenne de l’air [m/s]
723/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Coefficient de frottement de Darcy
Dépend du régime d’écoulement
Nombre de Reynolds v : vitesse moyenne de l’écoulement [m/s] D : diamètre intérieur du conduit [m] (nu): viscosité cinématique [m²/s]
823/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
5
Exemple de calculdu nombre de Reynolds
923/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Caractéristiques de l’air
1023/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
6
Coefficient de frottement de Darcy
En régime d’écoulement laminaire, est indépendant de la rugosité du conduit
Formule de Poisseuille
La perte de pression estproportionnelle à la vitesse de l’air
1123/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Coefficient de frottement de Darcy
En régime d’écoulement turbulent, dépend du nombre de Reynolds etde la rugosité relative (/D) du conduit Équation de Colebrook-White
: coefficient de frottement de Darcy [-] (epsilon): rugosité absolue de la paroi interne
du conduit [m] D : diamètre intérieur du conduit [m] Re : nombre de Reynolds [-]
1223/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
7
Rugosité absolue
1323/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Coefficient de frottement de Darcy
Équation de Colebrook-White Pas de solution analytique Résolution par itération
Formule de Swamee-Jain Bonne approximation Résolution directe
1423/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
8
Diagramme de Moody
1523/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Formules approchées
1623/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
9
Nomogrammes
1723/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Règles à calculer
1823/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
10
Conduits flexibles
La rugosité absolue est généralement donnéepour leur configuration complètement étirée(notée « FS » de l’anglais « Fully Streched »)
Il est utile de la corriger en fonction du taux de compression
1923/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Conduits flexibles
Taux de compression rc
Facteur de correction
Coefficient de correction acor égal à 21 pour les diamètres de 75 à 500 mm
2023/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
11
Pertes de pression singulières
Se produisent quand il y a perturbation de l’écoulement normal, décollement des parois et formation de tourbillons aux endroits où il y a changement de section ou de direction ou en présence d’obstacles (rétrécissements, évasements, coudes, clapets, etc.)
La sortie de l’air d’un conduit vers un grand espace engendre également une perte de pression singulière
2123/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Pertes de pression singulières
pj : perte de pression singulière [Pa] (zêta): coefficient de perte de pression
singulière de l’élément considéré [-] (rho): masse volumique [kg/m³] v: vitesse moyenne [m/s]
2223/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
12
Principe de détermination de
2323/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Norme de référence: NBN CR 14378 (2002)
Principe de détermination de
Détermination expérimentale
Très grand nombre de familles d’accessoires Coudes, tés, élargissements, clapets, bouches...
Très grand nombre de variantes dans unemême famille
2423/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
13
Variabilité des données expérimentales
Evolution des méthodes de mesure ? Géométrie et matériau différents ? Dimensions et débit différents ?
Il faut considérer les résultatsdes calculs avec prudence
2523/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Exemples de valeurs
2623/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
14
Exemples de valeurs
2723/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Combinaison d’accessoires
2823/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
15
Ouvrages de référence
2923/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Ouvrages de référence
Ashrae Duct Fitting Database (CD-Rom)
3023/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
16
Information donnée par les fabricants
Probablement plus fiable que des valeurs générales mais pas vraiment adapté au calculautomatisé
3123/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Bouches d’air
Principal élément de réglage dudébit en application résidentielle
La perte de pression dépend du modèleet de l’état d’ouverture de la bouche
3223/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
17
Bouches de ventilation
Perte de pression maximalelimitée par des critères acoustiques
3323/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Perte de pression cumulée
La perte de pression cumulée d’unconduit d’air est égale à la somme des pertes de pression linéaires pf
dans les longueurs droites et des pertes de pression singulières pj au droit
des éléments particuliers le long d’un même trajet
3423/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
18
Perte de pression cumulée - Exemple
3523/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
1 m
1 m 1 m2 m
2 m
A B
C
DE F G H
I
J
L
Atténuateurde son
Ventilateur
Débit = 150 m³/h
Perte de pression cumulée - Exemple
3623/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
19
Perte de pression cumulée - Exemple
3723/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Perte de pression cumulée - Exemple
3823/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
20
Perte de pression cumulée - Exemple
3923/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
4023/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
21
4123/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Perte de pression cumulée - Exemple
4223/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
22
4323/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
4423/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
0
5
10
15
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Perte de charge en Pa
Débit en m³/h
160
131
23
Perte de pression cumulée - Exemple
4523/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Conduits rectangulaires ou oblongs
La formule de la perte de pression linéaires’applique à des conduits circulaires
Comment effectuer le calcul avec des conduits rectangulaires ou oblongs?
4623/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
24
Diamètre hydraulique
On peut utiliser la formule générale à condition de faire appel au diamètre hydraulique
Dh : diamètre hydraulique du conduit [m] Ac : aire du conduit [m²] P : périmètre du conduit [m]
Conduit rectangulaire
4723/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Diamètre hydraulique
Le diamètre hydraulique d’un conduit de forme quelconque correspond au diamètre d’un conduit circulaire fictif engendrant la même perte de pression linéique, pour une même vitesse d’air et une même rugosité absolue (matériau identique)
4823/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
25
Diamètre hydraulique - Exemple
4923/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Diamètre hydraulique - Exemple
5023/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
26
Diamètre équivalent
Comment calculer le diamètre d’un conduit circulaire réel qui engendrerait la même perte de charge répartie, pour un même débit d’air et une rugosité absolue identique? Le diamètre hydraulique n’est pas utilisable car il
est défini pour une même vitesse d’air
Utilisation du diamètre équivalent
5123/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Diamètre équivalent
Formulation générale
De : diamètre équivalent du conduit [m] Ac : aire du conduit [m²] P : périmètre du conduit [m]
Conduit rectangulaire de côtés a et b
5223/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
27
Dimensionnement des conduits
5323/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Dimensionnement des conduits
Détermination la section des conduits et des accessoires et sélection des organes d’équilibrage en vue d’obtenir les débits d’air souhaités dans les différentes branches du réseau
Recherche d’un compromis entre la section des conduits et l’énergie nécessaire au déplacement de l’air
5423/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
28
Dimensionnement des conduits
Grande section Pertes de pression réduites (économie d’énergie) Vitesse réduite (limitation du bruit)
Petite section Coût du matériel réduit Encombrement réduit
5523/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Méthodes de dimensionnement
Section constante Vitesse constante Réduction de vitesse Pertes de pression linéiques constantes Regain statique (méthode de conservation de la
pression statique ; uniquement d’application pour les réseaux de pulsion)
Méthode des 30% (simplification de la méthode du regain statique)
Méthode T (méthode d’optimisation qui vise à minimaliser les coûts d’installation et de fonctionnement)
5623/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
29
Méthode de la réduction de vitesse
Consiste, après avoir choisi la vitesse au départ du groupe, à la réduire graduellement, mais sans suivre une règle précise, jusqu’aux tronçons terminaux
5723/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Méthode de la réduction de vitesse
Choix de la vitesse Dépend de la zone concernée Tient compte de la limitation
des nuisances acoustiques
Le choix de la vitesse fixe le diamètre
5823/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
30
Sections de conduits disponibles
5923/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Équilibrage des différentes branches
Règle de base La variation de pression totale est identique (« en
équilibre ») le long de chaque trajet, c’est-à-dire entre le ventilateur et chacune des extrémités du réseau considéré
Pour qu’un réseau soit en équilibre, il faut que chaque trajet présente la même perte de pression
6023/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
31
Équilibrage des différentes branches
Répartition du débit qui entraîne une même perte de charge (34 Pa) dans les deux branches
Pour un débit identique (125 m³/h) on aurait 41 et 30 Pa
6123/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Équilibrage des différentes branches
Après la sélection des diamètres:
Calcul des pertes de pressionpour chaque branche
Équilibrage des branches Ajout d’organes de réglage (bouches réglables) Modification de certains diamètres Modification de certains accessoires
6223/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
32
Application pratique
6323/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Choix du diamètre des conduits
6423/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
33
Calcul des pertes de pression
6523/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Équilibrage des différentes branches
6623/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
34
Équilibrage au moyen d’une bouche d’air
6723/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
48
5
56
Méthode des pertes depression linéiques constantes
Le principe de cette méthode estde dimensionner les conduits pourune perte de pression linéique constante
La perte de pression linéiqueest choisie librement Une règle de bonne pratique pour les systèmes de
ventilation résidentielle est de choisir une perte de pression linéique entre 0.7 Pa/m et 1 Pa/m
6823/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
35
Lorsque les bouches de ventilation choisies ne permettent pas d’équilibrer le réseau ou lorsque l’on souhaite améliorer l’équilibre initial du réseau, trois solutions sont possibles Revoir le dimensionnement des branches les plus
résistantes (en augmentant le diamètre de certains de leurs tronçons) voire remettre en question le tracé du réseau (cette première solution est toujours recommandée dans un souci d’économie d’énergie)
Sélectionner des bouches moins résistantes pour les trajets les plus résistants
Revoir le dimensionnement des branches les moins résistantes (en diminuant le diamètre de certains de leurs tronçons sans jamais dépasser la vitesse maximale) ou y ajouter des dispositifs de réglage (perte de pression complémentaire)
6923/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Détermination du diamètre des conduits
Utilisation des nomogrammes
Formules approchées conduits aérauliques circulaires en acier à joint
spiral ( = 0.09 mm)
Formules détaillées Calcul itératif
7023/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
36
Calcul du diamètre au moyen des formules détaillées
Pour effectuer ce calcul onpeut suivre les étapes suivantes Fixer un diamètre a priori Calculer la vitesse de l’air compte tenu du débit Calculer le nombre de Reynolds Calculer la rugosité relative du conduit Calculer le coefficient de frottement de Darcy Calculer la perte de pression linéique Modifier le diamètre en procédant par itérations
de façon à ce que la perte de pression linéique soit aussi proche que possible de la valeur choisie
7123/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Application pratique
7223/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
37
Équilibrage des différentes branches
7323/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Option pour cette méthode
Application d’un critère de vitesse maximale de l’air en plus du critère des pertes de pression linéiques
7423/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
38
Équilibrage des différentes branches
7523/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Courbe caractéristiqued’un réseau aéraulique
Les pertes de pression linéaires et singulières sont approximativement proportionnelles au carré de la vitesse de l’air Et donc aussi au carré du débit d’air
p : perte de pression (cumulée) [Pa] k : constante propre au réseau aéraulique
considéré [Pa / (m³/s)²] qv : débit d’air [m³/s]
7623/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
39
Courbe caractéristiqued’un réseau aéraulique
7723/10/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
1
Christophe Delmotte, irLaboratoire Qualité de l’Air et Ventilation
CSTC - Centre Scientifique et Technique de la Construction
Mesure des débits d’air etréglage des bouches de ventilation
Mesure et réglage sont indispensables
Les systèmes de ventilation ne se règlent pas tout seuls
Pas de réglage possible sans mesure
212/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
2
Mesure au niveau des bouches d’air
Anémomètre aveccône de mesure
Bouches d’extraction Mesure fiable en général
sauf bouches très fermées
Bouches de pulsion Mesure globalement
peu fiable
312/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Mesure au niveau des bouches d’air
Appareil à compensationde pression sans grille stabilisatrice Compensation de la perte de
pression avec un ventilateur intégré à l’appareil
Mesure fiable en généralsauf avec des bouchestrès fermées
412/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
3
Mesure au niveau des bouches d’air
Appareil à compensationde pression avec grille stabilisatrice Compensation de la perte de
pression avec un ventilateur intégré à l’appareil
Mesure fiable dansla plupart des cas
512/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Mesure en conduit rigide
Type de sonde Sonde thermique Anémomètre Tube de Pitot
Longueur droitesuffisante nécessaire
Calcul nécessaire
Mesure fiable dansla plupart des cas Respect des règles de base
612/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
4
Pensez à la mesure lors de la conception
La mesure peut être rendue très difficile par un mauvais placement des bouches
712/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
Pour plus d’information
Mesurer les débits de ventilation mécanique www.cstc.be CSTC-Contact 2012/3
Guide des bonnes pratiques des mesuresde débit d’air sur site pour les installationsde ventilation www.cetiat.fr
NBN EN 12599 : 2000 Ventilation des bâtiments - Procédures d'essai et méthodes de mesure pour la réception des installations de ventilation et de climatisation installées (+AC:2002) www.nbn.be
812/2012 Centre Scientifique et Technique de la Construction
14 | CSTC-Contact 2012/3
CT
Cha
uffa
ge e
t cl
imat
isat
ion
LLa mesure des débits de ventilation mécanique permet de régler l’installation, mais aussi de démontrer la conformité des débits réellement atteints. Malheureusement, certains instruments de mesure sur le marché ne sont pas suffisamment fiables. Cet article fait le point sur les méthodes de mesure des débits de ventilation mécanique dans les applications de type résidentiel.
✍ S. Caillou, dr. ir., chef de projet, labora-toire Qualité de l’air et ventilation, CSTC
Article rédigé dans le cadre du projet OPTIVENT, financé par l’IWT.
POURQUOI MESURER LES DÉBITS ?
La mesure des débits de ventilation méca-nique constitue une étape capitale de la mise en service d’une installation de ventilation. En effet, cette mesure est nécessaire pour le réglage de l’installation, c.-à-d. le réglage du ventilateur et des bouches de pulsion ou d’ex-traction d’air dans les différents locaux et ce, pour atteindre le bon débit au bon endroit !
La mesure des débits permet également de gagner de précieux points E dans le cadre de la réglementation PEB (résidentiel unique-ment). On peut ainsi gagner entre deux et cinq points, selon le type de système, lorsque l’on peut démontrer que les débits sont correcte-ment réglés.
CHOISIR LE BON INSTRUMENT DE MESURE
Il existe plusieurs méthodes de mesure des débits. Une multitude d’instruments sont ac-tuellement disponibles pour chacune d’elle. Une campagne d’essais a été réalisée au CSTC afin d’évaluer les principales méthodes de mesure au niveau des bouches de pulsion
Mesurer les débits de ventilation mécanique
et d’extraction. Le tableau ci-dessous donne une vue d’ensemble de ces méthodes ainsi qu’un certain nombre de critères permettant d’en apprécier au mieux les avantages et les inconvénients.
Il en ressort ainsi qu’un appareil à compensation de pression muni d’une grille stabilisatrice offre d’excellents résultats, tant au niveau de la fiabilité de la mesure que de la facilité d’utilisation (1). Cette grille est un élément capital permettant de stabiliser le flux d’air et de donner de bons résultats même si le flux est perturbé (flux asymétrique avec, par exemple, une bouche dite à secteur propre, une vitesse d’air localement très élevée, …). Le ventilateur intégré à cet instrument de mesure permet, quant à lui, de compenser la perte de pression crée par l’instrument.
Certaines variantes de cette méthode, avec compensation de pression, mais sans grille stabilisatrice, fournissent de moins bons ré-sultats dans certaines conditions (2), en par-ticulier lorsque la bouche de pulsion ou d’ex-traction est anormalement fermée ou lorsque le flux au niveau de la bouche de pulsion est asymétrique.
La méthode de l’anémomètre à hélice associé à un cône est très répandue, mais peut être à l’origine d’erreurs très importantes dans cer-taines conditions (3).
L’utilisation d’une petite sonde dans un conduit (fil chaud ou anémomètre de petite dimension) est envisageable, mais moins pra-tique (4). Cette méthode peut également être appliquée, à certaines conditions, au niveau des bouches de pulsion et d’extraction. Le cas échéant, on utilise un tronçon de conduit sup-plémentaire (d’une longueur de 1 m, p. ex.) que l’on connecte au réseau à la place de la bouche. La bouche est ensuite replacée à l’autre extrémité de ce tronçon de conduit. Les conditions d’application et les limites de cette méthode sont expliquées plus en détails dans la version intégrale de cet article. ■
Vue d’ensemble et efficacité des principales méthodes de mesure au niveau des bouches
Méthode de mesure
Extraction Pulsion
Prix indicatif [€]
Facilité d’utilisation
Bouche suffisamment ouverte + ins-trument centré
ou non
Bouche très fermée
Bouche à flux symétrique
suffisamment ouverte + ins-trument centré
Bouche à flux symétrique +
instrument non centré
Bouche à flux asymétrique
ou bouche très fermée
1Compensation
avec grille ✓ ✓ ✓ ✓ ✓2500 à 3500
Facile et rapide
2Compensation
sans grille ✓ ✗ ✓ ✓ ✗2500 à 3500
Facile et rapide
3Anémomètre
avec cône ✓ ✗ ✓ ✗ ✗ < 1000Facile et rapide
4Petite sonde en conduit ✓ ✓ ✓ Sans objet ✓ < 1000
Moins pratique :
calcul requis
Légende✓ : mesure fiable dans la plupart des cas.✗ : résultat incorrect ou mesure instable.
www.cstc.beLes Dossiers Du CsTC 2012/3.12
La version intégrale de cet article sera prochainement disponible sur notre site Internet.