Perte de charge linéique et vitesse, les deux leviers
Chaque pied de gaine droite coûte à l'air un peu de pression statique, car il frotte contre la paroi. Rapporté à la longueur, ce coût est la perte de charge linéique : pouces de colonne d'eau pour 100 pieds de gaine en unités impériales, ou pascals par mètre en unités SI. La vitesse est la rapidité avec laquelle l'air traverse la section, en pieds par minute ou en mètres par seconde. Les deux sont liées. Faites passer un débit fixe dans une gaine plus petite et la vitesse augmente, la perte de charge linéique aussi ; agrandissez la gaine et les deux baissent.
Dimensionner une gaine, c'est choisir où se placer sur ce compromis. Une gaine plus grande est plus silencieuse, perd moins de pression et économise l'énergie du ventilateur pendant toute la vie du bâtiment, mais elle coûte plus d'acier et prend plus de place en plafond. Une gaine plus petite est moins chère et plus facile à faire passer, mais elle est plus bruyante et fait travailler le ventilateur plus durement à chaque heure de fonctionnement. La perte de charge linéique et la vitesse sont les deux boutons qui règlent cet équilibre.
L'abaque de perte de charge et la méthode à perte de charge constante
L'outil classique est l'abaque de perte de charge des gaines. Il relie quatre grandeurs pour une gaine ronde véhiculant de l'air standard : le débit en cfm, le diamètre de la gaine, la vitesse et la perte de charge linéique. Fixez-en deux et vous lisez les deux autres directement sur l'abaque. Pour se faire une idée des ordres de grandeur, environ 6000 cfm dans une gaine ronde de 28 in. circulent à environ 1400 fpm et perdent à peu près 0,08 in. w.g. pour 100 ft. L'abaque est une résolution graphique de l'équation de Darcy-Weisbach, ce qui explique pourquoi la perte de charge grimpe aussi fortement avec la vitesse : elle augmente à peu près avec le carré de la vitesse.
La façon la plus courante d'utiliser l'abaque sur un système tertiaire basse pression est la méthode à perte de charge constante. On choisit une seule perte de charge linéique et on dimensionne chaque tronçon de gaine à cette valeur. Comme le débit baisse à mesure que le réseau se ramifie alors que la perte de charge linéique reste constante, la vitesse diminue d'elle-même vers les extrémités du système, ce qui réduit discrètement le bruit d'air près des bouches. Une perte de charge linéique d'environ 0,08 à 0,10 in. w.g. pour 100 ft est un point de départ typique, souvent près de 0,10 en soufflage et 0,08 en reprise. C'est une ligne directrice de conception, pas une limite réglementaire. La plage raisonnable va d'environ 0,05 in. w.g. pour 100 ft pour un système silencieux et économe en énergie jusqu'à environ 0,15 pour un système plus compact et moins cher, et la bonne valeur dépend toujours du projet.
La perte de charge constante est populaire parce qu'elle est simple et qu'elle convient bien aux systèmes à débit constant. Sa principale faiblesse est qu'elle n'égalise pas la pression disponible à chaque branche, sauf si le tracé est par hasard symétrique ; il faut donc des registres d'équilibrage pour compenser les tronçons courts près du ventilateur par rapport aux longs tronçons vers les pièces éloignées.
Vitesses d'air recommandées
La vitesse est plafonnée par le bruit et le coût, pas par la physique ; les valeurs utiles sont donc des recommandations plutôt que des limites. Les vitesses de longue date pour le confort en climatisation, par type de bâtiment, sont les suivantes :
| Gaine |
Habitat |
Écoles, bureaux, bâtiments publics |
Industriel |
| Gaine principale | 700-900 fpm | 1000-1300 fpm | 1200-1800 fpm |
| Gaine de branche | 500-700 fpm | 600-900 fpm | 800-1000 fpm |
Ce sont des lignes directrices de conception recommandées, pas des valeurs réglementaires. Une règle pratique dimensionne les gaines de branche près de 80 % de la vitesse de la gaine principale et le dernier piquage vers le diffuseur près de 50 %, ce qui garde l'air lent et silencieux à son entrée dans la pièce. Les diffuseurs de soufflage et les grilles de reprise sont en général limités à quelques centaines de fpm de vitesse de face pour la même raison.
Vitesse, bruit et puissance du ventilateur
Les pénalités de la vitesse croissent très vite. La perte de charge augmente à peu près avec le carré de la vitesse, et la puissance du ventilateur pour la vaincre avec le cube : doubler la vitesse à débit égal multiplie donc la perte de charge par quatre et la puissance du ventilateur par huit. Une vitesse plus élevée génère aussi directement plus de bruit d'air, c'est pourquoi la vitesse est contenue pour garder un niveau de bruit NC ou RC acceptable dans les locaux occupés. Une gaine principale rectangulaire qui traverse un local occupé est souvent maintenue près de 2000 fpm pour un objectif acoustique souple et sous 1000 fpm pour un objectif strict ; la gaine ronde tolère des vitesses plus élevées avant de devenir bruyante.
Par vitesse, les systèmes sont groupés de façon approximative : basse vitesse jusqu'à environ 2000 fpm, moyenne vitesse d'environ 2000 à 2500 fpm, et haute vitesse au-delà d'environ 2500 fpm. La ligne de partage n'est pas un chiffre unique et fixe ; selon les sources, elle a été placée entre 1500 et 2500 fpm.
Quand la perte de charge constante n'est pas la bonne méthode
La perte de charge constante est la méthode par défaut en basse pression, mais deux autres méthodes apparaissent sur les systèmes plus grands ou à vitesse plus élevée.
- La récupération de pression statique dimensionne la gaine de sorte que la vitesse diminue par paliers le long du réseau, la pression dynamique récupérée compensant la perte de charge du tronçon suivant. Il en résulte une pression statique à peu près uniforme à chaque branche, ce qui facilite le choix des bouches et l'équilibrage. C'est le choix habituel pour les grands réseaux à haute vitesse et à VAV, le plus souvent dans la gaine haute pression entre la centrale de traitement d'air et les boîtes VAV.
- La réduction de vitesse attribue simplement des vitesses progressivement plus basses à la gaine principale, aux branches et aux piquages terminaux à partir d'un tableau de vitesses, puis dimensionne chaque tronçon avec section égale débit divisé par vitesse. C'est rapide, mais cela repose largement sur le jugement du projeteur.
Gaine ronde et diamètre équivalent
La forme de la gaine modifie la perte de charge avant même d'appliquer une méthode. Pour une section donnée, une gaine ronde a le plus petit périmètre, donc le moins de paroi contre laquelle l'air frotte, ce qui lui donne la plus faible perte de charge de toutes les formes. L'avantage augmente à mesure qu'une gaine rectangulaire est aplatie vers un rapport d'aspect plus allongé. C'est pourquoi la gaine ronde et spiralée est le choix efficace sur les longs tronçons à fort débit où la perte de charge et l'énergie du ventilateur comptent, et c'est une des raisons pour lesquelles une spiraleuse trouve sa place à côté d'une ligne rectangulaire plutôt qu'en remplacement de celle-ci.
Pour comparer les deux équitablement, on utilise le diamètre équivalent : le diamètre d'une gaine ronde qui véhiculerait le même débit d'air avec la même perte de charge qu'une gaine rectangulaire donnée. C'est la bonne base pour lire une dimension rectangulaire sur un abaque de gaines rondes. Consultez notre comparatif gaine ronde et rectangulaire pour l'arbitrage complet, ainsi que les tableaux de dimensionnement rectangulaire et spiralé pour les dimensions.
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De la perte de charge au ventilateur, puis à l'atelier
La perte de charge linéique et la vitesse ne sont pas qu'un exercice de dimensionnement. Elles fixent le ventilateur. Le ventilateur doit produire assez de pression statique pour vaincre toutes les pertes le long du chemin critique, le trajet de plus forte résistance entre le ventilateur et la bouche la plus éloignée, plus la pression statique externe des batteries, des filtres et des terminaux. Cette pression statique totale est celle pour laquelle le ventilateur est choisi, et c'est aussi elle qui fixe la classe de pression de la gaine. Une pression statique de système plus élevée fait passer le tronçon le plus proche du ventilateur dans une classe de pression supérieure, ce qui détermine la construction SMACNA que l'atelier réalise : épaisseur plus forte, renforts plus rapprochés, joint plus solide et classe d'étanchéité plus serrée. Dimensionner la gaine trop juste pour économiser de l'acier peut faire monter la classe de pression, et l'énergie du ventilateur, plus que ce que vous avez économisé. La décision de dimensionnement et le coût de fabrication sont les deux extrémités d'un même calcul.
Le libellé de spécification que vous rencontrerez
Une spécification mécanique fixe généralement la méthode de dimensionnement et un plafond de vitesse ou de perte de charge linéique plutôt que chaque dimension de gaine : « Les gaines de soufflage basse pression seront dimensionnées par la méthode à perte de charge constante, avec une perte de charge linéique ne dépassant pas 0,10 in. w.g. pour 100 ft et une vitesse en gaine principale ne dépassant pas 1300 fpm dans les zones occupées. » Une spécification VAV se lit plutôt ainsi : « Les gaines haute pression entre la centrale de traitement d'air et les terminaux VAV seront dimensionnées par récupération de pression statique. » Dans les deux cas, la spécification fixe le compromis entre taille de gaine, bruit et énergie du ventilateur que le reste de la conception suit ensuite.
FAQ
Qu'est-ce que la perte de charge d'une gaine ?
C'est la pression statique que l'air perd en frottant le long d'une paroi de gaine droite, exprimée en perte de charge linéique en in. w.g. pour 100 ft (ou en Pa/m). L'abaque de perte de charge relie le débit, le diamètre, la vitesse et la perte de charge linéique, de sorte que deux de ces grandeurs donnent les deux autres.
Quelle perte de charge linéique retenir pour dimensionner une gaine ?
Environ 0,08 à 0,10 in. w.g. pour 100 ft est une valeur de calcul courante à perte de charge constante, souvent 0,10 en soufflage et 0,08 en reprise. C'est une ligne directrice, pas une limite réglementaire ; la plage raisonnable va d'environ 0,05 pour une gaine silencieuse et efficace jusqu'à environ 0,15 pour une gaine plus compacte et moins chère, et le bon chiffre dépend du projet.
Quelles sont les vitesses d'air recommandées dans les gaines de CVC ?
Les vitesses recommandées en gaine principale sont d'environ 700 à 900 fpm en habitat, 1000 à 1300 fpm dans le tertiaire et 1200 à 1800 fpm dans l'industriel. Les branches sont plus basses. Une règle pratique dimensionne les branches près de 80 % et le piquage terminal près de 50 % de la vitesse de la gaine principale. Ce sont des lignes directrices, pas des valeurs réglementaires.
Pourquoi la vitesse dans la gaine compte-t-elle pour le bruit ?
La perte de charge augmente à peu près avec le carré de la vitesse et la puissance du ventilateur avec son cube : doubler la vitesse multiplie donc la perte de charge par quatre et la puissance du ventilateur par huit. Une vitesse plus élevée fait aussi plus de bruit d'air, la vitesse est donc plafonnée pour tenir le niveau de bruit NC ou RC dans les locaux occupés.
Une gaine ronde a-t-elle moins de perte de charge qu'une gaine rectangulaire ?
Oui. Une gaine ronde a le plus petit périmètre pour une section donnée, donc le moins de frottement sur la paroi et la plus faible perte de charge de toutes les formes, et l'écart se creuse à mesure qu'une gaine rectangulaire devient plus allongée. Le diamètre équivalent est la dimension ronde qui correspond au débit et à la perte de charge d'une gaine rectangulaire.
