Pourquoi le VAV, et pourquoi maintenant
La distribution à débit d'air variable est la stratégie de CVC commercial dominante parce qu'elle économise beaucoup d'énergie de ventilation en charge partielle. Un immeuble de bureaux type fonctionne à 30 à 60 % de la charge de refroidissement de pointe la plupart des heures d'exploitation. Les systèmes à débit d'air constant font tourner le ventilateur à 100 % du débit quelle que soit la charge ; le VAV réduit le débit proportionnellement à la charge. L'énergie du ventilateur varie comme le cube du débit : une réduction de 50 % du débit économise donc environ 87 % de la puissance du ventilateur à ce point de fonctionnement. L'ASHRAE 90.1 exige le VAV sur la plupart des bâtiments commerciaux de plus de 25 000 sqft (2 300 m²) pour cette raison, et la plupart des systèmes de certification de bâtiments durables (LEED, Green Star, BREEAM, DGNB) accordent des crédits énergie aux systèmes VAV.
Types de terminaux VAV
VAV à simple conduit (le plus courant)
Un conduit de soufflage unique distribue de l'air froid à température constante (13 à 14 °C). La boîte terminale VAV comporte un clapet qui module le débit pour s'adapter à la charge de refroidissement de la zone. Reprise vers la CTA par le plénum de plafond ou par une gaine de reprise dédiée. Le plus efficace et le plus courant. Sous-types :
- Refroidissement seul : simple clapet, sans capacité de chauffage. Utilisé pour les zones intérieures où le chauffage n'est pas nécessaire.
- Post-chauffage (eau chaude ou électrique) : clapet plus batterie de chauffage en aval. Réduit le débit de refroidissement, puis active le post-chauffage pour les conditions de faible charge ou pour les zones périphériques en hiver.
- Indépendant de la pression : intègre un capteur de vitesse et une régulation à rétroaction pour maintenir le débit commandé quelle que soit la variation de pression statique de la gaine. Standard en commercial.
VAV à ventilateur intégré (FPB)
Boîte VAV à ventilateur intégré qui mélange l'air de reprise du plénum à l'air primaire de soufflage. Utilisée pour maintenir le débit minimal en faible charge tout en récupérant la chaleur de l'éclairage et des équipements dans le plénum. Sous-types :
- En série (ventilateur en parallèle) : le ventilateur tourne en continu à toutes les charges, le clapet primaire module. Énergie de ventilateur continue plus élevée.
- En parallèle : le ventilateur ne tourne que lorsque le débit primaire est faible. Plus efficace, mais régulation plus complexe.
VAV à double conduit
Deux conduits de soufflage : un froid (13 à 14 °C) et un chaud (35 à 40 °C). Le terminal VAV mélange les deux flux pour délivrer n'importe quelle température intermédiaire. Grande souplesse de régulation, mais forte énergie de ventilation et deux fois la masse de gaine. Utilisé dans certains bâtiments anciens ; rarement spécifié en construction neuve.
VAV à induction
L'air primaire est soufflé à grande vitesse par une buse, ce qui induit l'air secondaire du plénum à travers le terminal. Autonome (sans ventilateur). Capacité limitée ; utilisé dans certaines applications d'hôtellerie et dans des rénovations de bâtiments anciens.
Dimensionnement des boîtes VAV
Trois débits par zone
- Débit maximal de refroidissement : dimensionné sur la charge sensible de pointe avec la température de soufflage de conception (en général 13 à 14 °C). La charge de pointe inclut les apports solaires, les charges internes d'éclairage, d'équipements et de personnes, et la conduction de l'enveloppe aux conditions de conception.
- Débit minimal : le plus élevé entre l'exigence de ventilation de l'ASHRAE 62.1, 30 % du maximum pour la stabilité du contrôle thermique, ou le minimum du code local.
- Débit en mode post-chauffage : au minimum, avec la batterie de post-chauffage active. En général 50 % du maximum pour les systèmes FPB avec post-chauffage, 30 à 40 % pour le post-chauffage à simple conduit.
Choix du diamètre d'entrée
Les boîtes VAV ont des entrées de gaine rondes en diamètres standard. Plage de débit approximative par entrée aux pertes de charge visées usuelles :
- Φ150 mm : 50 à 200 L/s
- Φ200 mm : 100 à 400 L/s
- Φ250 mm : 200 à 700 L/s
- Φ300 mm : 350 à 1 100 L/s
- Φ400 mm : 600 à 2 000 L/s
- Φ500 mm : 1 000 à 3 500 L/s
Les principaux fabricants (Trox, Titus, Krueger, Price, Carnes, Tuttle & Bailey, Halton) publient des logiciels de sélection détaillés qui tiennent compte de la perte de charge, du niveau NC et de l'autorité du clapet.
Coefficient de foisonnement
Le dimensionnement du ventilateur et de la CTA au niveau du système utilise le débit de pointe du système, inférieur à la somme des débits de pointe de toutes les zones. Raison : les zones atteignent leur pointe à des moments différents. Le périmètre est atteint sa pointe entre 9 h et 11 h (soleil du matin). Le périmètre ouest atteint sa pointe entre 14 h et 16 h. L'intérieur atteint sa pointe à la fréquentation maximale. Le ventilateur n'a jamais à fournir simultanément la pointe de toutes les zones.
Coefficients de foisonnement types :
- Bureaux commerciaux : 0,70 à 0,85
- Commercial à usage mixte : 0,75 à 0,85
- Hôpital (soins aigus) : 0,85 à 0,95 (moins de foisonnement, charge plus constante)
- Hôtel : 0,65 à 0,75 (fort foisonnement, occupation très variable)
- Commerce de détail : 0,70 à 0,80
- Enseignement : 0,60 à 0,75 (occupation saisonnière, les salles de classe atteignent leur pointe à des moments différents)
La modélisation énergétique détaillée du bâtiment (eQUEST, EnergyPlus, IES VE, TAS) calcule le foisonnement propre au projet. Des règles empiriques du secteur s'appliquent lorsqu'aucun modèle énergétique n'est disponible.
Débit minimal selon l'ASHRAE 62.1
L'ASHRAE 62.1 spécifie la ventilation minimale en air neuf par zone, en fonction de la surface au sol et de l'occupation. Valeurs types pour des bureaux :
- Espace de bureaux : 0,06 cfm/sqft de surface + 5 cfm/personne (≈ 0,30 L/s/m² + 2,5 L/s/personne)
- Salle de conférence : 0,06 cfm/sqft + 5 cfm/personne (c'est la densité d'occupation plus élevée qui fait la différence)
- Salle de classe : 0,12 cfm/sqft + 10 cfm/personne
- Chambre de patient d'hôpital : 0,18 cfm/sqft + 25 cfm/personne, plus 6 ACH au minimum
- Commerce de détail : 0,06 cfm/sqft + 7,5 cfm/personne
Le réglage minimal du VAV doit être égal ou supérieur à l'exigence de ventilation calculée à tout moment. Les systèmes multizones à CTA partagée utilisent le calcul multizone de l'ASHRAE 62.1, qui ajuste l'air neuf à la CTA selon le foisonnement d'occupation au niveau des zones.
Classe de pression des gaines VAV
La gaine de soufflage en amont des boîtes VAV fonctionne à une pression statique plus élevée qu'en aval :
- En amont du VAV (entre le ventilateur et l'entrée de la boîte) : SMACNA +3 à +4 in.wg / EN 1505 classe C-D / AS/NZS classe C-D. Le ventilateur fournit la pression statique nécessaire pour alimenter chaque boîte VAV plus les pertes de la gaine.
- En aval du VAV (entre la sortie de la boîte et le diffuseur) : SMACNA +1 in.wg / EN classe A / AS/NZS classe A. La boîte VAV ramène la pression à des niveaux adaptés à l'alimentation des diffuseurs.
Conséquence pour la fabrication : les gaines principales de soufflage demandent une tôle plus épaisse (en général calibre 20 à 18 pour la moyenne pression) et une étanchéité plus serrée que les gaines de branchement (calibre 22 à 24 pour la basse pression). La ligne automatique de gaines SBAL-V de Taokron mémorise des recettes d'automate pour les deux classes de pression ; l'opérateur choisit par tronçon de gaine. Cela évite de fabriquer les branchements basse pression avec une construction moyenne pression.
Considérations acoustiques
Les systèmes VAV génèrent du bruit à partir de trois sources :
- Ventilateur et CTA : source dominante de basses fréquences, maîtrisée par des silencieux près de la CTA et un caisson plénum garni
- Boîte VAV elle-même : la modulation du clapet crée un bruit régénéré, qui augmente à mesure que le clapet se ferme à partir de la pleine ouverture. Typiquement 25 à 40 dB(A) au débit maximal, en augmentation lorsque la boîte étrangle le débit.
- Diffuseur d'air : bruit de l'organe terminal, maîtrisé par le choix du diffuseur et la vitesse frontale
Le bruit de la boîte VAV domine généralement au niveau de la zone. Le choix doit vérifier le niveau NC à tous les points de fonctionnement, pas seulement au débit de pointe. De nombreux projets utilisent des gaines d'entrée de VAV à garnissage acoustique (300 à 600 mm de gaine garnie intérieurement en amont de la boîte) pour atténuer le bruit du ventilateur qui se propage à travers la boîte. Voir notre guide du garnissage acoustique des gaines.
Erreurs de conception VAV courantes
- Minimum VAV réglé sous 30 % du maximum : plaintes de confort dues à un mauvais mélange aux diffuseurs ; instabilité de la modulation du clapet. Réglez toujours le minimum à ≥ 30 % ou à la valeur exigée par l'ASHRAE 62.1 (la plus élevée des deux).
- Post-chauffage au-delà de 30 % de la conception : l'ASHRAE 90.1 interdit le chauffage et le refroidissement simultanés au-delà de 30 %. Surveillez la spécification du projet en vue de l'audit de conformité.
- Gaine d'entrée insuffisante en amont du VAV : moins de 3 diamètres de tronçon droit à l'entrée provoquent une distorsion de l'écoulement et la défaillance de la régulation indépendante de la pression. Prévoyez toujours 3D au minimum, 5D idéalement.
- Mauvaise classe de pression sur la gaine aval : fabriquer la gaine basse pression boîte-diffuseur en construction moyenne pression gaspille 30 à 40 % du coût de fabrication. À l'inverse, une construction basse pression en amont du VAV ne satisfait pas la classe d'étanchéité.
- Coefficient de foisonnement non appliqué au niveau du système : ventilateur et CTA surdimensionnés. Gaspille de l'investissement et fonctionne à faible rendement au point de conception.
- Foisonnement appliqué au niveau du branchement : gaines de branchement sous-dimensionnées. Chaque branchement doit être dimensionné pour la pointe de sa zone, pas pour la pointe du système.
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FAQ
Qu'est-ce qu'un système VAV ?
Débit d'air variable : température de soufflage constante (13 à 14 °C), débit de zone modulé par la boîte terminale VAV pour s'adapter à la charge de refroidissement. Économise 30 à 60 % d'énergie de ventilation par rapport au CAV en charge partielle. Exigé par l'ASHRAE 90.1 sur la plupart des bâtiments commerciaux >25 000 sqft.
Qu'est-ce que le coefficient de foisonnement ?
Ajustement pour les pointes de zones non simultanées. Ventilateur/CTA du système dimensionnés sur la pointe du système (70 à 85 % de la somme des pointes des zones pour les bureaux). Gaines de branchement dimensionnées sur la pointe de la zone (sans foisonnement).
Comment dimensionner une boîte terminale VAV ?
Le dimensionnement d'une boîte VAV demande trois débits par zone : le débit maximal de refroidissement (dimensionné sur la charge sensible de pointe avec un soufflage à 13-14 °C), le débit minimal (le plus élevé entre l'exigence de ventilation de l'ASHRAE 62.1 et 30 pour cent du maximum pour la stabilité thermique), et le débit en mode post-chauffage (en général 50 pour cent du maximum pour les systèmes à ventilateur intégré ou à post-chauffage par zone). La sélection au catalogue du fabricant fait ensuite correspondre le diamètre d'entrée au débit requis pour la perte de charge visée (en général 50 à 150 Pa). Diamètres d'entrée ronds : Φ200 mm pour environ 400 L/s, Φ250 mm pour environ 700 L/s, Φ300 mm pour environ 1 100 L/s. Principaux fabricants de boîtes VAV : Trox, Titus, Krueger, Price, Carnes, Tuttle & Bailey.
Quel est le réglage de débit minimal VAV ?
Le débit minimal est le plus élevé des trois valeurs suivantes : (1) l'exigence de ventilation de l'ASHRAE 62.1 pour la zone (en général 0,5 L/s par m² de surface au sol + 5 à 10 L/s par occupant pour un bureau), (2) 30 pour cent du maximum de conception pour la stabilité du contrôle thermique, (3) tout minimum spécifique du code local (par exemple AS 1668 pour l'Australie). Au débit minimal, la boîte VAV module de 30 pour cent à 100 pour cent sur sa plage de fonctionnement. En dessous de 30 pour cent, le mélange dans les diffuseurs de plafond devient insuffisant, les plaintes de confort augmentent et le système peut devenir instable. L'ASHRAE 90.1 limite le post-chauffage à 30 pour cent au maximum pour éviter le chauffage et le refroidissement simultanés.
Quelle classe de pression exige une gaine VAV ?
La gaine de soufflage en amont des boîtes VAV est en général à moyenne pression (SMACNA classe +4 in.wg / EN 1505 classe C / AS-NZS classe C), car la boîte VAV exige 50 à 200 Pa de pression statique minimale pour fonctionner correctement sur toute sa plage de débit. En aval de la boîte VAV (parcours boîte-diffuseur), la basse pression (SMACNA classe +1 in.wg / EN classe A / AS-NZS classe A) suffit. Conséquence pour la fabrication : les gaines principales et les colonnes montantes de soufflage demandent une tôle plus épaisse et une étanchéité plus serrée que les gaines de branchement. Les recettes de la SBAL-V de Taokron incluent les deux classes de pression ; l'opérateur choisit par tronçon de gaine.
