Les systèmes d’air CVC peuvent être centralisés ou décentralisés. Les systèmes d’air centralisés reçoivent leur énergie de refroidissement et de chauffage d’une centrale distante. Les systèmes d'air CVC décentralisés contiennent les équipements de l'installation centrale de chauffage et de refroidissement au sein du système d'air lui-même. Les systèmes d'air CVC peuvent également être à volume d'air constant (CAV) ou à volume d'air variable (VAV). Les systèmes CAV fournissent un débit d’air soufflé constant à une température variable. Les systèmes VAV fournissent un débit d’air soufflé variable à une température constante. Les systèmes d'air CAV et VAV peuvent être subdivisés en systèmes qui conditionnent une seule zone de température et en systèmes qui conditionnent plusieurs zones de température.
Que les systèmes d'air CVC soient centralisés ou décentralisés, CAV ou VAV, desservent une seule zone ou plusieurs zones, les choix de serpentins de chauffage et de refroidissement au sein des unités sont les mêmes. Généralement, le serpentin de chauffage dans les systèmes d'air CVC centralisés sera à eau chaude, à vapeur ou électrique, et le serpentin de refroidissement sera à eau glacée. Le serpentin de chauffage dans les systèmes CVC décentralisés sera alimenté par un gaz électrique, direct ou indirect ou par un réfrigérant à détente directe (DX) (à cycle inversé) (pour les pompes à chaleur uniquement) ; le serpentin de refroidissement sera du réfrigérant DX.
Zone unique
Un système CAV à zone unique se compose d'une unité de traitement d'air qui fournit un débit d'air soufflé constant (Fig. 1). La capacité de chauffage et/ou de refroidissement de l'unité est modulée en faisant varier la température du flux d'air soufflé pour répondre aux besoins d'un thermostat unique monté dans l'un des espaces desservis par l'unité.
Les systèmes CAV à zone unique peuvent desservir plusieurs espaces ; par conséquent, il est important de s'assurer que tous les espaces desservis par un système CAV à zone unique ont des caractéristiques de charge CVC similaires.
Chauffage et ventilation
Les systèmes de chauffage et de ventilation (H&V) sont utilisés pour desservir les espaces qui nécessitent uniquement du chauffage et qui nécessitent également une ventilation de l'air extérieur pour la ventilation des occupants ou l'appoint de l'air évacué. Les unités H&V sont souvent configurées pour fournir 100 % d’air extérieur. Cependant, ils peuvent avoir des capacités de reprise d'air si le débit d'air extérieur est inférieur au débit d'air soufflé nécessaire pour assurer un chauffage efficace des espaces desservis pendant l'hiver. Si les unités chauffent les espaces qu'elles desservent pendant les périodes d'inoccupation lorsque les systèmes d'évacuation sont éteints et les registres d'air extérieur fermés, les unités H&V peuvent également être équipées de capacités de reprise d'air. Les unités H&V recirculent normalement 100 % de l'air pendant le mode de fonctionnement inoccupé.
Pendant l'été, il est courant que les unités H&:V positionnent leurs registres d'air extérieur et de reprise pour fournir 100 % d'air extérieur aux espaces desservis afin de maintenir la température de l'espace entre 5 et 10 °F au-dessus de la température extérieure. Si les unités H&:V disposent de capacités de reprise d'air, des dispositions doivent être prises dans les espaces desservis pour évacuer ou évacuer l'excès d'air extérieur introduit pendant le mode de fonctionnement estival.
Le contrôle de la température pour les systèmes H&V est le même que pour le système CAV à zone unique décrit précédemment, sauf que le thermostat d'ambiance contrôlera uniquement la capacité de chauffage de l'unité H&V. Quelques exemples courants d'espaces nécessitant des systèmes H&V sont les gymnases, les vestiaires et les cuisines :
Zones multiples
Les systèmes CAV ne sont pas bien adaptés pour fournir plusieurs zones de contrôle de température, car la desserte de plusieurs zones avec des systèmes CAV entraîne un coût énergétique plus élevé et, dans certains cas, un coût initial plus élevé que les options VAV normalement disponibles. Cependant, grâce à l'utilisation de configurations de réchauffage, à double conduit et multizones, les systèmes CAV peuvent desservir plusieurs zones de température pour certaines applications, en particulier les rénovations de systèmes existants.
Réchauffer
Un système de réchauffage CAV se compose d'une unité CAV dont les conduits d'air soufflé se divisent pour desservir plusieurs zones dans la zone desservie par l'unité (Fig. 2). Un serpentin de réchauffage est monté dans le conduit de dérivation vers chaque zone. Généralement, la température de l'air évacué de l'unité CAV est maintenue à environ 55 °F afin qu'elle puisse répondre aux besoins de refroidissement des zones de température, si nécessaire. Un thermostat de chauffage uniquement situé dans chaque zone contrôle la puissance de chauffage de son serpentin de réchauffage de zone associé. Ce serpentin réchauffe l'air soufflé de l'unité CAV selon les besoins pour maintenir le point de consigne du thermostat de zone. Si aucun chauffage n’est requis dans la zone, le serpentin de chauffage sera arrêté. Le serpentin de réchauffage de la zone doit être dimensionné non seulement pour répondre aux pertes thermiques de l'enveloppe du bâtiment pour la zone, mais également pour augmenter le débit d'air soufflé de la température de l'air évacué (généralement 55 °F) au point de consigne de refroidissement de la zone (généralement 75 °F).
Les systèmes de réchauffage CAV ne sont pas économes en énergie car un refroidissement (au niveau de l'unité CAV) et un chauffage (au niveau du serpentin de réchauffage) simultanés du flux d'air soufflé se produisent. Des précautions doivent être prises lors de la conception des systèmes de réchauffage CAV, car le Code international de conservation de l'énergie 2018, section 503.4.5, exige que le débit d'air soufflé soit réduit à au moins 30 % du débit d'air soufflé maximum dans chaque zone avant que le réchauffage puisse avoir lieu. Une exception à cette règle concerne les zones qui ont des exigences particulières en matière de contrôle de l'humidité.
Double conduit
Un système CAV à double conduit comprend deux conduits d'air soufflé séparés, un conduit chaud et un conduit froid, connectés à une unité de traitement d'air CAV spécialement configurée (Fig. 3). Le flux d'air soufflé est divisé au sein de l'unité en aval du ventilateur de soufflage en ce que l'on appelle le pont chaud et le pont froid. Un serpentin de chauffage est installé dans l'unité dans le pont chaud et un serpentin de refroidissement est installé dans l'unité dans le pont froid. Une partie du débit d'air soufflé est soufflée à travers le pont chaud et évacuée par le conduit chaud principal connecté à l'unité. Le flux d’air soufflé restant est soufflé à travers le pont froid. et évacué par le conduit froid principal connecté à l'unité. Les conduits d'alimentation chaude et froide sont acheminés parallèlement les uns aux autres à travers le bâtiment et se ramifient pour desservir plusieurs zones dans la zone desservie par l'unité.
Chaque zone est équipée d'une boîte de mélange à double conduit, dotée de raccords d'entrée de conduits chauds et froids, chacun étant équipé d'un registre motorisé et d'un capteur de débit d'air d'entrée. La boîte de mélange à double conduit possède une sortie de conduit unique par laquelle l'air est fourni à la zone. La température de l'air fourni à la zone est contrôlée en modulant les débits d'air chaud et froid au niveau du boîtier de mélange à double conduit selon les besoins pour maintenir le point de consigne du thermostat de zone. Pour les caissons de mélange à double conduit CAV, le débit total d'air soufflé vers la zone reste constant.
En règle générale, la température de l'air froid du pont provenant de l'unité de traitement d'air CAV est maintenue à environ 85 °F afin que le refroidissement soit disponible si les zones de température l'exigent. La température du pont chaud de l'unité CAV est maintenue à environ 55 °F afin que le chauffage soit disponible si les zones de température l'exigent. Le serpentin de chauffage d’une unité de traitement d’air à double conduit peut être à eau chaude, à vapeur ou électrique. Le serpentin de refroidissement sera normalement constitué d’eau glacée. Les unités de traitement d’air à double conduit utilisent rarement, voire jamais, un serpentin de refroidissement à réfrigérant DX.
Les systèmes CAV à double conduit n’ont généralement pas d’application pour les bâtiments commerciaux en raison de leur coût initial élevé. Ainsi, nous ne discuterons pas plus en détail des systèmes à double conduit. Les systèmes CAV à double conduit ont été conçus il y a des années principalement pour desservir les zones de laboratoire au sein des bâtiments. Par conséquent, il est nécessaire que le concepteur de systèmes HT AC comprenne ce type de système si un projet implique la rénovation d'un bâtiment avec un système CAV à double conduit. Cependant, il existe aujourd'hui davantage de systèmes CVC modernes disponibles pour desservir les zones de laboratoire, dont le coût initial et les coûts d'exploitation sont inférieurs à ceux des systèmes CAV à double conduit. Par conséquent, il est peu probable qu’un nouveau bâtiment nécessite un système CAV à double conduit.
Multizone
Les systèmes CAV multizones sont similaires aux systèmes CAV à double conduit dans la mesure où il y a un pont chaud et un pont froid à l'intérieur de l'unité de traitement d'air (Fig. 4). La différence est que les flux d'air chaud et froid de chaque zone sont mélangés au niveau de la centrale de traitement d'air. Il y a un registre motorisé d'air chaud et froid monté sur le refoulement de la centrale de traitement d'air pour chaque zone ; c'est-à-dire que si l'unité est une unité à cinq zones, il y aura cinq registres motorisés pour pont chaud et cinq registres motorisés pour pont froid montés à la sortie de l'unité. Il y a un seul raccordement de conduit sur la sortie combinée de chaque registre chaud et froid desservant chaque zone à travers lequel l'air est fourni à la zone. La température de l'air fourni à chaque zone est contrôlée en modulant les débits d'air chaud et froid au niveau de l'unité de traitement d'air selon les besoins pour maintenir le point de consigne du thermostat de zone. Pour les systèmes multizones CAV, le débit total d’air soufflé vers chaque zone reste constant. Les températures de pont chaud et froid pour les systèmes CAV multizones sont similaires aux températures de pont pour les systèmes CAV à double conduit.
Multizone CAV systems are not commonly used in commercial buildings because the VAV options that are available typically have a lower first cost and lower operating cost. Also, the number of zones that can be accommodated by a multizone unit is limited by the physical space available to install the hot and cold motor-operated dampers for each zone on the discharge of the air handling unit. Therefore, multizone units can serve no more than about eight zones. The number of zones that can be served by a VAV system is not limited by the equipment but is determined by the needs of the areas served.
Livre source de conception CVC - W. Larsen Angel, PE, AP LEED, est directeur de la société de génie-conseil MEP Green Building Energy Engineers. Il travaille dans le secteur du génie-conseil MEP depuis plus de 30 ans. M. Angel a contribué à l'élaboration de normes de conception et continue de trouver de nouvelles façons de rationaliser le processus de conception des systèmes CVC.