Chauffage, ventilation et climatisation

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Le chauffage, la ventilation et la climatisation (CVC) sont la technologie du confort environnemental intérieur et des véhicules. Son but est d’offrir un confort thermique et une qualité de l’air intérieur acceptable. La conception de systèmes CVC est une sous-discipline du génie mécanique, basée sur les principes de la thermodynamique, de la mécanique des fluides et du transfert de chaleur. L’abréviation  » Réfrigération  » est parfois ajoutée à l’abréviation du champ, car le mot  » HVAC&R  » ou  » ventilation  » est supprimé, comme dans HACR (comme dans la désignation des disjoncteurs classés HACR).

Le CVC est un élément important des structures résidentielles telles que les maisons unifamiliales, les immeubles d’appartements, les hôtels et les résidences pour personnes âgées, les immeubles industriels et de bureaux de taille moyenne à grande comme les gratte-ciel et les hôpitaux, les véhicules comme les voitures, les trains, les avions, les navires et les sous-marins, et dans les environnements marins, où la température et l’humidité des bâtiments sains et sûrs sont réglementées, en utilisant l’air frais de l’extérieur.

Ventilation ou ventilation (le V dans HVAC) est le processus d’échange ou de remplacement de l’air dans n’importe quel espace pour fournir une qualité d’air intérieur élevée qui implique le contrôle de la température, le remplissage en oxygène, et l’élimination de l’humidité, les odeurs, la fumée, la chaleur, la poussière, les bactéries en suspension, le dioxyde de carbone, et autres gaz. La ventilation élimine les odeurs désagréables et l’humidité excessive, introduit l’air extérieur, maintient l’air intérieur du bâtiment en circulation et empêche la stagnation de l’air intérieur.

La ventilation comprend à la fois l’échange d’air vers l’extérieur et la circulation de l’air à l’intérieur du bâtiment. C’est l’un des facteurs les plus importants pour maintenir une qualité de l’air intérieur acceptable dans les bâtiments. Les méthodes de ventilation d’un bâtiment peuvent être divisées en types mécaniques/forcés et naturels.

Vue d’ensemble

Les trois principales fonctions du chauffage, de la ventilation et de la climatisation sont interreliées, en particulier la nécessité d’assurer un confort thermique et une qualité de l’air intérieur acceptable à des coûts d’installation, de fonctionnement et d’entretien raisonnables. Les systèmes de CVC peuvent être utilisés dans des environnements domestiques et commerciaux. Les systèmes de CVC peuvent assurer la ventilation et maintenir les relations de pression entre les espaces. Le moyen de distribution et d’évacuation de l’air des locaux est connu sous le nom de distribution de l’air ambiant.

Systèmes individuels

Dans les bâtiments modernes, la conception, l’installation et les systèmes de contrôle de ces fonctions sont intégrés dans un ou plusieurs systèmes CVC. Pour les très petits bâtiments, les entrepreneurs estiment normalement la capacité et le type de système requis, puis conçoivent le système en choisissant le réfrigérant approprié et les divers composants nécessaires. Pour les bâtiments de plus grande taille, les concepteurs des services d’entretien des bâtiments, les ingénieurs en mécanique ou les ingénieurs des services d’entretien des bâtiments analysent, conçoivent et spécifient les systèmes CVC. Les entrepreneurs en mécanique spécialisée fabriquent et mettent ensuite en service les systèmes. Les permis de construire et les inspections de conformité aux codes des installations sont normalement exigés pour toutes les tailles de bâtiments.

Réseaux de districts

Bien que le CVC soit exécuté dans des bâtiments individuels ou dans d’autres espaces clos (comme le quartier général souterrain du NORAD), l’équipement en cause est dans certains cas une extension d’un plus grand réseau de chauffage ou de refroidissement urbain (CC) ou d’un réseau DHC combiné. Dans de tels cas, les aspects d’exploitation et d’entretien sont simplifiés et le comptage devient nécessaire pour facturer l’énergie consommée et, dans certains cas, l’énergie retournée au réseau dans son ensemble. Par exemple, à un moment donné, un bâtiment peut utiliser de l’eau réfrigérée pour la climatisation et l’eau chaude qu’elle renvoie peut être utilisée dans un autre bâtiment pour le chauffage, ou pour le chauffage global du réseau DHC (probablement avec de l’énergie ajoutée pour augmenter la température).

Le fait de baser le CVC sur un réseau plus vaste permet de réaliser des économies d’échelle souvent impossibles pour des bâtiments individuels, d’utiliser des sources d’énergie renouvelables comme le chauffage solaire, le froid hivernal, le potentiel de refroidissement dans certains endroits des lacs ou de l’eau de mer pour le refroidissement gratuit et la fonction habilitante du stockage thermique saisonnier d’énergie.

Le CVC est basé sur les inventions et les découvertes de Nikolay Lvov, Michael Faraday, Willis Carrier, Edwin Ruud, Reuben Trane, James Joule, William Rankine, Sadi Carnot et bien d’autres.

De multiples inventions au cours de cette période ont précédé les débuts du premier système de climatisation de confort, conçu en 1902 par Alfred Wolff (Cooper, 2003) pour la Bourse de New York, tandis que Willis Carrier a équipé la Sacketts-Wilhems Printing Company de l’unité de climatisation process la même année. Le Collège Coyne a été la première école à offrir une formation en CVC en 1899.

L’invention des composants des systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation est allée de pair avec la révolution industrielle, et de nouvelles méthodes de modernisation, d’efficacité accrue et de contrôle des systèmes sont constamment introduites par des entreprises et des inventeurs du monde entier.

Chauffage

Les appareils de chauffage sont des appareils dont le but est de produire de la chaleur (c.-à-d. de la chaleur) pour le bâtiment. Cela peut se faire par le chauffage central. Un tel système comprend une chaudière, un générateur d’air chaud ou une thermopompe pour chauffer l’eau, la vapeur ou l’air dans un endroit central, comme une chaufferie dans une maison ou une salle mécanique dans un grand bâtiment. La chaleur peut être transférée par convection, conduction ou rayonnement.

Génération

Il existe des appareils de chauffage pour divers types de combustibles, y compris les combustibles solides, liquides et gazeux. Un autre type de source de chaleur est l’électricité, normalement des rubans chauffants composés de fils à haute résistance (voir Nichrome). Ce principe est également utilisé pour les plinthes chauffantes et les appareils de chauffage portatifs. Les appareils de chauffage électriques sont souvent utilisés comme source de chaleur d’appoint ou d’appoint pour les systèmes de pompes à chaleur.

La pompe à chaleur a gagné en popularité dans les années 1950 au Japon et aux États-Unis. Les thermopompes peuvent extraire la chaleur de diverses sources, comme l’air ambiant, l’air évacué d’un bâtiment ou du sol. Les thermopompes transfèrent la chaleur de l’extérieur de la structure dans l’air intérieur. Une fois la chaleur amenée à l’intérieur, elle est distribuée dans tous les systèmes de ventilation et peut être contrôlée par un thermostat ou un autre système de contrôle. Au départ, les systèmes de CVC à thermopompe n’étaient utilisés que dans les climats tempérés, mais avec l’amélioration du fonctionnement à basse température et la réduction des charges grâce à des maisons plus efficaces, ils sont de plus en plus populaires dans les climats plus frais.

Distribution

Eau/vapeur

Dans le cas de l’eau ou de la vapeur chauffée, la tuyauterie est utilisée pour transporter la chaleur vers les pièces. La plupart des systèmes modernes de chauffage des chaudières à eau chaude ont un circulateur, qui est une pompe, pour faire circuler l’eau chaude dans le système de distribution (par opposition aux anciens systèmes alimentés par gravité). La chaleur peut être transférée à l’air ambiant à l’aide de radiateurs, de serpentins à eau chaude (hydro-air) ou d’autres échangeurs de chaleur. Les radiateurs peuvent être montés sur les murs ou installés à l’intérieur du plancher pour produire de la chaleur.

L’utilisation de l’eau comme fluide caloporteur est appelée hydronique. L’eau chauffée peut également alimenter un échangeur de chaleur auxiliaire pour fournir de l’eau chaude pour le bain et le lavage.

Air

Les systèmes d’air chaud distribuent l’air chaud par des systèmes de conduits d’alimentation et de reprise d’air par des conduits en métal ou en fibre de verre. De nombreux systèmes utilisent les mêmes conduits pour distribuer l’air refroidi par un serpentin d’évaporateur pour la climatisation. L’alimentation en air est normalement filtrée par des épurateurs d’air pour éliminer la poussière et les particules de pollen.

Dangers

L’utilisation de fournaises, de radiateurs et de chaudières comme méthode de chauffage intérieur pourrait entraîner une combustion incomplète et l’émission de monoxyde de carbone, d’oxydes d’azote, de formaldéhyde, de composés organiques volatils et autres sous-produits de combustion. La combustion incomplète se produit lorsque l’oxygène est insuffisant ; les intrants sont des combustibles contenant divers contaminants et les extrants sont des sous-produits nocifs, le plus dangereusement du monoxyde de carbone, qui est un gaz insipide et inodore ayant de graves effets néfastes sur la santé.

Sans ventilation adéquate, le monoxyde de carbone peut être mortel à des concentrations de 1000 ppm (0,1%). Cependant, à plusieurs centaines de ppm, l’exposition au monoxyde de carbone provoque des maux de tête, de la fatigue, des nausées et des vomissements. Le monoxyde de carbone se lie à l’hémoglobine dans le sang, formant la carboxyhémoglobine, réduisant la capacité du sang à transporter l’oxygène. Les principaux problèmes de santé associés à l’exposition au monoxyde de carbone sont ses effets cardiovasculaires et neurocomportementaux. Le monoxyde de carbone peut causer l’athérosclérose (durcissement des artères) et peut aussi déclencher des crises cardiaques. Sur le plan neurologique, l’exposition au monoxyde de carbone réduit la coordination œil-main, la vigilance et la performance continue. Elle peut également affecter la discrimination temporelle.

Ventilation

La ventilation est le processus qui consiste à changer ou à remplacer l’air dans n’importe quel espace pour contrôler la température ou éliminer toute combinaison d’humidité, d’odeurs, de fumée, de chaleur, de poussière, de bactéries en suspension dans l’air ou de dioxyde de carbone, et pour renouveler l’oxygène. La ventilation comprend à la fois l’échange d’air avec l’extérieur et la circulation de l’air à l’intérieur du bâtiment. C’est l’un des facteurs les plus importants pour maintenir une qualité de l’air intérieur acceptable dans les bâtiments. Les méthodes de ventilation d’un bâtiment peuvent être divisées en types mécaniques/forcés et naturels.

Ventilation mécanique ou forcée

La ventilation mécanique, ou forcée, est assurée par un appareil de traitement de l’air (CTA) et sert à contrôler la qualité de l’air intérieur. L’excès d’humidité, les odeurs et les contaminants peuvent souvent être contrôlés par dilution ou remplacement par de l’air extérieur. Cependant, dans les climats humides, il faut plus d’énergie pour éliminer l’excès d’humidité de l’air de ventilation.

Les cuisines et les salles de bains sont généralement équipées d’échappements mécaniques pour contrôler les odeurs et parfois l’humidité. Le débit (qui est fonction de la vitesse du ventilateur et de la taille de l’évent d’évacuation) et le niveau de bruit sont des facteurs à prendre en compte dans la conception de ces systèmes. Les ventilateurs à entraînement direct sont disponibles pour de nombreuses applications et peuvent réduire les besoins d’entretien.

Les ventilateurs de plafond et les ventilateurs de table et de plancher font circuler l’air dans une pièce afin de réduire la température perçue en augmentant l’évaporation de la transpiration sur la peau des occupants. Comme l’air chaud monte, les ventilateurs de plafond peuvent être utilisés pour garder une pièce plus chaude en hiver en faisant circuler l’air chaud stratifié du plafond au plancher.

Ventilation naturelle

La ventilation naturelle est la ventilation d’un bâtiment avec de l’air extérieur sans utiliser de ventilateurs ou d’autres systèmes mécaniques. Il peut s’agir de fenêtres ouvrantes, de persiennes ou d’évents coulissants lorsque l’espace est restreint et que l’architecture le permet. Dans les schémas plus complexes, l’air chaud peut s’élever et s’écouler vers l’extérieur par de hautes ouvertures du bâtiment (effet de cheminée), ce qui fait que l’air frais extérieur est aspiré dans les ouvertures basses du bâtiment. Les systèmes de ventilation naturelle peuvent utiliser très peu d’énergie, mais il faut veiller à assurer le confort. Dans les climats chauds ou humides, le maintien du confort thermique par la seule ventilation naturelle peut ne pas être possible. Les systèmes de climatisation sont utilisés, soit en appoint, soit en complément. Les économiseurs d’air utilisent également l’air extérieur pour climatiser les locaux, mais le font à l’aide de ventilateurs, de conduits, de registres et de systèmes de contrôle pour introduire et distribuer l’air frais extérieur au besoin.

Un élément important de la ventilation naturelle est le taux de renouvellement d’air ou les changements d’air par heure : le taux horaire de ventilation divisé par le volume de l’espace. Par exemple, six changements d’air par heure signifie qu’une quantité d’air neuf, égale au volume de l’espace, est ajoutée toutes les dix minutes. Pour le confort de l’homme, un minimum de quatre renouvellements d’air par heure est typique, bien que les entrepôts puissent n’en avoir que deux. Un taux de renouvellement d’air trop élevé peut être inconfortable, un peu comme dans une soufflerie où il y a des milliers de changements par heure. Les taux de renouvellement d’air les plus élevés concernent les espaces bondés, les bars, les boîtes de nuit et les cuisines commerciales, à raison de 30 à 50 renouvellements d’air par heure environ.

La pression de la pièce peut être positive ou négative par rapport à l’extérieur de la pièce. Une pression positive se produit lorsqu’il y a plus d’air fourni que d’air évacué, et elle est commune pour réduire l’infiltration des contaminants extérieurs.

Maladies transmises par l’air

La ventilation naturelle est un facteur clé dans la réduction de la propagation des maladies transmises par l’air telles que la tuberculose, le rhume, la grippe et la méningite. L’ouverture des portes, des fenêtres et l’utilisation de ventilateurs de plafond sont autant de moyens de maximiser la ventilation naturelle et de réduire le risque de contamination par l’air. La ventilation naturelle nécessite peu d’entretien et est peu coûteuse.

Climatisation

Un système de climatisation, ou un climatiseur autonome, assure la climatisation et le contrôle de l’humidité pour tout ou partie d’un bâtiment. Les bâtiments climatisés sont souvent munis de fenêtres scellées, parce que des fenêtres ouvertes iraient à l’encontre du système destiné à maintenir des conditions d’air intérieur constantes. À l’extérieur, l’air frais est généralement aspiré dans le système par un évent dans la section de l’échangeur de chaleur intérieur, créant ainsi une pression d’air positive. Le pourcentage d’air de retour constitué d’air frais peut généralement être manipulé en ajustant l’ouverture de cet évent. L’apport d’air frais typique est d’environ 10 %.

La climatisation et la réfrigération sont assurées par l’évacuation de la chaleur. La chaleur peut être évacuée par rayonnement, convection ou conduction. Les fluides frigorigènes tels que l’eau, l’air, la glace et les produits chimiques sont appelés réfrigérants. Un réfrigérant est utilisé soit dans un système de pompe à chaleur dans lequel un compresseur est utilisé pour entraîner le cycle de réfrigération thermodynamique, soit dans un système de refroidissement libre qui utilise des pompes pour faire circuler un réfrigérant froid (généralement de l’eau ou un mélange de glycol).

Cycle frigorifique

Le cycle frigorifique utilise quatre éléments essentiels pour refroidir.

  • Le réfrigérant du système démarre son cycle à l’état gazeux. Le compresseur pompe le gaz réfrigérant jusqu’à une pression et une température élevées.
  • De là, il entre dans un échangeur de chaleur (parfois appelé serpentin de condensation ou condenseur) où il perd de l’énergie (chaleur) vers l’extérieur, se refroidit et se condense en sa phase liquide.
  • Un détendeur (également appelé dispositif de dosage) régule le débit du fluide frigorigène pour qu’il s’écoule à la bonne vitesse.
  • Le fluide frigorigène liquide est renvoyé à un autre échangeur de chaleur où on le laisse s’évaporer, d’où son nom de serpentin ou évaporateur d’évaporation. Lorsque le réfrigérant liquide s’évapore, il absorbe l’énergie (chaleur) de l’air intérieur, retourne au compresseur et répète le cycle. Au cours de ce processus, la chaleur est absorbée de l’intérieur et transférée à l’extérieur, ce qui entraîne le refroidissement du bâtiment.

Dans des climats variables, le système peut comprendre un robinet inverseur qui passe du chauffage en hiver au refroidissement en été. En inversant le flux de réfrigérant, le cycle de réfrigération de la pompe à chaleur passe du refroidissement au chauffage ou vice versa. Cela permet à une installation d’être chauffée et refroidie par une seule pièce d’équipement, par les mêmes moyens et avec le même matériel.

Freefroidissement

Les systèmes de refroidissement gratuit peuvent avoir un rendement très élevé et sont parfois combinés à un stockage d’énergie thermique saisonnier de sorte que le froid de l’hiver peut être utilisé pour la climatisation d’été. Les milieux de stockage courants sont des aquifères profonds ou une masse rocheuse souterraine naturelle à laquelle on accède par un groupe de forages de petit diamètre, équipés d’échangeurs de chaleur. Certains systèmes avec de petits entrepôts sont hybrides, utilisant le refroidissement gratuit au début de la saison de refroidissement et utilisant plus tard une pompe à chaleur pour refroidir la circulation provenant de l’entrepôt. La thermopompe est ajoutée parce que l’accumulateur agit comme un dissipateur thermique lorsque le système est en mode de refroidissement (par opposition à la charge), ce qui entraîne une augmentation graduelle de la température pendant la saison de refroidissement.

Certains systèmes comportent un « mode économiseur », que l’on appelle parfois « mode free-cooling ». En économisant, le système de contrôle ouvrira (complètement ou partiellement) le registre d’air extérieur et fermera (complètement ou partiellement) le registre d’air de retour. De l’air frais provenant de l’extérieur sera ainsi amené au système. Lorsque l’air extérieur est plus froid que l’air froid demandé, cela permet de répondre à la demande sans utiliser l’alimentation mécanique de refroidissement (généralement de l’eau glacée ou une unité « DX » à détente directe), économisant ainsi de l’énergie. Le système de contrôle peut comparer la température de l’air extérieur à celle de l’air extrait ou comparer l’enthalpie de l’air, comme c’est souvent le cas dans les climats où l’humidité est un problème majeur. Dans les deux cas, l’air extérieur doit être moins énergétique que l’air extrait pour que le système passe en mode économiseur.

Système emballé contre système fractionné

Les systèmes de climatisation centrale  » tout air  » (ou systèmes intégrés) avec un condenseur/évaporateur extérieur combiné sont souvent installés dans les résidences, les bureaux et les édifices publics nord-américains, mais ils sont difficiles à rénover (installation dans un bâtiment qui n’a pas été conçu pour en recevoir) en raison des conduits d’air volumineux requis. À l’extérieur de l’Amérique du Nord, les systèmes emballés ne sont utilisés que dans des applications limitées qui nécessitent de grands espaces intérieurs tels que des stades, des théâtres ou des salles d’exposition.

Une alternative aux systèmes emballés est l’utilisation de serpentins intérieurs et extérieurs séparés dans les systèmes divisés. Les systèmes split sont préférés et largement utilisés dans le monde entier, sauf en Amérique du Nord. En Amérique du Nord, les systèmes divisés sont le plus souvent utilisés dans les applications résidentielles, mais ils gagnent en popularité dans les petits immeubles commerciaux. Les systèmes split sont un excellent choix pour les petits bâtiments où le réseau de gaines n’est pas réalisable ou où l’efficacité du conditionnement de l’espace est primordiale. Les avantages des systèmes de climatisation sans conduit comprennent une installation facile, l’absence de conduits, un meilleur contrôle zonal, la flexibilité du contrôle et un fonctionnement silencieux. Dans le conditionnement de l’espace, les pertes dans les conduits peuvent représenter 30 % de la consommation d’énergie. L’utilisation de minisplit peut entraîner des économies d’énergie dans le conditionnement de l’espace car il n’y a pas de pertes associées aux conduits.

Avec le système split, le serpentin de l’évaporateur est raccordé à un condenseur à distance à l’aide d’une tuyauterie de réfrigérant entre une unité intérieure et une unité extérieure au lieu de canaliser l’air directement de l’unité extérieure. Les unités intérieures avec évents directionnels se montent sur les murs, sont suspendues au plafond ou s’insèrent dans le plafond. D’autres unités intérieures se montent à l’intérieur de la cavité du plafond, de sorte que de petites longueurs de conduits permettent à l’air de passer de l’unité intérieure aux évents ou diffuseurs situés dans les pièces.

Les systèmes fractionnés sont plus efficaces et leur encombrement est généralement plus faible que celui des systèmes d’emballage. D’autre part, le niveau de bruit à l’intérieur des systèmes d’emballage a tendance à être légèrement inférieur à celui des systèmes divisés puisque le moteur du ventilateur est situé à l’extérieur.

Déshumidification

La déshumidification (séchage à l’air) dans une installation de climatisation est assurée par l’évaporateur. Comme l’évaporateur fonctionne à une température inférieure au point de rosée, l’humidité de l’air se condense sur les tubes de l’évaporateur. Cette humidité est recueillie au fond de l’évaporateur dans une casserole et évacuée par un tuyau vers un drain central ou sur le sol à l’extérieur.

Un déshumidificateur est un appareil semblable à un climatiseur qui contrôle l’humidité d’une pièce ou d’un bâtiment. Il est souvent utilisé dans les sous-sols qui ont une humidité relative plus élevée en raison de leur température plus basse (et de leur propension pour les sols et murs humides). Dans les établissements de vente au détail de produits alimentaires, les grandes armoires frigorifiques ouvertes sont très efficaces pour déshumidifier l’air intérieur. Inversement, un humidificateur augmente l’humidité d’un bâtiment.

Maintenance

Tous les systèmes de climatisation modernes, même les petits ensembles de fenêtres, sont équipés de filtres à air internes. Ils sont généralement faits d’un matériau léger de type gaze et doivent être remplacés ou lavés si les conditions le justifient. Par exemple, un bâtiment dans un environnement très poussiéreux ou une maison avec des animaux à fourrure devra changer les filtres plus souvent que les bâtiments sans ces charges de saleté. Si ces filtres ne sont pas remplacés au besoin, le taux d’échange thermique diminuera, ce qui entraînera un gaspillage d’énergie, une réduction de la durée de vie de l’équipement et des factures d’énergie plus élevées ; un faible débit d’air peut entraîner le gel des serpentins d’évaporateur, ce qui peut arrêter complètement le débit d’air. De plus, des filtres très sales ou bouchés peuvent causer une surchauffe pendant un cycle de chauffage et peuvent endommager le système ou même causer un incendie.

Parce qu’un climatiseur déplace la chaleur entre le serpentin intérieur et le serpentin extérieur, les deux doivent être maintenus propres. Cela signifie qu’en plus du remplacement du filtre à air au niveau du serpentin de l’évaporateur, il est également nécessaire de nettoyer régulièrement le serpentin du condenseur. Si le condenseur n’est pas maintenu propre, le compresseur risque d’être endommagé, car le serpentin du condenseur est responsable de l’évacuation de la chaleur intérieure (captée par l’évaporateur) et de la chaleur produite par le moteur électrique entraînant le compresseur.

Efficacité énergétique

Depuis les années 1980, les fabricants d’équipements de CVC s’efforcent de rendre les systèmes qu’ils fabriquent plus efficaces. Cette situation s’explique à l’origine par l’augmentation des coûts de l’énergie et, plus récemment, par une sensibilisation accrue aux questions environnementales. De plus, l’amélioration de l’efficacité du système de CVC peut également contribuer à améliorer la santé et la productivité des occupants. Aux États-Unis, l’EPA a imposé des restrictions plus strictes au fil des ans. Il existe plusieurs méthodes pour rendre les systèmes de CVC plus efficaces.

Énergie de chauffage

Dans le passé, le chauffage de l’eau était plus efficace pour chauffer les bâtiments et était la norme aux États-Unis. Aujourd’hui, les systèmes à air pulsé peuvent doubler pour la climatisation et sont plus populaires.

Certains avantages des systèmes à air pulsé, qui sont maintenant largement utilisés dans les églises, les écoles et les résidences de luxe, sont les suivants

  • Meilleurs effets de la climatisation
  • Jusqu’à 15-20% d’économie d’énergie
  • Conditionnement uniforme

Un inconvénient est le coût d’installation, qui peut être légèrement plus élevé que celui des systèmes CVCA traditionnels.

L’efficacité énergétique peut être encore améliorée dans les systèmes de chauffage central en introduisant le chauffage par zones. Cela permet une application plus granulaire de la chaleur, semblable à celle des systèmes de chauffage non centraux. Les zones sont contrôlées par plusieurs thermostats. Dans les systèmes de chauffage de l’eau, les thermostats commandent les vannes de zone et dans les systèmes à air pulsé, ils commandent les registres de zone à l’intérieur des évents qui bloquent sélectivement la circulation de l’air. Dans ce cas, le système de contrôle est très important pour maintenir une température adéquate.

La prévision est une autre méthode de contrôle du chauffage du bâtiment en calculant la demande d’énergie de chauffage qui devrait être fournie au bâtiment dans chaque unité de temps.

Pompe à chaleur géothermique

Les thermopompes géothermiques sont semblables aux thermopompes ordinaires, mais au lieu de transférer la chaleur de ou vers l’air extérieur, elles dépendent de la température stable et uniforme de la terre pour chauffer et climatiser. De nombreuses régions connaissent des températures saisonnières extrêmes, ce qui nécessiterait de l’équipement de chauffage et de climatisation de grande capacité pour chauffer ou refroidir les bâtiments. Par exemple, un système de pompe à chaleur conventionnel utilisé pour chauffer un bâtiment à -57 °C (-70 °F) à basse température au Montana ou pour refroidir un bâtiment à la température la plus élevée jamais enregistrée aux États-Unis -57 °C (134 °F) à Death Valley, en Californie, en 1913, exigerait une grande quantité d’énergie en raison des différences extrêmes entre les températures intérieure et extérieure. Quelques pieds sous la surface de la terre, cependant, le sol demeure à une température relativement constante. En utilisant cette importante source de terre à température relativement modérée, la capacité d’un système de chauffage ou de refroidissement peut souvent être considérablement réduite. Bien que la température du sol varie selon la latitude, à 1,8 m (6 pieds) sous terre, les températures ne varient généralement que de 7 à 24 °C (45 à 75 °F).

Un exemple de pompe à chaleur géothermique qui utilise un plan d’eau comme source froide est le système utilisé par le Trump International Hotel and Tower à Chicago, Illinois. Ce bâtiment est situé sur la rivière Chicago et utilise l’eau froide de la rivière en la pompant dans un système de refroidissement à recirculation, où des échangeurs de chaleur transfèrent la chaleur du bâtiment dans l’eau, puis l’eau maintenant réchauffée est pompée dans la rivière Chicago.

Bien qu’elles puissent être plus coûteuses à installer que les pompes à chaleur ordinaires, les pompes à chaleur géothermiques peuvent produire des factures d’énergie nettement moins élevées – de 30 à 40 p. 100 inférieures, selon les estimations de l’Environmental Protection Agency des États-Unis.

Les pompes à chaleur géothermiques offrent toujours un meilleur rendement que les pompes à chaleur à air. Certains modèles offrent une économie de 70% par rapport aux résistances électriques.

Récupération d’énergie de ventilation

Les systèmes de récupération d’énergie utilisent parfois des systèmes de ventilation à récupération de chaleur ou des systèmes de ventilation à récupération d’énergie qui utilisent des échangeurs de chaleur ou des roues enthalpiques pour récupérer la chaleur sensible ou latente de l’air vicié. Cela se fait par transfert d’énergie vers l’air frais extérieur entrant.

Énergie pour la climatisation

Les performances des cycles de réfrigération à compression de vapeur sont limitées par la thermodynamique. Ces appareils de climatisation et de thermopompe déplacent la chaleur plutôt que de la convertir d’une forme à l’autre, de sorte que l’efficacité thermique ne décrit pas adéquatement le rendement de ces appareils. Le coefficient d’efficience du rendement (Coefficient-of-Performance – COP) mesure le rendement, mais cette mesure sans dimension n’a pas été adoptée. Au lieu de cela, le taux d’efficacité énergétique (EER) a été traditionnellement utilisé pour caractériser la performance de nombreux systèmes CVC. EER est le taux d’efficacité énergétique basé sur une température extérieure de 35 °C (95 °F). Pour décrire avec plus de précision la performance de l’équipement de climatisation au cours d’une saison de refroidissement typique, on utilise une version modifiée du taux d’efficacité énergétique saisonnier (SEER) ou, en Europe, le taux d’efficacité énergétique saisonnier (ESEER). Les valeurs SEER sont basées sur des moyennes saisonnières de température au lieu d’une température extérieure constante de 35 °C (95 °F). La cote SEER minimale actuelle de l’industrie est de 14 SEER. [lien mort]

Les ingénieurs ont souligné certains domaines où l’efficacité du matériel existant pourrait être améliorée. Par exemple, les pales de ventilateur utilisées pour déplacer l’air sont habituellement estampées à partir de tôle, une méthode de fabrication économique, mais, par conséquent, elles ne sont pas aérodynamiquement efficaces. Une lame bien conçue pourrait réduire d’un tiers la puissance électrique nécessaire pour déplacer l’air.

Ventilation contrôlée de la cuisine en fonction de la demande

La ventilation de cuisine à la demande (DCKV) est une approche de contrôle du bâtiment qui consiste à contrôler le volume d’air évacué et d’air fourni par la cuisine en fonction de la charge de cuisson réelle dans une cuisine commerciale. Les systèmes de ventilation de cuisine commerciaux traditionnels fonctionnent à une vitesse de ventilation de 100 %, indépendamment du volume d’activité de cuisson et des changements de la technologie DCKV qui permettent de réaliser d’importantes économies d’énergie et d’air conditionné grâce au ventilateur. En déployant une technologie de détection intelligente, les ventilateurs d’extraction et d’alimentation peuvent être contrôlés pour capitaliser sur les lois d’affinité pour les économies d’énergie du moteur, réduire l’énergie de chauffage et de refroidissement de l’air d’appoint, accroître la sécurité et réduire les niveaux de bruit ambiant dans la cuisine.

Filtration et nettoyage de l’air

L’épuration et la filtration de l’air éliminent les particules, les contaminants, les vapeurs et les gaz de l’air. L’air filtré et épuré est ensuite utilisé pour le chauffage, la ventilation et la climatisation. L’épuration et la filtration de l’air doivent être prises en compte lors de la protection de l’environnement de nos bâtiments.

Débit d’air propre et performance du filtre

Le débit d’air pur est la quantité d’air pur qu’un purificateur d’air fournit à une pièce ou à un espace. Lors de la détermination du CADR, la quantité de flux d’air dans un espace est prise en compte. Par exemple, un purificateur d’air ayant un débit de 100 pcm (pieds cubes par minute) et un rendement de 50 % a un CADR de 50 pcm. Tout comme le CADR, la performance de filtration est très importante lorsqu’il s’agit de l’air dans notre environnement intérieur. La performance du filtre dépend de la taille de la particule ou de la fibre, de la densité et de la profondeur du filtre, ainsi que du débit d’air.

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