Ventilation par mélange et par stratification dans les halls de production - ce qu’il faut savoir.

Les règlementations énergétiques telles que l’ErP placent la barre de plus en plus haute en termes d’efficacité des équipements de ventilation. En réalité, les réelles économies d’énergie se jouent bien plus tôt, à savoir lors du choix de la méthode de calcul la plus adaptée aux exigences spécifiques de la ventilation d'un hall industriel. Les méthodes diffèrent et si l’application n’est pas adaptée, il peut en résulter des fluctuations significatives au niveau des débits d’air entrant requis. Dans ce guide complet rédigé par les ingénieurs Hoval à l'attention des concepteurs, découvrez comment définir la technique de ventilation la plus adaptée à votre projet.

Dans les  halls de production ayant un niveau de charges élevé, les charges thermiques sensibles et les limites de substances nocives spécifiées peuvent être maintenues sur le long terme si les principes de ventilation sont adaptés aux processus. Le rôle du système de ventilation d'un hall industriel est de distribuer le débit d’air entrant avec une diffusion contrôlée, de sorte que la chaleur et les substances nocives émises soient captées et évacuées avec l’air vicié.
Il existe trois techniques de ventilation, à savoir :

1. le déplacement
2. le mélange
3. la stratification

Chaque technique de ventilation est présentée ci-dessous, dans la perspective de son application possible à un hall de production.

Avec la technique de déplacement d’air, l’air neuf est diffusé dans le hall à la verticale, en forme de piston, d’une surface enveloppante (mur, sol ou plafond) vers la surface opposée, sans reflux. Afin d’éviter les turbulences provoquées par les courants transversaux, il faut opter pour une vitesse de déplacement de l’air comprise entre 0,2 et 0,5 m/s. En fonction de l'environnement, on atteint des débits d’air neuf allant de 720 à 1 800 m³/(h∙m²) c'est-à-dire des valeurs bien supérieures à celles habituellement observées dans les halls de production. C’est pourquoi ce système est réservé à des applications spécifiques telles que des ateliers de peinture.

Figure 1 : Le principe du déplacement d’air

Avec la technique de ventilation par mélange, l’air ambiant chaud pollué par les substances nocives est mélangé à de l’air neuf froid moins pollué, dans l’objectif d’obtenir des charges thermiques et de substances nocives plus faibles dans la zone de travail. En partant du principe d'une ventilation entièrement assurée par mélange, on obtient des conditions thermiques et une concentration en substances égales dans le volume entier du hall.
Les systèmes de ventilation par mélange peuvent être installés de différentes manières :

• diffuseurs individuels d’air soufflé vers le bas depuis le plafond du hall (voir fig. 2)
• ventilation tangentielle avec apport d’air horizontal sous le plafond ou au-dessus de la zone de travail.

Le principe de la ventilation par stratification est basé sur l’utilisation des courants thermiques ascendants au niveau des sources de charges dans la zone de travail, afin de déplacer la charge vers la zone supérieure non utilisée du hall (voir fig. 3). Pour ce faire, il faut créer une couche d’air neuf au niveau des sources de charge dans la zone de travail, avec injection d’air à faible vitesse de soufflage. La hauteur de la couche dépendra de la puissance des courants thermiques ascendants établis et de l'importance de l'apport d'air entrant.
De tels systèmes de ventilation par stratification peuvent être réalisés avec trois types de diffusion d’air :

• Ventilation par déplacement zonal
• Ventilation zonale par mélange
• Ventilation par stratification

Ils ont les caractéristiques suivantes :

Avec ce type de diffusion d’air, les diffuseurs d’air neuf de grandes dimensions sont généralement utilisés aux postes de travail individuels, pour maintenir une zone protégée limitée à l’abri des substances nocives. Utilisé sur une grande surface, cela équivaudrait à une ventilation par mélange dont les limites ont été décrites ci-dessus.

Figure 3 : Le principe de ventilation par déplacement zonal

Avec cette méthode, l’air neuf froid est introduit dans le hall par des diffuseurs d’air neuf au sol. Cette diffusion d’air offrant pourtant des niveaux de performances très élevés est difficilement applicable dans la pratique pour les halls de production, car elle nécessite soit un faux plancher, soir des diffuseurs d’air au sol ou intégrés dans le sol.

La ventilation par stratification implique de perturber les courants thermiques ascendants du hall pour les réduire au minimum avec la diffusion de l’air neuf. Dans l’idéal, l’air neuf est diffusé par de larges diffuseurs de sorte que sa vitesse de déplacement ne dépasse pas 0,5 m/s au niveau du diffuseur et 0,2 m/s dans la zone de travail.
Trois variantes sont possibles dans ce cas :

•  Apport d’air neuf au-dessus de la zone de travail :

Plus dense, le flux d’air neuf s’accélère en se dirigeant vers le sol, où il se diffuse en provoquant des turbulences mineures sur les courants thermiques ascendants au niveau des sources de chaleur. Ce phénomène peut d’autant plus être atténué en réduisant la hauteur de la chute de l’air neuf.

• Apport d’air neuf à proximité du sol de la zone de travail :

On minimise au maximum les turbulences en disposant les diffuseurs dans la zone de travail directement au sol, bien qu’on observe toujours une accélération de l’air neuf froid au-dessus du diffuseur.

Figure 6 : Apport d’air neuf à proximité du sol de la zone de travail

• Apport d’air neuf à proximité du sol de la zone de travail avec stabilisation de l’impulsion :

Le mouvement de descente peut être réduit par des petits jets d’air neuf à haute impulsion dirigés à l'horizontale du diffuseur, de sorte à quasiment éliminer totalement les turbulences des courants thermiques ascendants. Ce processus est désigné par stabilisation de l’impulsion :

Figure 7 : Air neuf avec stabilisation de l’impulsion

Cette réflexion montre qu'en réalité, seuls deux types de ventilation sont en mesure de satisfaire les exigences de ventilation d'un hall de production : la ventilation par mélange et la ventilation par stratification.

Cette démonstration avait déjà été réalisée dans le cadre d'un précédent article de blog Hoval: Ventilation par mélange ou stratification? Guide complet pour les bureaux d'études.

Mais encore faut-il déterminer quelle variante sera la meilleure solution selon le type de fabrication réalisé dans le hall…

Avec la ventilation par mélange, l’état de l’air est obtenu en remplissant le volume entier du hall, ce qui n’est en réalité requis qu’au sein de la zone de travail. Conclusion : les fortes charges vont rapidement pousser ce principe de diffusion de l’air aux limites de ses possibilités d’application.
L’équation de base pour supprimer une charge thermique du hall donne la proportion démontrant que l'apport d’air neuf requis augmente proportionnellement à l’augmentation de la charge thermique. Avec des charges thermiques très importantes, on obtient des débits d’air si élevés qu’on observerait des vitesses de déplacement de l’air trop élevées dans le hall. Même si la proportionnalité inverse par rapport au différentiel de température a bien un effet réducteur, elle n’est que d'une aide limitée dans la mesure où, dans la pratique, on ne peut généralement atteindre que des valeurs comprises entre 10 et 15 K.

Ceci indique que le principe de ventilation par mélange est plus adapté pour réduire les charges thermiques. Des charges plus élevées engendrent des courants thermiques ascendants plus grands, ce qui signifie que la ventilation par stratification est sans doute plus adaptée en cas de charges thermiques plus importantes.

Afin de mieux comprendre son fonctionnement, nous allons partir du principe d’une source de chaleur dans un hall fermé. Cela provoque un courant thermique ascendant qui vient se mélanger à l’air ambiant et le transporte en hauteur. Pour des raisons de continuité, une diffusion d’air de même volume est renvoyée de la zone supérieure vers la zone inférieure du hall où il est de nouveau incorporé dans le courant thermique ascendant.
En pratique, ce reflux d’air vicié dans la zone de travail n’est pas souhaitable. Ce problème peut être atténué avec l’utilisation d’une ventilation mécanique consistant à évacuer une partie de l’air vicié du hall dans la zone supérieure et à alimenter la zone inférieure avec le même volume d’air neuf froid. Le reflux sera évité à coup sûr et en intégralité si le débit d’air vicié évacué du hall est de même taille que le courant thermique ascendant, qui est suivi par un débit d’air neuf aussi important. En conclusion: la quantité d’air neuf nécessaire pour la ventilation par stratification est calculée directement sur la base de l’importance des courants thermiques ascendants.

Figure 8 : Concept de ventilation par stratification

La charge thermique devant être évacuée avec la ventilation par mélange est composée de la valeur totale des charges des systèmes de production, du rayonnement solaire, de l’éclairage, du personnel ainsi que des flux de transfert et de chaleur absorbés ou émis par des éléments du bâtiment. Ces valeurs doivent être calculées ou mesurées, une opération pouvant s’avérer difficile et compliquée, surtout lorsque les systèmes de production sont impliqués. Toutefois, sur le plan de la technologie de ventilation, seul le volume des charges thermiques devant être évacué par convection (qu’il faut également calculer) doit être pris en compte.

Avec la ventilation par stratification, l’importance des courants thermiques ascendants au-dessus des systèmes de production dépend de manière significative des quantités de chaleur émises de leur surface dans l’air ambiant par convection naturelle. Il s’agit de parois et d’éléments que l'on peut imaginer associer aux machines de production pour simplifier les choses, c'est-à-dire des surfaces verticales et horizontales ainsi que des cylindres (centres d’usinage, machines de moulage par injection).
Dans le cas de parois horizontales et de cylindres horizontaux, le débit calorifique sortant est directement inclus dans le calcul. Pour les parois verticales, il n’apparaît pas explicitement, ce qui signifie qu’il ne doit pas non plus être calculé.
Il en va de même pour les cylindres verticaux, que l'on peut aborder en utilisant l'équation pour les parois verticales avec un bon niveau d’approximation.
Pour le calcul du débit calorifique des parois et cylindres horizontaux, on utilise les coefficients de transfert de chaleur par convection particuliers. Des méthodes de calcul sont spécifiées pour ces derniers dans la littérature et dans les codes de pratique. On peut au final calculer les charges thermiques par convection qui doivent être évacuées.

Ce calcul offre un avantage significatif par rapport à la ventilation par mélange: les volumes de charges thermiques à évacuer par convection sont calculés directement en tant qu’élément du processus. Ce qui signifie qu’ils ne doivent pas être calculés à partir de la charge totale ou estimée.

Vous avez déduit que c’est la technique de ventilation par stratification ou par mélange qui est la plus adaptée à votre projet ? Les systèmes de ventilation décentralisés Hoval peuvent alors se révéler être une solution à prescrire, et qui permettra la réalisation d’économies d’énergie conséquentes, aussi bien pour le chauffage que pour le refroidissement des grands volumes. Les systèmes de ventilation Hoval fondent, en partie, leur efficacité sur le diffuseur d’air breveté à pulsion giratoire variable Air-Injector. Grâce à cette technologie, la quantité d’air nécessaire pour satisfaire aux conditions thermiques est inférieure de 25 % à 30 %. Les résultats ?

• Le nombre d’appareils nécessaire est réduit grâce à une grande surface de ventilation de chaque appareil, permettant ainsi de limiter l’investissement requis.
• La diffusion optimale du flux d’air en fonction des différences de température entre l’air pulsé et l’air ambiant.
• L’absence de courants d’air et une répartition d’air uniforme, y compris lorsque les conditions sont variables.
• La réduction considérable de la stratification de température permettant de réaliser des économies d’énergie.

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