Volume 23, number 1, février 2009

Augmentez le confort des occupants en optant pour la ventilation par déplacement

Idéal pour les classes, restaurants, théâtres ou supermarchés, la ventilation par déplacement, comparée à la ventilation par dilution, améliore la qualité de l’air et peut réduire la consommation d’énergie.

Définition

La ventilation par déplacement (VD) se définit par l’utilisation de la stratification de l’air afin de garder un milieu exempt de contaminants. À l’opposé, la ventilation par dilution, comme son nom l’indique, dilue les contaminants par apport d’air neuf.

Historique

Il est admis de façon générale que le premier à avoir étudié et mentionné le principe de la ventilation par déplacement (associé plus précisément au domaine industriel) fut W. Baturin1. Baturin fut un pionnier dans ce domaine dès les années quarante. Cependant, la conception de tels systèmes était alors basée sur des méthodes peu fiables.

Durant les années soixante-dix, la protection des travailleurs en milieu industriel est devenue une priorité se traduisant par l’utilisation de systèmes de ventilation améliorés. La ventilation par déplacement fut l’une des avenues étudiées.

Par la suite, dans les années quatre-vingt, la qualité de l’air intérieure étant devenue au goût du jour, le principe fut amélioré.

À partir de là, une approche plus scientifique était nécessaire afin de combler la demande toujours plus pressante pour ce type de ventilation. Il en découla donc un ouvrage de référence, le DGB Design Guide Book2, dans lequel on trouve les principes fondamentaux de la ventilation par déplacement en milieu industriel.

De nos jours, c’est l’enjeu de l’efficacité énergétique qui fait ressortir cette technique de ventilation applicable à d’autres secteurs que le secteur industriel.

Ce nouveau besoin a favorisé le développement de ventilation par déplacement afin de ventiler de façon plus efficace les espaces, autant dans un environnement industriel que commercial ou institutionnel.

Utilisation

La ventilation par déplacement est beaucoup plus commune en Europe qu’en Amérique du Nord. D’ailleurs, si on se réfère à l’équivalent européen de l’ASHRAE, la REHVA3, on y trouve une mine d’informations sur le sujet.

Le principe est somme toute très simple. Il s’agit de déplacer l’air contaminé du plancher vers le plafond où sont situées les grilles de retour.

La ventilation par déplacement vise à déplacer le surplus de chaleur et les contaminants vers le plafond pour améliorer la qualité de l’air dans la portion d’espace occupée.

En VD, des débits relativement faibles d’air (< 10 l/s) sont induits au niveau du sol à une température d’environ 18 °C (65 °F). Cet air induit est réchauffé par les gains internes de la pièce (appareils de bureaux, chauffage, personnes). En se réchauffant, cet air produit un mouvement montant (panache de convection) comme le ferait un piston dans un cylindre, et produit une zone de stratification exempte de contaminants et une zone de mélange d’air chaud et de contaminants, l’air contaminé ayant la température la plus élevée se tenant près du plafond.

Étant donné que les diffuseurs par déplacement approvisionnent l’air dans la zone occupée, une attention spéciale doit être portée à l’approvisionnement afin d’éviter un gradient de température trop élevé entre les pieds et la tête des occupants.

Un inconfort peut être induit par le courant d’air et le gradient de température peut s’avérer à ce moment, critique.

La norme ASHRAE 55 recommande une différence de température de 3 K entre 0,1 m et 1,1 m du sol. Par contre, certains chercheurs questionnent ces recommandations et mentionnent que leurs recherches n’ont pas démontré d’inconfort notable lors d’une stratification de 4 K/m.

Par ailleurs, la REHVA indique que la variation de la température en fonction de la hauteur serait de 1,5 °C/m dans le cas d’applications non industrielles et pour un débit q = 20 l/s.

Pour plus de détails sur la ventilation par déplacement, on peut se référer à la norme ASHRAE RP-949, qui traite du sujet.

L’ASHRAE recommande aussi de ne jamais alimenter l’air à une température plus basse que 18 °C. Par contre, de l’air à 13 °C peut être utilisé dans des milieux industriels ou lors d’applications particulières, comme dans les gymnases.

Toujours selon l’ASHRAE, la ventilation par déplacement, comparée à la ventilation par dilution, améliore la qualité de l’air intérieur, et dans certains cas, réduit la consommation d’énergie en période de climatisation. Ce type de ventilation est recommandé pour les classes, les salles de conférence, les théâtres, les restaurants, les supermarchés et les espaces avec un plafond à plus de 3 mètres.

Distribution d’air sous le plancher

Conception

Le principe de base lors de la conception de la ventilation par déplacement diffère de celui de la ventilation par dilution. La plupart des systèmes fonc-tionnant par dilution sont conçus sur le modèle de la zone simple, dans laquelle l’air est mélangé de façon uniforme dans tout l’espace et on assume que la température de l’air de retour est la même que celle dans la pièce.

Dans le cas de systèmes par déplacement, l’espace ventilé est divisé en deux zones. La zone basse qui est occupée et la zone haute qui, elle, est inoccupée. C’est seulement dans l’espace occupé que la température de l’air est mesurée. Dans l’espace inoccupé, la température est toujours plus élevée à cause de la stratification produite par la convection naturelle.

En fonction des besoins de l’espace ventilé, il y a deux options possibles pour la conception par déplacement.

La conception basée sur la température est utilisée lorsque le contrôle de la température est le principal but visé (ex. : écoles, bureaux, auditoriums, installations sportives). La méthode de la zone de transition est surtout utilisée lorsque des contaminants sont présents, comme dans les fumoirs ou à des endroits où sont présents des contaminants gazeux (de densité égale ou plus petite que celle de l’air), ou lorsqu’ils sont associés au phénomène de l’effet panache dû aux sources de chaleur.

Alors que le but ultime de la méthode de conception basée sur la température est simplement de satisfaire aux conditions de température dans la zone occupée, la méthode de la zone de transition cherche à stratifier les contaminants au-dessus de la zone où respirent les occupants en maintenant cette zone de transition aussi haute que possible.

Dans les guides de référence tels REHVA et ASHRAE, on mentionne, pour la ventilation par déplacement, le système de distribution d’air sous le plancher (UFD, Under Floor Distribution), comme il est indiqué ci-dessus.

Les avantages d’un tel système sont une meilleure qualité d’air, une meilleure diffusion, un potentiel d’économie d’énergie (refroidissement gratuit), la réduction du niveau de bruit due à la vitesse d’air
réduite, et la facilité d’aménagement.

Selon la REHVA, pour l’Europe, on peut s’attendre à environ 55 jours de plus où il est possible d’utiliser le refroidissement gratuit, car on peut se permettre une température d’alimentation plus élevée.

D’ailleurs, le principe de ventilation par déplacement est reconnu par l’accréditation LEED dans le chapitre Qualité des Environnement Intérieur (QEI), amélioration de la ventilation intérieur, pour lequel on peut obtenir 2 crédits.

Daniel Gendron, ing.
Conseiller technique
Groupe DATECH

1. Baturin W. (1972) fundamentals of industrial ventilation. Pergamon, NY.

2. Goodfellow, H. and Tähti, E. (editors) (2001) Industrial Ventilation Design Guidebook, Academic Press, ISBN 0-12-289676-9.

3. REHVA Federation of European Heating and Air Conditioning association.