Système tout air : fonctionnement et dimensionnement des systèmes de ventilation

Les systèmes tout air sont l’une des solutions les plus avancées et répandues pour la gestion de la qualité de l’air à l’intérieur des bâtiments, tant dans le domaine résidentiel que commercial, industriel et sanitaire. La nécessité de garantir un environnement sain, confortable et à faible impact énergétique a poussé l’évolution de systèmes de ventilation qui non seulement assurent un renouvellement continu de l’air, mais aussi un traitement efficace de l’air lui-même en fonction des conditions climatiques et des besoins spécifiques des espaces.

Les systèmes tout air de quoi s’agit-il ?

Les systèmes tout air sont des systèmes complexes destinés au traitement et à la distribution de l’air dans les espaces fermés. Leur fonction principale est de garantir une qualité de l’air correcte et un confort environnemental adéquat, en intervenant sur divers paramètres tels que la température, l’humidité, la concentration de polluants et la distribution uniforme de l’air lui-même. Ces systèmes se distinguent des systèmes hybrides, qui intègrent des technologies supplémentaires comme le chauffage ou le refroidissement par panneaux radiants, ou des systèmes hydroniques, pour traiter simultanément l’air et l’environnement. Les systèmes tout air se concentrent principalement sur le traitement de l’air entrant et de l’air expulsé, utilisant des techniques de ventilation mécanique contrôlée (VMC) pour gérer l’air de manière optimale. Ces systèmes sont utilisés dans les domaines résidentiel, commercial, industriel et dans les structures publiques, garantissant un renouvellement constant de l’air et la régulation de la température et de l’humidité, dans le but de maintenir des conditions environnementales idéales en toute saison.

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Pourquoi les systèmes tout air sont-ils utiles ?

Le principe fondamental des systèmes tout air est d’assurer un renouvellement adéquat de l’air. Dans les espaces fermés, la qualité de l’air peut se détériorer rapidement en raison de divers facteurs, tels que la production de dioxyde de carbone (CO_₂), l’accumulation d’humidité, la présence de particules fines, d’allergènes et de contaminants chimiques. La ventilation mécanique contrôlée (VMC) est le principal moyen de contrer ces phénomènes, car elle permet d’introduire de manière continue et régulée de l’air frais provenant de l’extérieur, tout en expulsant simultanément l’air vicié. Dans ce contexte, les systèmes tout air jouent un rôle fondamental dans l’assurance de la salubrité de l’environnement, en équilibrant le flux d’air extérieur et intérieur, en maintenant des niveaux optimaux d’oxygène et en réduisant la concentration de substances polluantes.

Dans un système tout air, l’air extérieur est d’abord traité par une unité de traitement de l’air (UTA), qui le purifie et l’adapte aux besoins de l’environnement. Ce traitement peut comprendre des opérations de filtration, pour éliminer les particules, le pollen, les bactéries, les virus et autres polluants, ainsi que des opérations de chauffage ou de refroidissement pour réguler la température, afin que l’air introduit dans les espaces soit confortable. Dans certains cas, une humidification ou déshumidification peut également être nécessaire pour maintenir le niveau d’humidité sous contrôle, évitant ainsi des environnements trop secs ou trop humides qui pourraient favoriser la prolifération de moisissures ou causer un inconfort. Dans des environnements très grands ou dans des bâtiments à haute efficacité énergétique, des technologies de récupération de chaleur sont utilisées pour optimiser l’efficacité énergétique. Ces technologies permettent d’exploiter l’énergie de l’air sortant pour préchauffer ou pré refroidir l’air entrant, réduisant ainsi la consommation pour le chauffage et le refroidissement.

Le cœur d’un système tout air est donc le système de traitement de l’air, qui garantit la qualité de l’air introduit, mais aussi le flux d’air, qui doit être distribué de manière uniforme et sans créer de zones de stagnation. La ventilation mécanique doit être conçue de manière à garantir une distribution homogène de l’air à l’intérieur des espaces, évitant des zones trop chaudes ou froides, ou avec une circulation insuffisante. De plus, la pression dynamique à l’intérieur des conduits de distribution doit être bien équilibrée, pour éviter des problèmes de surpression ou de sous-pression qui pourraient compromettre l’efficacité du système.

Comment est fait un système tout air ?

Un système tout air se compose de plusieurs éléments, chacun ayant une fonction spécifique. Le principal composant d’un système de ventilation tout air est l’unité de traitement de l’air (UTA). Cette unité est chargée de traiter l’air entrant, qui provient de l’extérieur, avant qu’il ne soit distribué dans les espaces par des conduits et des bouches. Les opérations principales effectuées par l’UTA incluent la filtration de l’air pour éliminer les impuretés et les particules solides présentes dans l’environnement extérieur, le chauffage ou le refroidissement de l’air, ce qui permet de l’adapter à la température souhaitée, et l’humidification ou déshumidification, qui permet de réguler l’humidité relative de l’air afin d’éviter l’inconfort et la prolifération de bactéries et de champignons.

L’air traité est ensuite distribué aux espaces via un réseau de conduits. Ces conduits sont conçus pour minimiser les pertes de charge, c’est-à-dire la résistance au passage de l’air, et doivent être suffisamment dimensionnés pour garantir un flux homogène et uniforme. Les matériaux des conduits varient, mais les plus courants sont l’acier galvanisé et des matériaux plastiques résistants. À l’intérieur de ces conduits, l’air peut être distribué par des bouches et des grilles. Les bouches de distribution peuvent être montées au plafond, au mur ou au sol, selon les besoins spécifiques du projet. Les grilles d’extraction, quant à elles, servent à éliminer l’air vicié de l’environnement, créant un équilibre entre l’air entrant et sortant, sans compromettre la pression interne.

Dans un système tout air, l’équilibre entre l’air introduit et extrait est essentiel pour le bon fonctionnement. À cette fin, le système d’extraction est tout aussi crucial que le système de distribution. L’air en excès ou contaminé est évacué par des ventilateurs d’extraction, qui peuvent être installés directement dans les espaces ou dans des conduits centraux, selon la configuration du système. Ces systèmes sont conçus pour garantir un flux constant, empêchant que l’air stagnant ne compromette la qualité de l’environnement.

De plus, les systèmes tout air modernes sont souvent équipés de systèmes de contrôle et d’automatisation sophistiqués, qui permettent de surveiller et de réguler en temps réel des paramètres tels que la température, l’humidité, la qualité de l’air et la vitesse du flux. Les capteurs de CO_₂, de particules fines et de COV (composés organiques volatils) permettent d’optimiser la consommation d’énergie et de maintenir les paramètres environnementaux dans les limites idéales. Les centrales de contrôle, à leur tour, gèrent l’ensemble du système, régulant de manière autonome les ventilateurs, le chauffage, le refroidissement et la déshumidification en fonction des conditions environnementales détectées.

Système tout air : le fonctionnement

Le fonctionnement se déroule à travers une série d’étapes allant de la prise d’air extérieur à son traitement, sa distribution et enfin son expulsion, afin de maintenir constante la qualité de l’air à l’intérieur du bâtiment. Voyons donc en détail les différentes étapes du fonctionnement d’un système tout air.

Prise d’air extérieur

La première étape dans un système tout air est la prise d’air extérieur. Ce processus se fait par une ouverture extérieure, qui peut être située sur un mur ou sur le toit du bâtiment, selon le projet. L’air provenant de l’extérieur peut contenir une variété de substances, telles que des particules, des polluants atmosphériques, du pollen et d’autres impuretés. C’est pourquoi il est nécessaire de le traiter avant de l’introduire dans les espaces intérieurs.

L’air extérieur est prélevé à travers des canaux d’aspiration, qui le dirigent vers l’unité de traitement de l’air (UTA) où les traitements suivants auront lieu. La quantité d’air prélevée est calculée en fonction du nombre de personnes occupant l’espace, des dimensions de l’espace et des exigences de qualité de l’air.

Filtration de l’air

Une fois que l’air a été prélevé, l’étape suivante est la filtration. L’air extérieur contient des particules de poussière, du smog, du pollen et des micro-organismes qui peuvent compromettre la qualité de l’environnement intérieur. Les filtres à l’intérieur de l’UTA sont conçus pour capturer ces particules et purifier l’air avant qu’il ne soit introduit dans les espaces. Les filtres sont généralement constitués de matériaux tels que des fibres synthétiques, du charbon actif (pour éliminer les odeurs et les composés organiques volatils) ou des filtres HEPA (haute efficacité), qui capturent également des particules très fines.

La qualité de la filtration dépend du type de filtre utilisé et de leur efficacité, qui est mesurée par la classe de filtration. Par exemple, des filtres de classe F7 ou F9 (dans le cadre européen) sont utilisés pour retenir des particules fines, tandis que des filtres de classe HEPA peuvent éliminer également des bactéries et des virus.

Traitement thermique de l’air

Une fois filtré, l’air peut être soumis à un traitement thermique, c’est-à-dire un chauffage ou un refroidissement, selon les besoins climatiques et saisonniers. Cette étape est fondamentale pour garantir que l’air introduit dans les espaces intérieurs soit toujours confortable et maintienne une température stable.

• chauffage: si l’air extérieur est froid, l’air est chauffé avant d’être introduit dans le bâtiment. Cela se fait par des batteries de chauffage à l’intérieur de l’UTA, qui peuvent être alimentées par différents types d’énergie, comme le gaz, l’électricité ou des systèmes de chauffage centralisé. L’air est donc amené à la température réglée, qui dépend des besoins du bâtiment (par exemple, entre 18°C et 22°C pour un environnement résidentiel);
• refroidissement: si l’air extérieur est chaud et que le bâtiment nécessite un refroidissement, l’air est traité par un échangeur de chaleur ou une batterie de refroidissement, qui abaisse la température de l’air par réfrigération. Dans certains systèmes avancés, le refroidissement de l’air peut être obtenu avec un système de refroidissement par évaporation, où l’air est abaissé en température en passant à travers un milieu humide qui absorbe la chaleur, libérant ainsi de l’air plus frais.

Humidification ou déshumidification

Une autre étape critique pour le bien-être des occupants est le contrôle de l’humidité. L’humidité relative à l’intérieur des espaces doit être maintenue dans des limites idéales pour éviter des problèmes liés à un excès ou à un manque d’humidité.

• humidification: dans des environnements où l’air est trop sec (par exemple, pendant l’hiver ou dans des espaces avec chauffage centralisé), l’air peut être humidifié par des dispositifs qui pulvérisent de la vapeur d’eau dans l’air. Dans certains systèmes tout air, il existe des humidificateurs adiabatiques qui augmentent l’humidité simplement par un processus d’évaporation;
• déshumidification: dans des environnements avec un excès d’humidité (typiquement en été ou dans des espaces fermés comme les cuisines et les salles de bains), l’air peut être déshumidifié. Ce processus se fait par des dispositifs tels que des batteries de déshumidification ou des échangeurs de chaleur qui refroidissent l’air pour conduire la condensation dans un réservoir de collecte.

Distribution de l’air traité

Après avoir été filtré, traité thermiquement et, si nécessaire, humidifié ou déshumidifié, l’air est introduit dans les espaces par un système de conduits de distribution. Ces conduits, qui peuvent être réalisés en matériaux tels que l’acier galvanisé ou le plastique, transportent l’air traité dans les différentes zones du bâtiment.

La distribution de l’air se fait par des bouches de diffusion, qui sont des dispositifs placés au plafond, au mur ou au sol, selon le projet. Les bouches sont conçues pour garantir une distribution uniforme de l’air et empêcher la formation de zones de stagnation ou de courants d’air désagréables. Selon le type de système et les besoins spécifiques, les bouches peuvent être réglables, permettant aux utilisateurs d’orienter le flux d’air dans les directions souhaitées.

Extraction de l’air vicié

Parallèlement à l’entrée de l’air frais, un système d’extraction de l’air vicié est nécessaire, qui élimine l’air usé et le remplace par de l’air neuf. L’air vicié est celui qui a perdu une partie de l’oxygène et a accumulé des polluants tels que le dioxyde de carbone (CO₂), des vapeurs, des odeurs, des poussières et de l’humidité. L’extraction se fait généralement par des ventilateurs d’extraction, qui peuvent être placés à des points stratégiques comme les salles de bains, les cuisines ou les espaces communs. Ces ventilateurs aspirent l’air en excès et le dirigent vers l’extérieur du bâtiment par un système de conduits d’expulsion.

Contrôle et régulation automatique

Les systèmes tout air modernes sont dotés de systèmes de contrôle et d’automatisation sophistiqués, qui surveillent en permanence la qualité de l’air, la température, l’humidité et d’autres paramètres environnementaux. En utilisant des capteurs (par exemple, des capteurs de CO₂, PM10, COV et humidité), le système est capable de réguler automatiquement le flux d’air traité, en chauffant, refroidissant, humidifiant ou déshumidifiant l’air en fonction des conditions détectées. Les centrales de contrôle peuvent être programmées pour activer ou désactiver les ventilateurs, réguler le débit d’air ou modifier les réglages de traitement thermique en fonction des besoins.

Types de systèmes tout air

Il existe différents types de systèmes tout air, chacun avec des caractéristiques spécifiques : 

• systèmes de ventilation naturelle: ces systèmes exploitent les différences de pression atmosphérique et la température intérieure et extérieure pour faciliter le flux d’air. Ils peuvent inclure des ouvertures contrôlées (comme des fenêtres et des bouches) et des conduits conçus pour maximiser l’efficacité du flux d’air. Cependant, leur efficacité peut varier considérablement en fonction des conditions climatiques extérieures;
• systèmes de ventilation mécanique contrôlée (VMC): ces systèmes sont équipés de ventilateurs qui peuvent être réglés pour maintenir un flux d’air constant. Ils peuvent être subdivisés en : VMC simple flux : Aspire l’air de l’extérieur et l’introduit dans les espaces intérieurs sans récupération de chaleur. Ces systèmes sont plus simples à installer mais moins efficaces sur le plan énergétique;
• VMC double flux: inclut un échangeur de chaleur qui permet la récupération de chaleur de l’air expulsé, améliorant ainsi l’efficacité énergétique. Ce type de système est particulièrement avantageux dans les climats froids, car il réduit les besoins énergétiques pour le chauffage.

Système tout air et air primaire

Les systèmes à air se distinguent en : 

• systèmes tout air: le circuit aéraulique chauffe ou refroidit les espaces;
• systèmes à air primaire: le circuit aéraulique a pour fonction la ventilation et le préchauffage ou le pré-refroidissement.

Tandis que le système tout air représente un système complet pour la gestion de la ventilation et du confort intérieur, l’air primaire est un élément spécifique qui fournit de l’air frais de l’extérieur au système. Les deux sont fondamentaux pour garantir un environnement sain et confortable, mais opèrent à des niveaux différents dans le contexte de la ventilation mécanique.

Un système avec air primaire est un type de système de ventilation qui utilise de l’air extérieur comme fluide de base pour le traitement de l’environnement, mais avec une approche qui combine l’air avec d’autres systèmes pour garantir le confort thermique. Dans la configuration du système avec air primaire, l’air est introduit à l’intérieur de l’environnement et est utilisé pour satisfaire en partie le besoin thermique, mais ce n’est pas le seul moyen de chauffage ou de refroidissement. Généralement, dans ce type de système, l’air primaire (air extérieur) est principalement utilisé pour la ventilation et pour garantir le renouvellement de l’air, mais le traitement thermique réel (chauffage et refroidissement) est effectué par d’autres systèmes tels que des panneaux radiants, des convecteurs ou des batteries de refroidissement et de chauffage.

Un exemple typique d’air primaire est l’air entrant traité par un système de ventilation, qui peut être chauffé ou refroidi par un système de climatisation, mais ne constitue pas la seule source de confort thermique. Dans ce cas, le système de ventilation travaille en synergie avec d’autres systèmes qui contribuent à la régulation de la température ambiante, comme par exemple un système de refroidissement par panneaux radiants ou une batterie d’échange thermique.

Les principales différences

Les principales différences entre les deux systèmes peuvent être identifiées dans plusieurs aspects, parmi lesquels : 

Principe de fonctionnement

• système tout air : l’air est le seul fluide traité et distribué pour garantir le confort thermique et la qualité de l’air, avec chauffage, refroidissement et déshumidification qui se produisent directement par le traitement de l’air lui-même;
• système avec air primaire : l’air extérieur est principalement utilisé pour le renouvellement de l’air et la ventilation, tandis que le traitement thermique se fait par d’autres systèmes comme des batteries de refroidissement et de chauffage, des panneaux radiants ou des convecteurs.

Traitement thermique

• système tout air : le chauffage ou le refroidissement se fait directement dans l’unité de traitement de l’air (UTA), sans nécessité d’un autre système de climatisation;
• système avec air primaire : l’air primaire est traité pour le renouvellement de l’air, mais n’est pas responsable à lui seul du traitement thermique, qui se fait par un système séparé.

Systèmes auxiliaires

• système tout air : ne nécessite pas de systèmes auxiliaires pour la climatisation, car l’air est traité et distribué directement;
• système avec air primaire : utilise d’autres dispositifs (comme des chauffages, des radiateurs, des panneaux radiants) pour le traitement thermique, tandis que l’air primaire se limite à garantir le renouvellement de l’air.

Applications

• système tout air : adapté aux bâtiments où un contrôle constant de la qualité de l’air et de la température est nécessaire, comme les résidences, bureaux, écoles et hôpitaux;
• système avec air primaire : souvent utilisé dans des bâtiments commerciaux ou industriels où l’air primaire sert principalement à la ventilation, tandis que d’autres systèmes thermiques s’occupent du chauffage ou du refroidissement.

Dimensionnement d’un système tout air

Le dimensionnement d’un système tout air est un processus technique complexe qui nécessite une évaluation précise de divers facteurs pour garantir un bon équilibre entre le besoin de ventilation, le traitement de l’air (chauffage, refroidissement, humidification et déshumidification) et l’efficacité énergétique. Cela comprend la conception de tous les composants principaux du système : l’unité de traitement de l’air (UTA), le réseau de distribution de l’air, les ventilateurs et les systèmes d’extraction, ainsi que la gestion de l’énergie.

Calcul du besoin en air

La première étape fondamentale dans le dimensionnement d’un système tout air est le calcul du besoin en air pour chaque espace. Cette valeur dépend de plusieurs variables, telles que le nombre de personnes présentes, les activités effectuées, les dimensions des espaces et la qualité de l’air requise.

Calcul du débit d’air pour l’Unité de Traitement de l’Air (UTA)

Le débit d’air calculé à l’étape précédente détermine les capacités minimales de l’UTA. Il est nécessaire de calculer le volume d’air à traiter pour l’ensemble du bâtiment ou pour un espace individuel. Cette valeur dépend du débit d’air par personne et du nombre de personnes ou de la taille des espaces. Si un bureau de 100 m² a un débit d’air requis de 10 m³/h par personne et accueille 20 personnes, le débit total d’air nécessaire pour l’espace sera : 

Débit total = 10 m³/h par personne × 20 personnes = 200 m³/h

Cette valeur doit être considérée pour dimensionner correctement l’UTA.

Dimensionnement des conduits et du réseau de distribution de l’air

La conception du réseau de conduits et des bouches de diffusion est une étape importante pour garantir une distribution uniforme de l’air dans tous les espaces. Pour dimensionner correctement le réseau, il est nécessaire de prendre en compte plusieurs facteurs : vitesse de l’air, diamètre des conduits, distribution de l’air.

Sélection et dimensionnement des ventilateurs

Les ventilateurs sont essentiels pour garantir le flux d’air nécessaire à travers le système. La sélection des ventilateurs dépend du débit volumétrique requis, des pertes de charge dans le système et de la pression statique. L’unité de traitement de l’air, en particulier, doit être équipée de ventilateurs capables de maintenir le débit souhaité sans compromettre l’efficacité énergétique. La perte de charge dans les tuyauteries et les filtres doit être estimée et incluse dans les calculs pour déterminer la puissance nécessaire pour les ventilateurs. La pression statique doit être suffisante pour surmonter les pertes de charge du système (conduits, filtres, grilles, etc.).

Calcul de la puissance thermique pour le chauffage et le refroidissement

Il est nécessaire de calculer la puissance thermique nécessaire pour chauffer ou refroidir l’air introduit, qui dépend de la différence de température entre l’air extérieur et l’air intérieur. Ce calcul est essentiel pour dimensionner correctement les batteries de chauffage ou les batteries de refroidissement dans l’UTA. La puissance thermique requise peut être calculée avec la formule : 

P = V × C × ΔT

où : 

• P est la puissance (en kW);
• V est le débit volumétrique (en m³/s);
• C est la capacité thermique de l’air (environ 0,33 kJ/m³ °C);
• ΔT est la différence de température (en °C).