Pourquoi le VAV, et pourquoi maintenant
La distribution à débit d'air variable est la stratégie HVAC commerciale dominante, car elle économise beaucoup d'énergie de ventilation à charge partielle. Un immeuble de bureaux type fonctionne à 30-60 % de la charge de refroidissement de pointe la plupart des heures. Les systèmes à débit d'air constant font tourner le ventilateur à 100 % du débit quoi qu'il arrive ; le VAV réduit le débit proportionnellement à la charge. L'énergie du ventilateur varie avec le cube du débit : une réduction de 50 % du débit économise donc environ 87 % de la puissance du ventilateur à ce point de fonctionnement selon les lois des ventilateurs (moins en pratique, car la régulation de pression statique des gaines et les pertes du moteur et du variateur subsistent). La plupart des systèmes de certification de bâtiments durables (LEED, Green Star, BREEAM, DGNB) valorisent les économies d'énergie qui en résultent.
Types de terminaux VAV
VAV à simple conduit (le plus courant)
Un conduit de soufflage unique distribue de l'air froid à température constante (13 à 14 °C). La boîte terminale VAV comporte un clapet qui module le débit pour s'adapter à la charge de refroidissement de la zone. Reprise vers la CTA par le plénum de plafond ou par une gaine de reprise dédiée. Le plus efficace et le plus courant. Sous-types :
- Refroidissement seul : simple clapet, sans capacité de chauffage. Utilisé pour les zones intérieures où le chauffage n'est pas nécessaire.
- Post-chauffage (eau chaude ou électrique) : clapet plus batterie de chauffage en aval. Réduit le débit de refroidissement, puis active le post-chauffage pour les conditions de faible charge ou pour les zones périphériques en hiver.
- Indépendant de la pression : intègre un capteur de vitesse et une régulation à rétroaction pour maintenir le débit commandé quelle que soit la variation de pression statique de la gaine. Standard en commercial.
VAV à ventilateur intégré (FPB)
Boîte VAV à ventilateur intégré qui mélange l'air de reprise du plénum à l'air primaire de soufflage. Utilisée pour maintenir le débit minimal en faible charge tout en récupérant la chaleur de l'éclairage et des équipements dans le plénum. Sous-types :
- Caisson à ventilateur en série : le ventilateur tourne en continu à toutes les charges, le registre primaire module. Énergie de ventilateur continue plus élevée.
- Caisson à ventilateur en parallèle : le ventilateur ne tourne qu'aux faibles débits d'air primaire. Plus efficace mais régulation plus complexe.
VAV à double conduit
Deux conduits de soufflage : un froid (13 à 14 °C) et un chaud (35 à 40 °C). Le terminal VAV mélange les deux flux pour délivrer n'importe quelle température intermédiaire. Grande souplesse de régulation, mais forte énergie de ventilation et deux fois la masse de gaine. Utilisé dans certains bâtiments anciens ; rarement spécifié en construction neuve.
VAV à induction
L'air primaire est soufflé à grande vitesse par une buse, ce qui induit l'air secondaire du plénum à travers le terminal. Autonome (sans ventilateur). Capacité limitée ; utilisé dans certaines applications d'hôtellerie et dans des rénovations de bâtiments anciens.
Dimensionnement des boîtes VAV
Trois débits par zone
- Débit maximal de refroidissement : dimensionné sur la charge sensible de pointe avec la température de soufflage de conception (en général 13 à 14 °C). La charge de pointe inclut les apports solaires, les charges internes d'éclairage, d'équipements et de personnes, et la conduction de l'enveloppe aux conditions de conception.
- Débit minimal : fixé par les besoins de ventilation (ASHRAE 62.1 ou minimum du code local) et les limites de réchauffage du code de l'énergie ; vérifiez le mélange des diffuseurs à ce réglage.
- Débit en mode réchauffage : le débit pendant que la batterie de réchauffage est active. Pour un caisson simple conduit avec réchauffage, il est plafonné par les limites de réchauffage du code de l'énergie ; les caissons à ventilateur peuvent ajouter de l'air du plénum via le ventilateur du caisson sans air primaire supplémentaire.
Choix du diamètre d'entrée
Les boîtes VAV ont des entrées de gaine rondes en diamètres standard. Plage de débit approximative par entrée aux pertes de charge visées usuelles :
- Φ150 mm : 50 à 200 L/s
- Φ200 mm : 100 à 400 L/s
- Φ250 mm : 200 à 700 L/s
- Φ300 mm : 350 à 1 100 L/s
- Φ400 mm : 600 à 2 000 L/s
- Φ500 mm : 1 000 à 3 500 L/s
Les principaux fabricants (Trox, Titus, Krueger, Price, Carnes, Tuttle & Bailey, Halton) publient des logiciels de sélection détaillés qui tiennent compte de la perte de charge, du niveau NC et de l'autorité du clapet.
Coefficient de foisonnement
Le dimensionnement du ventilateur et de la CTA au niveau du système utilise le débit de pointe du système, inférieur à la somme des débits de pointe de toutes les zones. Raison : les zones atteignent leur pointe à des moments différents. Le périmètre est atteint sa pointe entre 9 h et 11 h (soleil du matin). Le périmètre ouest atteint sa pointe entre 14 h et 16 h. L'intérieur atteint sa pointe à la fréquentation maximale. Le ventilateur n'a jamais à fournir simultanément la pointe de toutes les zones.
Coefficients de foisonnement types :
- Bureaux commerciaux : 0,70 à 0,85
- Commercial à usage mixte : 0,75 à 0,85
- Hôpital (soins aigus) : 0,85 à 0,95 (moins de foisonnement, charge plus constante)
- Hôtel : 0,65 à 0,75 (fort foisonnement, occupation très variable)
- Commerce de détail : 0,70 à 0,80
- Enseignement : 0,60 à 0,75 (occupation saisonnière, les salles de classe atteignent leur pointe à des moments différents)
La modélisation énergétique détaillée du bâtiment (eQUEST, EnergyPlus, IES VE, TAS) calcule le foisonnement propre au projet. Des règles empiriques du secteur s'appliquent lorsqu'aucun modèle énergétique n'est disponible.
Débit minimal selon l'ASHRAE 62.1
L'ASHRAE 62.1 spécifie la ventilation minimale en air neuf par zone, en fonction de la surface au sol et de l'occupation. Valeurs types pour des bureaux :
- Espace de bureaux : 0,06 cfm/sqft de surface + 5 cfm/personne (≈ 0,30 L/s/m² + 2,5 L/s/personne)
- Salle de conférence : 0,06 cfm/sqft + 5 cfm/personne (c'est la densité d'occupation plus élevée qui fait la différence)
- Salle de classe : 0,12 cfm/sqft + 10 cfm/personne
- Chambre de patient d'hôpital : 0,18 cfm/sqft + 25 cfm/personne, plus 6 ACH au minimum
- Commerce de détail : 0,12 cfm/pi² + 7,5 cfm/personne
Le réglage minimal du VAV doit être égal ou supérieur à l'exigence de ventilation calculée à tout moment. Les systèmes multizones à CTA partagée utilisent le calcul multizone de l'ASHRAE 62.1, qui ajuste l'air neuf à la CTA selon le foisonnement d'occupation au niveau des zones.
Classe de pression des gaines VAV
La gaine de soufflage en amont des boîtes VAV fonctionne à une pression statique plus élevée qu'en aval :
- En amont du VAV (entre le ventilateur et l'entrée du caisson) : SMACNA +3 à +4 po CE / EN 1507 étanchéité à l'air classe C / AS/NZS classe C. Le ventilateur fournit la pression statique nécessaire pour alimenter chaque caisson VAV plus les pertes de charge des gaines.
- En aval du VAV (entre la sortie du caisson et le diffuseur) : SMACNA +1 po CE / EN 1507 classe A / AS/NZS classe A. Le caisson VAV abaisse la pression au niveau d'alimentation des diffuseurs.
Conséquence pour la fabrication : les gaines principales de soufflage demandent une tôle plus épaisse (en général calibre 20 à 18 pour la moyenne pression) et une étanchéité plus serrée que les gaines de branchement (calibre 22 à 24 pour la basse pression). La ligne automatique de gaines SBAL-V de Taokron mémorise des recettes d'automate pour les deux classes de pression ; l'opérateur choisit par tronçon de gaine. Cela évite de fabriquer les branchements basse pression avec une construction moyenne pression.
Considérations acoustiques
Les systèmes VAV génèrent du bruit à partir de trois sources :
- Ventilateur et CTA : source dominante de basses fréquences, maîtrisée par des silencieux près de la CTA et un caisson plénum garni
- Boîte VAV elle-même : la modulation du clapet crée un bruit régénéré, qui augmente à mesure que le clapet se ferme à partir de la pleine ouverture. Typiquement 25 à 40 dB(A) au débit maximal, en augmentation lorsque la boîte étrangle le débit.
- Diffuseur d'air : bruit de l'organe terminal, maîtrisé par le choix du diffuseur et la vitesse frontale
Le bruit de la boîte VAV domine généralement au niveau de la zone. Le choix doit vérifier le niveau NC à tous les points de fonctionnement, pas seulement au débit de pointe. De nombreux projets utilisent des gaines d'entrée de VAV à garnissage acoustique (300 à 600 mm de gaine garnie intérieurement en amont de la boîte) pour atténuer le bruit du ventilateur qui se propage à travers la boîte. Voir notre guide du garnissage acoustique des gaines.
Erreurs de conception VAV courantes
- Minimum VAV réglé sans vérifier les diffuseurs : des minimums très bas provoquent un mauvais mélange aux diffuseurs et une modulation instable du registre. Fixez le minimum d'après les besoins de ventilation (ASHRAE 62.1) et les limites de réchauffage du code de l'énergie, puis confirmez les performances des diffuseurs à ce débit.
- Débit de réchauffage au-dessus de la limite du code de l'énergie : l'ASHRAE 90.1 limite la quantité d'air qui peut être refroidie puis réchauffée. Surveillez le cahier des charges du projet pour l'audit de conformité.
- Gaine d'entrée insuffisante en amont du VAV : moins de 3 diamètres de tronçon droit à l'entrée provoquent une distorsion de l'écoulement et la défaillance de la régulation indépendante de la pression. Prévoyez toujours 3D au minimum, 5D idéalement.
- Mauvaise classe de pression sur la gaine aval : fabriquer la gaine basse pression boîte-diffuseur en construction moyenne pression gaspille 30 à 40 % du coût de fabrication. À l'inverse, une construction basse pression en amont du VAV ne satisfait pas la classe d'étanchéité.
- Coefficient de foisonnement non appliqué au niveau du système : ventilateur et CTA surdimensionnés. Gaspille de l'investissement et fonctionne à faible rendement au point de conception.
- Foisonnement appliqué au niveau du branchement : gaines de branchement sous-dimensionnées. Chaque branchement doit être dimensionné pour la pointe de sa zone, pas pour la pointe du système.
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FAQ
Qu'est-ce qu'un système VAV ?
Variable Air Volume : température de soufflage constante (13-14 °C), débit de zone modulé par un caisson terminal VAV pour suivre la charge de refroidissement. L'énergie du ventilateur chute fortement à charge partielle (environ 87 % de puissance en moins à demi-débit selon les lois des ventilateurs, moins en pratique).
Qu'est-ce que le coefficient de foisonnement ?
Ajustement pour les pointes de zones non simultanées. Ventilateur/CTA du système dimensionnés sur la pointe du système (70 à 85 % de la somme des pointes des zones pour les bureaux). Gaines de branchement dimensionnées sur la pointe de la zone (sans foisonnement).
Comment dimensionner une boîte terminale VAV ?
Le dimensionnement d'un caisson VAV exige trois débits par zone : le débit maximal de refroidissement (dimensionné sur la charge sensible de pointe avec un soufflage à 13-14 °C), le débit minimal (fixé par les besoins de ventilation et les limites de réchauffage du code de l'énergie) et le débit en mode réchauffage (le débit pendant que la batterie de réchauffage est active, également plafonné par les limites de réchauffage du code de l'énergie). La sélection au catalogue fait ensuite correspondre le diamètre d'entrée au débit requis pour la perte de charge visée (typiquement 50-150 Pa). Diamètres d'entrée ronds : Φ200 mm pour ~400 L/s, Φ250 mm pour ~700 L/s, Φ300 mm pour ~1 100 L/s. Principaux fabricants de caissons VAV : Trox, Titus, Krueger, Price, Carnes, Tuttle & Bailey.
Quel est le réglage de débit minimal VAV ?
Le débit minimal est fixé par les besoins de ventilation et les limites de réchauffage du code de l'énergie. Le plancher de ventilation est l'exigence ASHRAE 62.1 pour la zone (pour un bureau, 0,06 cfm/pi² + 5 cfm/personne, soit environ 0,3 L/s par m² + 2,5 L/s par personne) ou tout code local plus strict (p. ex. l'AS 1668.2 en Australie). Le code de l'énergie (p. ex. ASHRAE 90.1) limite la quantité d'air qui peut être refroidie puis réchauffée ; le minimum ne doit donc pas être réglé plus haut que ne l'exigent la ventilation et les performances des diffuseurs. Vérifiez le mélange et la portée des diffuseurs au réglage minimal, car un débit très faible peut provoquer un mauvais mélange et des plaintes de confort.
Quelle classe de pression exige une gaine VAV ?
La gaine de soufflage en amont des caissons VAV est généralement à moyenne pression (SMACNA +3 à +4 po CE / EN 1507 étanchéité à l'air classe C / AS-NZS classe C), car le caisson VAV exige 50-200 Pa de pression statique minimale pour fonctionner correctement sur toute sa plage de débit. En aval du caisson VAV (tronçon caisson-diffuseur), la basse pression (SMACNA +1 po CE / EN 1507 classe A / AS-NZS classe A) suffit. Conséquence en fabrication : les collecteurs et colonnes de soufflage exigent une tôle plus épaisse et une étanchéité plus serrée que les branchements. Les recettes de la SBAL-V de Taokron incluent les deux classes de pression ; l'opérateur choisit pour chaque tronçon de gaine.
