Ventilateurs

Un ventilateur ne fournit pas un débit : il fournit une pression, et c'est le réseau qui décide du débit qu'elle fait passer. Ce chapitre suit le ventilateur de soufflage du plateau de bureaux, une roue libre à aubes arrière de 2,2 kW, sur son point nominal, puis quand on réduit le débit, quand les filtres s'encrassent et quand on le monte mal.

Le plateau de bureaux du cours souffle 5 000 m³/h d'air neuf traité. Ses pertes de charge viennent des conduits (ch. 9), du récupérateur (ch. 40) et des filtres encrassés (ch. 71). Reste à choisir la machine qui les vainc, à savoir ce qu'elle consomme et comment elle réagit quand le circuit change.

31.1 Ce que fournit un ventilateur

La roue communique à l'air une énergie par unité de volume, c'est-à-dire une pression : statique, celle que lit une prise affleurante à la paroi, et dynamique, portée par la vitesse (ch. 32). Leur somme est la pression totale :

La pression utile d'un ventilateur est l'écart de pression totale entre sa sortie et son entrée. Dans la gaine principale du plateau, à 6,31 m/s, la pression dynamique vaut 24,0 Pa avec ρ = 1,2041 kg/m³ (air à 20 °C, ch. 9) : peu devant les pertes, mais une sortie libre la perd entièrement. La puissance reçue par l'air, ou puissance aéraulique, en découle :

Au point nominal, filtres à mi-vie, le ventilateur fournit 741,2 Pa à 1,389 m³/s, soit 1 029 W donnés à l'air. Son rendement y vaut 0,700 : l'arbre absorbe 1 471 W. La différence chauffe l'air soufflé, qu'il faudra refroidir l'été.

La roue d'exemple mesure 400 mm de diamètre. À 1 890 tr/min, le bord extérieur des aubes tourne à u₂ = 39,6 m/s. Rapportée à ρ u₂² / 2, la pression à débit nul donne un coefficient de pression ψ₀ = 1,09, valeur courante pour une roue à aubes arrière. Les sept aubes passent devant un point fixe 220 fois par seconde : cette fréquence de passage des aubes est une raie du bruit du ventilateur (ch. 34).

31.2 Les familles

On classe les ventilateurs selon le trajet de l'air dans la roue.

• Centrifuge à aubes avant. Roue large à nombreuses petites aubes courbées dans le sens de rotation, dans une volute : beaucoup de pression à basse vitesse, donc peu de bruit, sous un faible encombrement, mais un rendement modeste et une puissance qui croît sans cesse avec le débit. Petits caissons, ventilo-convecteurs, rideaux d'air.
• Centrifuge à aubes arrière. Aubes inclinées contre le sens de rotation, souvent profilées, dans une volute. Elle tourne plus vite pour la même pression, mais son rendement est élevé et sa puissance passe par un maximum.
• Roue libre (en anglais plug fan). Roue à aubes arrière sans volute, montée sur l'arbre du moteur, qui souffle dans le caisson de la centrale. Elle perd la pression dynamique que la volute aurait récupérée, mais elle est compacte, sans courroie et facile à nettoyer : c'est le choix courant des centrales de traitement d'air, et celui du plateau.
• Hélicoïde. L'air traverse la roue parallèlement à l'axe. Grands débits, faibles pressions : extraction en toiture, condenseurs, tours (ch. 47).
• Hélico-centrifuge (ou mixte). Roue intermédiaire logée dans une enveloppe tubulaire, pour des pressions moyennes en conduit droit.

Le règlement (UE) 2024/1834 sur l'écoconception des ventilateurs, applicable depuis le 24 juillet 2026, traduit ces écarts en exigences : un rendement global minimal qui dépend, sous 10 kW, de la puissance électrique et d'un « niveau de rendement » propre à chaque famille. Il classe les roues centrifuges par l'angle de sortie de leurs aubes : une roue à aubes courbées vers l'arrière, cas supposé ici, relève des « autres ventilateurs centrifuges », de niveau 64 en statique (exemple en 31.8).

31.3 Les courbes caractéristiques

À vitesse fixe, le ventilateur se décrit par trois courbes en fonction du débit : pression, rendement, puissance. Le socle représente la roue libre du plateau par une parabole calée à 2 000 tr/min, avec n = N / 2 000 et q_v en m³/s :

À 2 000 tr/min, cette courbe part de 1 150,0 Pa à débit nul, monte à un sommet de 1 172,5 Pa vers 1 080 m³/h, puis descend jusqu'à s'annuler vers 8 876 m³/h, débit en refoulement libre. Le meilleur rendement est atteint vers 5 220 m³/h, sous 841,9 Pa. La puissance sur l'arbre culmine à 1 744 W vers 5 261 m³/h, puis décroît : c'est la propriété « non surchargeante » des aubes arrière. Un moteur choisi pour ce maximum ne craint pas un réseau moins résistant que prévu.

À gauche du sommet, où la pression croît avec le débit, le point de fonctionnement n'est pas stable : le débit oscille, l'écoulement décolle des aubes et la machine pompe, avec un bruit sourd et des vibrations. Les roues à aubes avant ont une zone instable marquée, avec un creux dans la courbe, et leur puissance, qui croît jusqu'au refoulement libre, peut faire déclencher le moteur sur un réseau ouvert. On place donc le point de fonctionnement à droite du sommet, près du meilleur rendement. Au plateau, à 1 890 tr/min, le meilleur rendement tombe à 4 932 m³/h et le débit nominal en vaut 1,014 fois : le choix est bien centré.

31.4 Le point de fonctionnement

Le réseau impose, lui aussi, une relation entre débit et pression : sa courbe (ch. 32) croît à peu près comme le carré du débit. Le ventilateur tourne là où les deux courbes se croisent, comme une pompe sur son réseau (ch. 23). Au point nominal, les conduits de soufflage demandent 169,2 Pa et la centrale 572,0 Pa : filtres à mi-vie, récupérateur, batteries, humidificateur, silencieux, grille d'air neuf, et 30 Pa d'effet système (31.9). Au total, 741,2 Pa à 5 000 m³/h. Le variateur cale la vitesse pour passer par ce point : 1 890 tr/min. Si l'on assimile l'ensemble à une résistance quadratique, Δp = K q_v², alors K vaut 384,2 Pa/(m³/s)².

La figure 31.1 reproduit cette rencontre sur un banc d'essai, où la chambre d'aval, fermée par un registre à lames, joue le rôle du réseau. Lames ouvertes, elle oppose la résistance de l'installation filtres propres ; fermées de 30°, celle de l'état nominal. Un vrai banc mesure aussi le débit, sur un circuit normalisé ; ici, il est calculé.

31.5 Les lois de similitude

Deux ventilateurs géométriquement semblables, ou le même à deux vitesses, ont des triangles de vitesses semblables dans la roue : à rendement égal, leurs points homologues suivent trois lois (N vitesse, D diamètre, ρ masse volumique) :

Vitesse. À 70 % de la vitesse, le débit est multiplié par 0,700, la pression par 0,490 et la puissance par 0,343. C'est cette loi cubique qui fait l'intérêt du variateur (31.6).

Diamètre. Passer à la taille au-dessus dans une série de diamètres en rapport 1,12 multiplie, à vitesse égale, le débit par 1,405, la pression par 1,254 et la puissance par 1,762. Les grandes roues lentes sont plus efficaces, mais plus encombrantes et plus chères.

Masse volumique. À débit volumique et vitesse donnés, pression et puissance sont proportionnelles à ρ ; le débit volumique ne change pas. Les courbes de catalogue sont établies pour de l'air au niveau de la mer et vers 20 °C. À 1 500 m d'altitude, l'atmosphère type donne 84 556 Pa : ρ est multiplié par 0,8345. Les pertes du réseau baissent dans le même rapport : à la même vitesse, le ventilateur garde ses 5 000 m³/h, mais ne fournit plus que 618,5 Pa et n'absorbe plus que 1 227 W sur l'arbre, 1 425 W au compteur. Le débit massique a baissé dans le même rapport : une batterie calculée en kilogrammes d'air reçoit moins d'air. Inversement, une pression exigée sur place se divise par 0,8345 pour lire le catalogue : 741,2 Pa sur site demandent 888,2 Pa. De même à 40 °C : ρ est multiplié par 0,9361 et le même point ne donne plus que 693,9 Pa.

31.6 Réduire le débit

En dehors des heures pleines, ou quand une sonde de CO₂ le permet, on réduit le débit soufflé, par l'un de trois moyens.

Le registre ajoute une perte de charge : la courbe du réseau se relève et le point remonte celle du ventilateur vers moins de débit et plus de pression. La puissance absorbée baisse peu : on freine l'air au lieu de moins le pousser.

Les aubes directrices d'entrée mettent l'air en rotation dans le sens de la roue avant qu'il n'y entre : la roue lui transmet moins d'énergie et sa courbe s'abaisse. La consommation baisse plus qu'avec un registre, bien moins qu'avec la vitesse. Le procédé a presque disparu des centrales neuves ; le chapitre ne le chiffre pas.

La variation de vitesse déplace toute la courbe du ventilateur selon les lois de similitude. Sur un réseau quadratique, le point reste sur sa parabole homologue et le rendement du ventilateur ne change pas.

Exemple 1 : le soufflage du plateau réduit à 70 %, soit 3 500 m³/h.

1. Par le variateur. La vitesse descend à 1 324 tr/min et la pression à 364,4 Pa. L'arbre absorbe 506 W, presque exactement la loi cubique (505 W). Le compteur lit 623 W, 36,5 % du nominal. La loi cubique appliquée à la puissance électrique aurait annoncé 585 W : le moteur et le variateur perdent en rendement à faible charge (31.7). SFP 641 W/(m³/s), classe SFP 2.
2. Par le registre, vitesse fixe à 1 890 tr/min. Le ventilateur remonte sa courbe jusqu'à 928,1 Pa, dont 563,7 Pa sont détruits dans le registre. Son rendement tombe à 0,641 : le point s'est éloigné de l'optimum. L'arbre absorbe 1 408 W et le compteur 1 632 W, soit 95,7 % du nominal pour 70 % du débit.
3. Écart. 1 010 W. Sur une durée d'exemple de 2 500 h par an à débit réduit, le variateur consomme 1 557 kWh et le registre 4 081 kWh : 2 524 kWh économisés par an sur ce seul ventilateur.

Un registre de réglage garde sa place pour équilibrer les branches d'un réseau (ch. 22 et 32), pas pour moduler le débit global d'un ventilateur.

31.7 Moteur, variateur et rendement de chaîne

Entre la prise et l'air, la puissance traverse en série le variateur, le moteur et la roue, dont le produit des rendements est le rendement de chaîne :

Le moteur usuel est un asynchrone triphasé piloté par un variateur de fréquence. Le règlement (UE) 2019/1781 impose depuis juillet 2021 la classe IE3 de 0,75 à 1 000 kW : au moins 85,9 % pour un moteur de 2,2 kW à deux pôles. Le socle prend 0,89 au régime nominal du moteur, au-dessus du minimum de la classe IE4 donné par le même tableau (88,0 %). Ses pertes sont à 30 % fixes et à 70 % proportionnelles au carré de la charge ; le variateur est compté à 0,96. Aux petites puissances se répandent des moteurs synchrones à aimants permanents et commutation électronique, dits « EC », à électronique intégrée et meilleur rendement à charge partielle ; le cours ne les chiffre pas.

Au point nominal, le moteur travaille à 66,9 % de sa charge nominale et son rendement vaut 0,898. La chaîne donne 0,700 × 0,898 × 0,96 = 0,603 : 1 029 W pour l'air sur 1 706 W pris au réseau. À 70 % de débit, le moteur n'est plus chargé qu'à 23,0 %. Son rendement tombe à 0,847 et celui de la chaîne à 0,569, pour 354 W utiles. C'est l'écart entre loi cubique et compteur de l'exemple 1.

Filtres au seuil, le moteur est chargé à 75,0 %. Mais le variateur peut pousser la roue à 2 400 tr/min : lames ouvertes, l'arbre demande alors 3 006 W, bien au-delà des 2,2 kW de la plaque. La vitesse maximale du variateur se règle donc d'après la puissance du moteur, pas seulement d'après le débit voulu.

La roue libre est accouplée directement ; une courroie ajouterait des pertes, accrues si elle est mal tendue, et un entretien (31.12).

31.8 Puissance spécifique et écoconception

Rapporter la puissance électrique au débit donne la puissance spécifique du ventilateur, ou SFP, qui compare des machines de tailles différentes :

L'EN 13779:2007 définissait les classes SFP 1 à 7, de bornes 500, 750, 1 250, 2 000, 3 000 et 4 500 W/(m³/s) ; l'EN 16798-3:2017 les a reprises. L'édition en vigueur, l'EN 16798-3:2025, a remanié sa clause SFP : ces classes sont à relire sur son texte.

Exemple 2 : le soufflage du plateau au point nominal.

1. Point et arbre. 1,389 m³/s sous 741,2 Pa à 1 890 tr/min : 1 029 W pour l'air, et 1 029 / 0,700 = 1 471 W sur l'arbre (31.1).
2. Compteur. Moteur à 0,898, variateur à 0,96 : 1 706 W, contre 1 709 W dans l'hypothèse globale du cours, soit −0,2 %.
3. SFP. 1 706 / 1,389 = 1 228 W/(m³/s), classe SFP 3. Filtres neufs, il faudrait 1 791 tr/min, 626,2 Pa et 1 449 W, soit un SFP de 1 044 (classe 3). Filtres au seuil, 1 964 tr/min, 831,2 Pa et 1 915 W, soit 1 379 (classe 4).
4. Centrale complète. Le ventilateur de reprise, à 1 579 tr/min sous 399,2 Pa, absorbe 978 W (SFP 704, classe 2). Les deux ensemble consomment 2 683 W pour 1,389 m³/s soufflés : 1 932 W/(m³/s).

Le règlement 2024/1834 juge le ventilateur seul à son point de rendement optimal : à 1 890 tr/min, 4 932 m³/h sous 751,5 Pa, pour 1 706 W pris au réseau. Avec variateur, le rendement global est multiplié par un facteur de compensation de charge partielle, 1,062 à cette puissance. Il atteint 64,1 %, pour une cible de 55,9 % au niveau 64 : le ventilateur passe. Sous le règlement (UE) n° 327/2011 qu'il a abrogé (niveau 62), la marge était de 10,8 points au lieu de 8,2. Les centrales complètes relèvent d'un autre texte, le règlement (UE) n° 1253/2014 sur les unités de ventilation, qui limite aussi leur puissance spécifique interne (ch. 40).

31.9 L'effet système

Les courbes de catalogue sont mesurées sur un banc normalisé : entrée longue et droite, sortie bien développée. Sur site, un coude collé à l'ouïe, une paroi trop proche de la roue libre ou une sortie qui débouche sur une batterie déforment l'écoulement. La roue ne délivre plus sa courbe de catalogue, et cette perte, absente du calcul du réseau comme du catalogue, est l'effet système. On l'exprime en fraction de la pression dynamique au point concerné, car c'est l'énergie de vitesse mal gérée qui se perd.

Au plateau, l'air entre dans l'ouïe de 280 mm à 22,6 m/s, sous 306 Pa de pression dynamique. Les 30 Pa que le socle compte dans la centrale n'en font que 0,10 ; un coude collé à l'aspiration en perdrait une fraction bien plus grande. Avec un montage idéal, la roue ne fournirait que 711,2 Pa à 1 864 tr/min, et le compteur afficherait 1 638 W, 68 W de moins (4,0 %).

Les règles de montage sont connues : un pavillon d'aspiration arrondi, un dégagement suffisant entre l'ouïe et les parois du caisson (le fabricant l'indique), pas de coude ni de registre juste à l'entrée, et une longueur droite à la sortie d'un ventilateur en volute avant tout changement de direction.

31.10 En parallèle et en série

Deux ventilateurs en parallèle additionnent leurs débits à pression égale, deux en série leurs pressions à débit égal. Le gain réel dépend du réseau. Avec deux roues identiques à 1 890 tr/min sur la résistance quadratique de la mi-vie, le montage en parallèle donne 5 750 m³/h sous 980,3 Pa, 15,0 % de plus qu'une roue seule. En série, on obtient 6 093 m³/h sous 1 100,7 Pa, 21,9 % de plus. Sur un réseau aussi raide, doubler la pression rapporte plus que doubler le débit ; sur un réseau peu résistant, ce serait l'inverse.

On monte surtout des ventilateurs en parallèle pour le secours ou pour fractionner la puissance : une centrale à plusieurs roues libres en mur continue de souffler si une roue s'arrête. Chaque roue doit alors avoir son clapet anti-retour, faute de quoi l'air reflue par la roue arrêtée. Il faut aussi éviter les roues à courbe instable, entre lesquelles la charge peut osciller.

31.11 Les filtres s'encrassent

Le glissement le plus courant du point de fonctionnement n'a rien d'une panne. Les filtres se chargent au fil des mois (ch. 71) et la courbe du réseau se relève. Dans le socle, le changement d'état fait aussi passer la batterie froide du régime sec au régime humide.

Exemple 3 : le ventilateur réglé une fois pour toutes à la mise en service, filtres neufs.

1. Réglage. À 1 791 tr/min, filtres propres, il souffle 5 000 m³/h.
2. Mi-vie. Sans retouche, le point remonte la courbe : 4 737 m³/h, soit −5,3 %.
3. Seuil de remplacement. 4 558 m³/h, soit −8,8 %, sous 691,2 Pa, pour 1 452 W. La puissance a à peine bougé, le débit a baissé.
4. Réglage à mi-vie. Si on règle la vitesse à 1 890 tr/min pour la mi-vie, les filtres neufs donnent 5 277 m³/h, soit +5,5 %.
5. Débit tenu. Pour garder 5 000 m³/h, une régulation à pression ou à débit constant doit monter de 1 791 à 1 964 tr/min. La puissance passe de 1 449 à 1 915 W, soit +32,2 %.

Tenir le débit coûte de l'énergie, mais le garantit et rend visible, au compteur, le coût de filtres changés trop tard.

31.12 Entretien

Un ventilateur demande peu, mais régulièrement : tension et usure des courroies quand il y en a, alignement des poulies, état et graissage des roulements. Une roue encrassée ou abîmée se déséquilibre : les vibrations usent les roulements et passent dans la structure si les plots antivibratiles ou les manchettes souples sont fatigués. Le suivi de la puissance électrique et du point de fonctionnement fait partie de la maintenance conditionnelle (ch. 71). Le débit et la vitesse de réception se relèvent à la mise en service (ch. 69).

À retenir

• Un ventilateur fournit une pression totale ; le débit naît de sa rencontre avec la courbe du réseau.
• Les aubes arrière et les roues libres ont un bon rendement et une puissance qui plafonne. Les aubes avant sont compactes et peu bruyantes, mais moins efficaces, surchargeables, avec une zone de pompage marquée.
• Similitude : q ∝ N D³, Δp ∝ ρ N² D², P ∝ ρ N³ D⁵. En altitude ou à chaud, le débit volumique est inchangé mais la pression et la puissance baissent avec ρ.
• Pour réduire le débit, la vitesse l'emporte de loin sur le registre : à 70 % du débit, 623 W contre 1 632 W au plateau.
• Le rendement de chaîne, variateur, moteur et roue, vaut 0,603 au nominal. Le SFP (1 228 W/(m³/s), classe 3) résume tout en un nombre.
• L'effet système coûte de l'énergie que ni le catalogue ni le calcul du réseau ne montrent. Un bon montage le réduit.
• Des filtres qui s'encrassent coûtent du débit à vitesse fixe (−8,8 %) ou de l'énergie à débit tenu (+32,2 %).

Sources. Règlement (UE) n° 327/2011 de la Commission du 30 mars 2011 (écoconception des ventilateurs entraînés par des moteurs de 125 W à 500 kW), annexes I et II, lu sur la base Cellar de l'Office des publications le 28/10/2026 ; abrogé au 24/07/2026 par le règlement (UE) 2024/1834 de la Commission du 3 juillet 2024, modifié par le règlement (UE) 2025/2481 (version consolidée du 28/12/2025 : article 9 ; annexe II, point 1 et tableau 1 ; annexe III, point 6.1), lue sur la même base le 29/10/2026 ; l'ancien texte reste applicable jusqu'au 24/07/2027 à certains ventilateurs intégrés dans d'autres produits et jusqu'au 24/07/2037 aux ventilateurs de rechange. Règlement (UE) 2019/1781 (moteurs électriques et variateurs), annexe I, tableau 2 (minimums IE3 et IE4). Règlement (UE) n° 1253/2014 (unités de ventilation). EN 16798-3:2025, ventilation des bâtiments non résidentiels ; classes SFP 1 à 7 de l'EN 13779:2007, reprises par l'EN 16798-3:2017 ; clause SFP de l'édition 2025 à vérifier. ISO 2533, atmosphère type (pression en fonction de l'altitude). U.S. Department of Energy et AMCA International, Improving Fan System Performance : A Sourcebook for Industry, DOE/GO-102003-1294, avril 2003 (effet système, réglage par aubes d'entrée, ventilateurs en parallèle). Socle du cours : le modèle commun du cours (réseau, centrale, courbe du ventilateur, moteur, SFP) et le modèle commun du cours ; modèle du chapitre : le modèle du cours. Les hypothèses d'exemple (diamètre de roue de 400 mm, ouïe de 280 mm, durée de marche de 2 500 h, altitude de 1 500 m, banc d'essai de la figure) sont propres au chapitre.