Débits d'air et dimensionnement

Avant de choisir un ventilateur ou de tracer une gaine, il faut savoir combien d'air souffler. Deux raisons fixent ce débit : renouveler l'air que respirent les occupants et emporter la chaleur qu'eux-mêmes, le soleil et les machines apportent. Elles donnent deux nombres souvent très différents. Ce chapitre les calcule sur le plateau de bureaux du cours, retient le plus grand, puis en tire la section de la gaine, la puissance du ventilateur et l'énergie d'une année.

35.1 Pourquoi souffler de l'air

Un local fermé accumule ce que ses occupants et ses matériaux émettent : gaz carbonique, vapeur d'eau, odeurs, composés organiques des meubles. Il accumule aussi de la chaleur. L'air neuf soufflé dilue les premiers ; un air soufflé plus froid que le local emporte la seconde.

L'hygiène d'abord : diluer les polluants. Le CO₂ des occupants n'est pas dangereux aux teneurs d'un bureau, mais il croît avec les autres émissions humaines et se mesure facilement : il sert de témoin. L'humidité ensuite : les deux occupants du bureau de référence dégagent 90 W latents, soit 132 g d'eau par heure ; ses 50 m³/h d'air neuf l'emportent si l'air soufflé est plus sec de 2,20 g/kg que l'air du local, l'écart que prend la centrale de référence (chapitres 1 et 37). Les charges thermiques enfin : en été, l'air soufflé évacue la chaleur sensible des occupants, de l'éclairage, des postes et du soleil (chapitres 19 à 21). Un quatrième rôle se voit moins : l'écart entre air soufflé et air repris fixe la pression du bâtiment, donc le sens des fuites à travers l'enveloppe (chapitre 18).

35.2 Le débit hygiénique : ce que fixent les textes

Pour les locaux de travail à pollution non spécifique ventilés mécaniquement, l'article R4222-6 du code du travail (version en vigueur depuis le 1^er mai 2008) fixe un débit minimal d'air neuf par occupant : 25 m³/h dans les bureaux, 30 m³/h pour la restauration, la vente et les réunions, 45 m³/h pour un travail physique léger, 60 m³/h pour les autres. Le plateau du cours, 100 bureaux de 21,6 m² occupés chacun par deux personnes, demande 200 × 25 = 5 000 m³/h : c'est le débit de la centrale de référence. Rapporté aux 2 160 m² et 6 048 m³ du plateau, cela fait 2,31 m³/(h·m²) et un renouvellement d'air de 0,83 vol/h :

n = q / V  (vol/h, q en m³/h, V en m³)

Dans les logements, l'arrêté du 24 mars 1982 modifié raisonne autrement : l'air entre par les pièces principales et sort par les pièces de service, où sont fixés des débits d'extraction qui croissent avec le nombre de pièces principales. Un trois-pièces doit pouvoir extraire en pointe 105 m³/h à la cuisine, 30 m³/h dans la salle de bains et 15 m³/h au WC, soit 150 m³/h, et peut descendre à 75 m³/h hors pointe : 0,92 vol/h puis 0,46 vol/h pour 65 m² et 162,5 m³. Un studio extrait 90 m³/h en pointe, 75 à la cuisine et 15 dans la salle d'eau qui abrite le WC, et peut descendre à 35 m³/h. Le débit suit ici le nombre de pièces, pas les occupants.

La norme EN 16798-1:2019 sépare la pollution due aux personnes de celle due au bâtiment, et classe l'exigence en catégories, de I (élevée) à III (modérée) :

q = n · q_p + A · q_B

où n est le nombre d'occupants, A la surface au sol, q_p un débit par personne et q_B un débit par mètre carré qui traduit les émissions des matériaux. Les valeurs par défaut de son annexe B, informative, sont de l'ordre de 10, 7 et 4 L/s par personne pour les catégories I, II et III, et de 1,0, 0,7 et 0,4 L/(s·m²) pour un bâtiment faiblement polluant ; une annexe nationale peut les remplacer, il faut les relire sur le texte applicable. Le plateau demanderait 14 976, 10 483 et 5 990 m³/h, soit 3,00, 2,10 et 1,20 fois le débit réglementaire ; très faiblement polluant (0,50, 0,35 et 0,20 L/(s·m²)), il descendrait à 11 088, 7 762 et 4 435 m³/h. La part surfacique pèse lourd : en catégorie II, les 5 443 m³/h dus au bâtiment dépassent les 5 040 m³/h dus aux personnes. Les 25 m³/h du code sont un minimum légal ; une catégorie de qualité est un choix de projet, à écrire dans le programme.

35.3 Le CO₂, témoin de la dilution

Tous ces débits reposent sur le même bilan. Dans un local bien mélangé où n occupants émettent chacun un débit G d'un polluant, l'air neuf entre à la teneur extérieure C_ext et l'air repris sort à la teneur du local. En régime établi :

C = C_ext + n · G / q

Un adulte de 70 kg et 1,75 m assis au travail de bureau (1,2 met, soit 129 W pour une surface corporelle de 1,844 m²) rejette environ 19,0 L/h de CO₂ avec un quotient respiratoire de 0,83, selon la formule publiée par l'ASHRAE qui relie le métabolisme à la consommation d'oxygène. L'air extérieur en contient de l'ordre de 420 ppm. Le bureau de référence, deux personnes et 50 m³/h, se stabilise à 1 180 ppm, 760 ppm au-dessus de l'extérieur.

Ce régime n'est pas atteint tout de suite. Partant de l'air extérieur, la teneur suit :

C(t) = C_∞ + (C₀ − C_∞) · exp(−t / τ),  τ = V / q

Pour le bureau de 60,48 m³, τ = 1,21 h : on lit 847 ppm après une heure, et il faut trois constantes de temps, 3,63 h, pour faire 95 % du chemin. Une réunion courte reste loin du régime établi, ce que la ventilation à la demande sait exploiter.

Le bilan se retourne pour donner le débit qui tient une teneur. L'EN 16798-1 associe à ses catégories des écarts au-dessus de l'extérieur de l'ordre de 550, 800 et 1 350 ppm. Avec 19,0 L/h par personne, ils demandent 34,5, 23,7 et 14,1 m³/h par personne : les 25 m³/h du code tiennent à peu près la catégorie II pour la seule part des occupants. Tenir 1 000 ppm dans le bureau de référence demande 65,5 m³/h, 31 % de plus que ses 50 m³/h. Le CO₂ ne voit ni le mobilier ni une imprimante, d'où la part surfacique de la norme.

35.4 Le débit thermique

Un air soufflé à t_s dans un local à t_l emporte, par mètre cube, ρ · c · (t_l − t_s) joules de chaleur sensible. Pour évacuer une charge Φ, il faut :

q_th = Φ / (ρ · c · ΔT),  ΔT = t_l − t_s

Avec la convention de débit de la centrale, 1,2 kg/m³, et c = 1 006 J/(kg·K), ρ · c vaut 1 207,2 J/(m³·K). La charge sensible du bureau de référence culmine à 17 h 59 avec 822,0 W (chapitre 21) : 123,9 W des occupants, 153,0 W d'éclairage, 256,7 W de postes, 269,5 W par le vitrage et 18,9 W par le mur. La centrale souffle en été à 13,50 °C dans un local à 26,0 °C, soit ΔT = 12,50 K : le débit thermique vaut 196,1 m³/h, 3,92 fois l'air neuf, 3,24 vol/h.

Tout se joue dans ΔT. Sous le plafond, le jet doit se réchauffer par induction avant d'atteindre les occupants, faute de quoi il retombe en courant d'air froid (chapitres 14 et 33) ; l'air ne sort pas non plus plus froid que la batterie ne le permet, et une gaine trop froide condense (chapitre 37). Les règles de l'art retiennent souvent un écart prudent de l'ordre de 8 K pour un diffuseur plafonnier sans forte induction ; le débit monte alors à 306,4 m³/h, 6,13 fois l'air neuf, 5,07 vol/h.

À l'inverse, les 50 m³/h d'air neuf soufflés à 12,50 K n'emportent que 210 W, 25,5 % de la charge ; tout évacuer avec ce seul débit demanderait un écart de 49,0 K. À l'échelle du plateau, l'air seul devrait porter 19 610 m³/h pour 82,2 kW. Le plateau du cours fait autrement : la centrale souffle ses 5 000 m³/h d'air neuf, et des ventilo-convecteurs à eau glacée reprennent dans chaque bureau les 612 W restants, 61,2 kW en tout. L'eau transporte la chaleur dans un tuyau bien plus petit qu'une gaine, avec une pompe bien moins puissante qu'un ventilateur. Le partage entre l'air et l'eau est le sujet du chapitre 41.

35.5 Débit retenu, reprise et transferts

Le débit à souffler est le plus grand des deux :

q_retenu = max(q_hyg, q_th)

Dans un bureau, le débit thermique l'emporte largement : la charge vient du soleil et des machines plus que des personnes. Dans une salle de réunion, c'est l'inverse dès qu'elle se remplit : chaque personne ajoute 30 m³/h d'hygiène mais seulement 62,0 W sensibles, soit 14,8 m³/h de débit thermique à 12,50 K. Sur un module de 21,6 m² équipé d'un écran, l'hygiène prend la main au-delà de 8,58 personnes. Un logement n'a pas cette bascule : son extraction ne dépend pas des occupants.

La figure 35.1 met ces trois usages sur le même plateau de 100 modules. Choisissez l'usage avec les boutons ou les flèches haut et bas, l'occupation avec le curseur, le survol ou les flèches gauche et droite. Les compteurs suivent le modèle, un voyant montre quel débit commande, la gaine prend la section qui tient la vitesse admise et la ligne de lecture donne renouvellement, vitesse, pression dynamique et puissance du ventilateur.

Le renouvellement d'air est un contrôle, pas un critère de dimensionnement : 0,83 vol/h pour l'hygiène du plateau, 3,24 vol/h si l'air portait toute la charge. Un taux élevé signale un débit dicté par la thermique et des courants d'air à surveiller ; un taux très bas, un air neuf qui risque de manquer aux pointes.

Tout l'air soufflé doit ressortir. Une partie est reprise par la centrale, qui la fait passer par le récupérateur (chapitre 40) ; une autre est extraite dans les sanitaires, gardés en dépression pour que leurs odeurs ne gagnent pas les bureaux ; le reste fuit par l'enveloppe. Entre les deux, l'air transféré passe des bureaux aux circulations puis aux sanitaires par des détalonnages de portes ou des grilles de transfert :

q_soufflé = q_repris + q_extrait + q_fuites

Si la centrale ne reprend que 90 % de l'air soufflé, 4 500 m³/h, les 500 m³/h restants sortent par les extractions ou l'enveloppe : le bâtiment se met en légère surpression, ce qui limite les infiltrations d'air froid en hiver (chapitre 18). En dépression, il aspirerait l'air extérieur par toutes ses fuites, sans filtre ni réchauffage. Les fuites des réseaux eux-mêmes, fixées par leur classe d'étanchéité (chapitre 32), entrent aussi dans le bilan.

35.6 Du débit à la centrale

Le débit fixé, la section d'un conduit découle de la vitesse admise :

A = q / v

La méthode du chapitre 32 limite la gaine principale à 7 m/s et 1 Pa/m, deux règles de l'art qui ménagent le bruit (chapitre 34) et l'énergie. À 5 000 m³/h, la section minimale vaut 0,198 m² ; la gaine retenue, 550 × 400 mm, fait passer l'air à 6,31 m/s pour 0,887 Pa/m (diamètre hydraulique 463 mm, diamètre équivalent 511 mm, chapitre 9). La figure prend la hauteur dans une série de 400 à 1 200 mm et une largeur au plus triple, autre règle de l'art. Tout air, il faudrait 1 300 × 600 mm à 6,98 m/s, 3,55 fois la section.

Le ventilateur vainc la perte de charge de tout le circuit : au point de fonctionnement, 169,2 Pa dans le réseau et 572,0 Pa dans la centrale, soit 741,2 Pa (chapitre 31). Le chapitre 32 trouve 168,1 Pa, 740,1 Pa au total, avec chaque bouche à 50 m³/h ; registres réglés au pas de leur secteur gradué, la bouche la plus défavorisée reçoit 50,31 m³/h, d'où l'écart. Sa puissance suit :

P_arbre = q · Δp / η_v,  P_él = P_arbre / η_m,  SFP = P_él / q

où η_v est le rendement du ventilateur et η_m celui du moteur avec son variateur. L'arbre reçoit 1 471 W pour η_v = 0,700, et le moteur appelle 1 706 W. La puissance spécifique de ventilation vaut 1 228 W/(m³/s), dans la classe SFP 3 au sens des classes de l'EN 13779 reprises par l'EN 16798-3 ; leurs bornes restent à vérifier sur l'édition de 2025. Avec le ventilateur de reprise, la centrale appelle 2 683 W, soit 1 932 W/(m³/s). À SFP constant, hypothèse de la figure qui suppose réseau et centrale redimensionnés aux mêmes règles, la puissance suit le débit : les 19 610 m³/h tout air demanderaient 6,69 kW au seul soufflage, 10,52 kW aux deux ventilateurs.

35.7 L'énergie d'une année

L'énergie de ventilation est la puissance appelée multipliée par les heures de marche :

E = P_él · h_an = SFP · q · h_an

La centrale du plateau tourne 55 h par semaine, 2 867,9 h par an, et consomme 7 696 kWh, 3,56 kWh par mètre carré. Le chapitre 74 retient 9 805 kWh avec deux ventilateurs de 1,71 kW, la reprise comptée comme le soufflage ; ici la reprise, moins chargée, appelle moins. Tout air, la même centrale consommerait 30 182 kWh, 3,92 fois plus : c'est le prix de l'air comme vecteur de chaleur.

35.8 Recevoir les débits

Un débit calculé ne vaut que mesuré. À la réception (chapitre 69), on mesure le débit total de la centrale et celui de chaque bouche. En gaine, on explore la section avec une sonde, ou l'on lit une grille de mesure qui moyenne la pression totale sur la section, reliée avec une prise statique à un manomètre différentiel. La pression dynamique p_d = ½ · ρ · v² donne la vitesse, puis le débit. Dans la gaine de 550 × 400 mm, elle vaut 24,0 Pa à 6,31 m/s : quelques dizaines de pascals, à lire avec un appareil adapté. Le manomètre de la figure bouge peu d'un usage à l'autre, parce que la gaine change de section pour garder sa vitesse.

Aux bouches, un cône de mesure ou un anémomètre donne le débit de chacune ; on règle ensuite les registres. Le réseau du plateau, équilibré au chapitre 32, distribue de 48,23 à 51,82 m³/h à ses bouches de 50 m³/h, un écart de 3,65 %. La tolérance est fixée par le marché ; un écart de l'ordre de ±10 % par bouche est courant, soit 45 à 55 m³/h. Les méthodes de mesure et leurs incertitudes, décrites par l'EN 12599, seront reprises au chapitre 10.

35.9 Débit variable et ventilation à la demande

Le débit hygiénique est calculé pour une occupation pleine, que le plateau atteint rarement. La ventilation à la demande règle le débit sur une mesure : sonde de CO₂ en salle de réunion, détecteur de présence, horloge à défaut. On gagne sur l'air à traiter et sur le ventilateur. Ramener le débit du réseau à 70 % avec un variateur fait tomber le soufflage à 623 W, −63,5 %, près de la loi cubique idéale, 585 W ; un registre qui étrangle le réseau ne le ramène qu'à 1 632 W (chapitre 31). Les bouches et registres doivent alors garder leur répartition à débit réduit : c'est le domaine du débit d'air variable, au chapitre 41.

35.10 Exemple : le débit hygiénique du plateau

1. Occupants : 100 bureaux × 2 = 200 personnes ; surface 2 160 m², volume 6 048 m³.
2. Code du travail, bureaux : 200 × 25 = 5 000 m³/h, soit 2,31 m³/(h·m²) et 0,83 vol/h.
3. EN 16798-1, catégorie II, bâtiment faiblement polluant : 200 × 7 = 1 400 L/s, soit 5 040 m³/h, et 2 160 × 0,7 = 1 512 L/s, soit 5 443 m³/h ; total 2 912 L/s, 10 483 m³/h, 2,10 fois le débit réglementaire.
4. Catégorie I : 4 160 L/s, 14 976 m³/h (3,00 fois) ; catégorie III : 1 664 L/s, 5 990 m³/h (1,20 fois).
5. Contrôle par le CO₂ : 25 m³/h par personne tiennent 760 ppm au-dessus de l'extérieur, sous l'écart de la catégorie II (800 ppm).

35.11 Exemple : le bureau de référence en été

1. Charge sensible de pointe : Φ = 822,0 W à 17 h 59.
2. Écart de soufflage : ΔT = 26,0 − 13,50 = 12,50 K ; ρ · c = 1,2 × 1 006 = 1 207,2 J/(m³·K).
3. q_th = 822,0 / (1 207,2 × 12,50) × 3 600 = 196,1 m³/h, 3,92 fois les 50 m³/h d'air neuf, 3,24 vol/h dans 60,48 m³.
4. Avec l'écart prudent de 8 K : 306,4 m³/h, 5,07 vol/h.
5. L'air neuf seul emporte 1 207,2 × 50 / 3 600 × 12,50 = 210 W, 25,5 % de la charge ; le ventilo-convecteur prend le reste, 612 W.

35.12 Exemple : le CO₂ du bureau aux deux débits

1. Émission : 2 × 19,0 = 38,0 L/h de CO₂ ; extérieur 420 ppm.
2. À 50 m³/h : C = 420 + 38,0 × 10⁻³ / 50 × 10⁶ = 1 180 ppm.
3. Au débit thermique de 196,1 m³/h : 614 ppm ; à 306,4 m³/h : 544 ppm.
4. Montée en début de journée : τ = 60,48 / 50 = 1,21 h ; 847 ppm après une heure.
5. Pour tenir 1 000 ppm à l'air neuf seul : q = 38,0 / (1 000 − 420) × 10³ = 65,5 m³/h.

35.13 Exemple : l'énergie de ventilation du plateau

1. Heures de marche : 55 / 168 × 8 760 = 2 867,9 h.
2. Puissance de la centrale, soufflage et reprise : 2 683 W, SFP 1 932 W/(m³/s).
3. Énergie : 2 683 W pendant 2 867,9 h, soit 7 696 kWh par an, 3,56 kWh/m².
4. Tout air : 19 610 m³/h au même SFP, 10,52 kW et 30 182 kWh, 3,92 fois plus.

À retenir

• Le débit hygiénique dilue les polluants, le débit thermique emporte la chaleur ; on souffle le plus grand des deux.
• Le débit hygiénique vient des textes : 25 m³/h par occupant de bureau (R4222-6), extraction par pièce de service en logement (arrêté de 1982), catégories de l'EN 16798-1 avec une part par mètre carré.
• Dilution : C = C_ext + n · G / q ; le CO₂ sert de témoin.
• q_th = Φ / (ρ · c · ΔT), ΔT borné par le confort et la batterie froide ; dans un bureau, l'eau porte mieux la charge que l'air.
• Du débit découlent la section, la puissance et l'énergie : A = q / v, SFP = P_él / q, E = SFP · q · h_an.
• Un débit se reçoit mesuré, avec une tolérance écrite dans le marché.

Sources publiques : code du travail, article R4222-6 (version en vigueur depuis le 1^er mai 2008) ; arrêté du 24 mars 1982 modifié relatif à l'aération des logements ; EN 16798-1:2019, annexe B informative ; EN 16798-3:2025 ; EN 13779:2007 (retirée, classes SFP) ; EN 12599 ; ASHRAE, Handbook, volume Fundamentals, émission de CO₂ des occupants ; A. Persily et L. de Jonge, Indoor Air 27 (2017) ; formule de surface corporelle de DuBois (1916) ; NOAA Global Monitoring Laboratory pour le CO₂ extérieur. Nombres calculés par le modèle du cours avec le modèle commun du cours.