Centrales et systèmes (VAC, VAV, air-eau)

Une centrale de traitement d'air est une suite de caissons que l'air traverse dans un ordre dicté par la physique : filtrer, récupérer, mélanger, refroidir, chauffer, humidifier, pousser, atténuer. Ce qui distingue un système d'un autre, c'est ce qu'on demande à ce flux d'air : porter toute la charge des locaux, à débit constant ou variable, ou seulement l'air neuf hygiénique, l'eau se chargeant du reste. Ce chapitre ouvre la centrale module par module, puis compare les trois familles sur le plateau de bureaux de référence du cours : 100 bureaux, 200 personnes, et un système air-eau de 5 000 m³/h d'air neuf avec ventilo-convecteurs (chapitres 35, 42 et 54).

41.1 La centrale, module par module

L'ordre des modules n'est pas une convention de dessin. Chaque place se justifie par ce que le module reçoit et par ce qu'il laisse au suivant. Dans le sens de l'air neuf :

• Volets d'air neuf et de rejet, en tête. Fermés à l'arrêt, ils protègent les batteries du gel et le bâtiment du tirage.
• Filtres, avant tout ce qui doit rester propre : récupérateur, batteries, humidificateur. Un préfiltre grossier protège un filtre fin plus coûteux. Le filtre fin se classe selon l'ISO 16890-1:2016 par son efficacité sur les particules ePM₁, ePM_2,5 ou ePM₁₀ ; son encrassement et son remplacement sont traités au chapitre 71.
• Récupérateur, sur l'air neuf encore brut et l'air extrait encore chaud : il dispose ainsi de tout l'écart entre les deux (chapitre 40).
• Caisson de mélange, quand le système recycle une part de l'air repris.
• Batterie froide puis batterie chaude. On refroidit d'abord sous le point de rosée pour sécher l'air, puis on le réchauffe s'il est trop froid pour être soufflé (chapitres 36, 37 et 39). Dans l'ordre inverse, la batterie chaude ne ferait qu'ajouter du travail à la froide.
• Humidificateur, après la batterie chaude : l'air chaud absorbe la vapeur sans la recondenser (chapitre 38).
• Ventilateurs, puis silencieux côté gaine (chapitres 31 et 34).

La place du ventilateur a un prix. Placé après la batterie froide, il réchauffe l'air qu'elle vient de refroidir : sur la centrale du cours, de 1,03 kJ/kg, soit 1,00 K. La batterie sort à 12,50 °C pour un soufflage à 13,50 °C. Placé avant elle, son échauffement est repris par la batterie, mais l'air part presque saturé vers les gaines.

Chaque module coûte une perte de charge. Celles de la centrale du plateau sortent du réseau du chapitre 32, filtres à mi-encrassement :

Les filtres et le récupérateur font à eux seuls les deux tiers de la somme. Avec les 169,2 Pa du réseau, le ventilateur de soufflage tourne à 1 890 tr/min pour 741,2 Pa ; sa roue a un rendement de 0,700 et, avec le moteur et le variateur, il absorbe 1 706 W. La reprise, 343,9 Pa, prend 978 W. Les deux ventilateurs font 2 683 W, soit une puissance spécifique de 1 932 W/(m³/s). Pour comparer les systèmes, le cours garde l'hypothèse globale du socle, 800 Pa et 0,65, soit 3 419 W : elle est plus prudente que ce détail, qui suppose des filtres à 210 Pa quand leur seuil de remplacement est à 300 Pa.

La même centrale traverse les saisons (chapitre 42). À 31 °C, le récupérateur prend 6,4 kW à l'air neuf, la batterie froide 32,5 kW, et le bac recueille 10,4 kg/h de condensats. À −7 °C, le récupérateur rend 34,1 kW, la batterie chaude 9,6 kW et l'humidificateur 10,22 kg/h de vapeur, soit 7,6 kW ; l'air quitte la batterie chaude à 18,98 °C et part à 20,3 °C.

41.2 Le caisson

Le caisson n'est pas un simple capot. L'EN 1886:2025 classe ses performances mécaniques par des essais : tenue des panneaux sous pression, étanchéité à l'air en dépression et en surpression, fuite de dérivation autour des cadres de filtres, transmission thermique des panneaux et facteur de pont thermique. Le cours ne reprend pas ses classes, seulement leur logique. Un caisson qui fuit, ou dont les filtres sont contournés par leur cadre, annule la filtration qu'on a payée. Un pont thermique fort fait ruisseler la peau froide d'une centrale posée en toiture l'hiver, ou dans un local chaud l'été. Le panneau double peau, deux tôles et un isolant entre elles, se choisit pour ces deux points plus que pour sa raideur. L'EN 13053:2019 classe, elle, la centrale entière et ses composants : vitesse frontale, récupération, puissance des ventilateurs.

L'hygiène se dessine dès le caisson (chapitre 73) : bac de condensats en pente vers une évacuation siphonnée, portes d'accès en amont et en aval des batteries et de l'humidificateur, filtres extractibles côté air sale. Le siphon d'un bac placé en dépression, avant le ventilateur, doit tenir cette dépression ; s'il est trop court, il se vide par aspiration et le bac déborde dans le caisson.

41.3 Le tout air à débit constant

Dans un système tout air, l'air soufflé enlève à lui seul la charge sensible du local. Le débit est fixé par la charge de pointe et par l'écart de soufflage :

1. Le bureau de référence demande 822 W sensibles à la pointe (chapitres 21 et 54).
2. La centrale souffle à 13,5 °C dans un bureau tenu à 26 °C : 12,5 K d'écart. À cet écart, les 50 m³/h d'air neuf hygiénique du bureau (chapitre 35) n'enlèvent que 212,8 W.
3. Débit tout air : 50 × 822 / 212,8 = 193,1 m³/h par bureau, soit 19 315 m³/h pour le plateau, 3,86 fois l'air neuf. La convention d'air sec du chapitre 35 donnerait 196,1 m³/h et 19 610 m³/h, 1,5 % de plus.
4. Ventilateurs : à puissance spécifique égale, la puissance suit le débit, 13,2 kW au lieu de 3,42 kW, dont 6,60 kW par ventilateur.

L'air neuf n'est plus que 25,9 % du débit soufflé. Un VAC tout air neuf traiterait les 19 315 m³/h d'air extérieur ; le VAC avec recyclage n'en prend que la part hygiénique et mélange le reste avec l'air repris. Sur la journée de projet du socle d'eau glacée (chapitre 50), le premier demande 1 270 kWh de froid, le second 1 154 kWh, le système air-eau 1 074 kWh. Les ventilateurs des deux VAC consomment 145,3 kWh, ceux de l'air-eau 59,6 kWh.

Cette journée réserve une surprise. Le plateau reprend à la relance la chaleur que les murs ont stockée la nuit, 323,0 kWh. Un système tout air calé au strict 822 W par bureau n'a aucune réserve : il souffle tout son débit de 7 h à 18 h, et il reste 86,6 kWh dans les murs à 18 h. Le système air-eau, lui, cumule les 822 W de ses ventilo-convecteurs et les 212,8 W de son air neuf. Un tout air se dimensionne donc avec une marge de relance, ou avec un écart de soufflage plus grand.

Un VAC ne règle qu'une chose, la température de soufflage. Quand il dessert plusieurs zones dont les charges diffèrent, il souffle le même air partout et ajoute à chaque zone une batterie de réchauffage terminal. C'est simple et stable, mais cela revient à refroidir pour la zone la plus chargée puis à réchauffer pour les autres (section 41.5).

41.4 Le tout air à débit variable

Un système VAV souffle un air à température constante, ici 13,5 °C, et règle la puissance de chaque zone par son débit. Chaque zone a sa boîte : un registre motorisé et une mesure de débit, pilotés par la température de la zone. Le débit ne descend pas sous un minimum, pris à 30 % du débit de projet : en dessous, l'air neuf et la diffusion ne sont plus assurés. Au minimum, si la zone continue de se refroidir, une batterie de réchauffage prend le relais.

Quand les boîtes se ferment, la pression monte dans la gaine. Le ventilateur, à variateur, tient alors une consigne de pression statique p_s mesurée dans le réseau, ici 200 Pa sur les 800 Pa de projet. La part du réseau en aval de la sonde suit le carré du débit, la consigne ne bouge pas :

1. a = 200 / 800 = 0,25.
2. À 70 % du débit : P / P_n = 0,7 × (0,25 + 0,75 × 0,49) = 43,2 %. La loi du cube du chapitre 31 donnerait 34,3 %.
3. À 30 % du débit : 0,3 × (0,25 + 0,75 × 0,09) = 9,5 %, contre 2,7 % au cube.
4. Sur le ventilateur réel de la centrale (1 706 W au projet), 70 % du débit coûte 623 W par variateur sur un réseau sans consigne de pression, où toute la pression suit le carré du débit, 585 W en loi du cube pure, et 1 632 W si l'on étrangle le débit par un registre (chapitre 31).

La consigne fixe coûte surtout aux faibles débits. Un reset de la consigne, qui la baisse tant qu'aucune boîte n'est grande ouverte, rapproche le ventilateur du cube ; l'ASHRAE Guideline 36-2024 décrit de telles séquences (chapitre 57 pour les boucles). La sonde se place là où la pression manque, vers les deux tiers du réseau, pas à la sortie de la centrale.

Sur la journée de projet avec relance, le VAV ne gagne rien : il souffle tout son débit, comme le VAC. Pour isoler l'effet du débit variable, le cours reprend la même journée sans la chaleur stockée la nuit. C'est une variante d'école, comme si la relance était traitée à part, par une marge de débit ou un démarrage anticipé : la charge des bureaux va alors de 7,0 à 80,6 kW. Le débit du VAV passe alors de 30 % à 7 h à 98 % à 17 h, et ses ventilateurs de 0,81 à 12,54 kW. Ils consomment 74,6 kWh contre 145,3 kWh au VAC, 49 % de moins ; avec le reset, 69,9 kWh, 52 % de moins. Un jour chaud réel, le gain se situe entre zéro et ces valeurs, selon la marge de relance. En contrepartie, le VAV souffle toujours à 13,5 °C : il dépense un peu plus de froid que le VAC avec recyclage (872 kWh contre 806 kWh) et réchauffe 14,4 kWh pendant l'heure qu'il passe au minimum de débit.

Le faible débit a deux risques. Le premier concerne l'air neuf, traité en section 41.5. Le second est la diffusion (chapitre 33). Une bouche dimensionnée pour 193,1 m³/h à 2,78 m/s a une section effective de 0,0193 m² et une portée de 3,09 m, pour un bureau de 4,0 m de profondeur. À 30 % du débit, la portée tombe à 0,93 m. Le nombre d'Archimède du jet, rapport de la poussée d'Archimède à l'inertie, passe de 0,0074 à 0,082 :

Il est multiplié par onze parce qu'il varie comme l'inverse du carré de la vitesse. Le jet froid ne tient plus au plafond et tombe sur les occupants : c'est le courant d'air du chapitre 14. Les bouches à section variable, ou à induction, gardent leur vitesse quand le débit baisse.

41.5 Mi-saison : réchauffer ce qu'on vient de refroidir

Le 15 avril, par ciel clair, l'air extérieur va de 6,0 à 16,0 °C (journée d'exemple du chapitre 42). Le plateau est découpé en quatre ailes de 25 bureaux orientées au nord, à l'est, au sud et à l'ouest. Chaque bureau flotte entre 20 °C, sous lesquels on chauffe, et 26 °C, au-dessus desquels on refroidit. Les apports sont comptés en régime permanent, sans l'inertie du chapitre 21. Leurs pointes à 26 °C diffèrent peu d'une aile à l'autre : 817 W au nord, 840 W à l'est, 891 W au sud, 867 W à l'ouest. Mais ils n'arrivent pas à la même heure : le soleil du matin charge l'est, celui de l'après-midi l'ouest, et le matin est froid.

1. VAC multizone, soufflage fixe à 13,5 °C : 50 kWh de réchauffage terminal sur la journée, dont 42 kWh ne servent qu'à défaire le froid soufflé. Le froid central fait 131 kWh, et il manque encore 6,9 kWh de froid aux bureaux les plus chargés : au-delà de 822 W, le débit de projet ne suffit plus.
2. VAC avec soufflage recalé sur la zone la plus exigeante : plus aucun réchauffage terminal, mais la batterie chaude centrale fournit 34 kWh, pour 130 kWh de froid central.
3. VAV : 20 kWh de réchauffage, dont 12 kWh de froid défait, 119 kWh de froid, 5 kWh de chaud central. Les ventilateurs consomment 100 kWh, contre 145 kWh au VAC.
4. Air-eau : les ventilo-convecteurs fournissent 619 kWh de froid et 8 kWh de chaud, la centrale 8 kWh de chaud.

La dernière ligne surprend. Les systèmes tout air refroidissent ce jour-là surtout avec l'air extérieur, mélangé à l'air repris : c'est l'économiseur. L'air-eau n'a que ses 5 000 m³/h d'air neuf ; le reste du froid passe par le groupe.

L'air neuf d'un VAV multizone est le second piège. Vers 10 h 35, l'air extérieur est à 13,0 °C et les boîtes soufflent 86 % de leur débit de projet au nord, 100 % à l'est, 83 % au sud et 86 % à l'ouest. Si le registre d'air neuf est à son minimum, comme par temps chaud ou très froid, les 5 000 m³/h font 29,2 % du débit soufflé. Chaque aile reçoit cette part de son propre débit : 48,4 m³/h par bureau au nord et à l'ouest, 56,4 m³/h à l'est, 46,8 m³/h au sud, pour un besoin de 50 m³/h. La centrale fournit bien le total, mais l'aile la moins chargée en manque. Les méthodes de calcul de l'air neuf des systèmes multizones relèvent le minimum de la centrale pour la zone la plus défavorisée, ou règlent l'air neuf zone par zone.

41.6 L'économiseur sur l'année

Un système tout air peut prendre jusqu'à 19 315 m³/h d'air extérieur quand son enthalpie est inférieure à celle de l'air repris, soit 4,77 kg/s de plus que l'air neuf minimal. À 10 g/kg, la limite tombe à 27,4 °C. Sur l'année d'exemple, comptée par classes de température (chapitres 49 et 58), ce surplus évite 21 411 kWh des 63 391 kWh de froid du plateau, 33,8 %. Il est utile 1 384 h sur les 1 463 h de froid, et suffit seul 424 h, groupe arrêté. Au SEER du groupe, 6,72, cela fait 3 188 kWh d'électricité. Le gain est réel, mais petit devant la ventilation : il ne compense pas, à lui seul, les ventilateurs d'un tout air à débit constant.

41.7 Les systèmes air-eau

Un système air-eau sépare les deux fonctions. La centrale ne traite que l'air neuf hygiénique, ici 5 000 m³/h, pour 3,42 kW de ventilateurs. Elle le filtre, le sèche et le tempère. Les charges des locaux passent par l'eau, qui transporte le froid sous un volume bien plus faible que l'air (chapitre 51). Les émetteurs sont des ventilo-convecteurs, des poutres froides actives ou des plafonds rayonnants. Le chapitre 54 les a comparés sur ce même plateau : 30 563 kWh par an avec les ventilo-convecteurs, dont 9 875 kWh pour le groupe, contre 23 726 kWh avec les poutres. On ne le refait pas ici.

Un air-eau souffle 3,86 fois moins d'air qu'un tout air de même confort ; à vitesse égale, ses gaines sont d'autant plus petites, ce qui libère du faux plafond et des gaines verticales. En échange, l'eau froide entre dans les locaux : condensats à évacuer pour les ventilo-convecteurs, consigne d'eau au-dessus du point de rosée pour les poutres et les plafonds (chapitre 39), filtres et ventilateurs à entretenir bureau par bureau.

41.8 Comparer et choisir

Sur l'année, les auxiliaires des trois systèmes (ventilateurs, pompes et tour, hors groupe) se comparent ainsi, pour 2 868 h de marche de la centrale et 1 463 h de froid :

• VAC : ventilation 37 875 kWh, pompes et tour 4 950 kWh, total 42 826 kWh, 2,07 fois l'air-eau ;
• VAV : ventilation 4 319 kWh, pompes et tour 4 950 kWh, total 9 270 kWh, 0,45 fois l'air-eau ;
• air-eau (chapitre 54) : centrale 9 805 kWh et ventilo-convecteurs 5 736 kWh, soit 15 540 kWh de ventilation, pompes et tour 5 147 kWh, total 20 688 kWh.

Le VAC paie toute l'année le débit de pointe. Le chiffre du VAV est une borne basse : son débit suit ici la charge moyenne du plateau, pas les heures de relance où il souffle au maximum, et le modèle ignore la perte de charge des boîtes, les pertes du moteur et du variateur à faible vitesse, et le chauffage des façades. Il montre néanmoins pourquoi le VAV s'est imposé dans les grands immeubles de bureaux où l'air porte la charge.

L'énergie n'est qu'un critère. Les autres se pèsent projet par projet :

• Place. Un tout air souffle 3,86 fois plus d'air : des gaines d'autant plus grosses à vitesse égale, du faux plafond et des gaines verticales ; l'air-eau demande des réseaux d'eau jusqu'aux locaux.
• Cloisonnement. Une boîte VAV ou un ventilo-convecteur par module de façade suit mieux les déménagements qu'un VAC à zones fixes.
• Acoustique. Les ventilateurs d'un air-eau sont dans les bureaux ; ceux d'un tout air sont en centrale, mais les boîtes VAV et les grandes vitesses de gaine se traitent (chapitre 34).
• Maintenance. Une centrale, ou cent appareils en faux plafond avec leurs filtres et leurs bacs.
• Confort. Débit constant et jet stable pour le VAC ; risque de chute de jet au minimum pour le VAV ; air neuf toujours assuré pour l'air-eau (chapitre 14).

41.9 Erreurs fréquentes

• Air neuf fixé en part du débit total. Régler le registre d'un VAV à 25,9 % du débit ne donne plus que 1 500 m³/h quand le plateau descend à son minimum de 5 794 m³/h. L'air neuf se règle en débit, mesuré.
• Réchauffer et refroidir à la fois. Soufflage fixe trop froid, bande morte trop étroite, vanne de batterie chaude qui fuit : la section 41.5 en chiffre le coût.
• Minimum de boîte trop haut. Chaque point de minimum se paie en réchauffage et en ventilateur : au jour type de 15 °C, avec 30 %, le VAV réchauffe déjà 12,8 kW.
• Volets d'air neuf bloqués. Ouverts, ils annulent la récupération et le recyclage en hiver ; fermés, ils privent les bureaux d'air neuf et l'économiseur de son air. Un servomoteur se contrôle à la mise en service et à chaque maintenance (chapitre 69).
• Consigne de pression trop haute ou sonde mal placée. Elle éloigne le ventilateur de la loi du cube et fait siffler les boîtes.

À retenir

• L'ordre des modules suit la physique : filtrer avant de salir, refroidir avant de réchauffer, humidifier de l'air chaud.
• Un tout air dimensionné à 12,5 K d'écart souffle 3,86 fois l'air neuf : 19 315 m³/h et 13,2 kW de ventilateurs sur le plateau.
• Le VAC paie le débit de pointe toute l'année et réchauffe ce qu'il a refroidi dès que ses zones diffèrent.
• Un VAV à pression fixe s'écarte du cube : 43,2 % de la puissance à 70 % du débit, 9,5 % à 30 %.
• Au minimum de débit, un VAV peut manquer d'air neuf dans ses zones les moins chargées et laisser tomber ses jets.
• L'économiseur évite un tiers du froid de l'année, mais seulement pour les systèmes qui peuvent souffler beaucoup d'air extérieur.
• L'air-eau sépare l'air neuf, en centrale, et la charge, portée par l'eau : un débit d'air près de quatre fois plus faible.

Sources publiques : ASHRAE Handbook, HVAC Systems and Equipment, chapitres sur les systèmes tout air, les systèmes air-eau et les centrales de traitement d'air, et Fundamentals, chapitre sur la diffusion de l'air dans les locaux ; ASHRAE Guideline 36-2024, séquences de régulation des systèmes VAV, pour le principe du reset de pression ; EN 1886:2025, performances mécaniques des caissons, et EN 13053:2019, classification des centrales, nommées pour leur objet et leurs familles de classes ; ISO 16890-1:2016, classification des filtres ; W. P. Jones, Air Conditioning Engineering, Butterworth-Heinemann, chapitres sur les systèmes ; F. C. McQuiston, J. D. Parker et J. D. Spitler, Heating, Ventilating, and Air Conditioning : Analysis and Design, Wiley. Chiffres du plateau : modèles publics du cours (le modèle commun du cours, chapitres 35, 42 et 54).