1. Contexte Le système de conduits d'air est un élément essentiel de l'ingénierie de la climatisation et de la ventilation. Son objectif est de transporter efficacement l'air ajusté vers l'équipement final en fonction du flux conçu. En règle générale, les conduits d'air ont trois formes de section transversale : rectangulaire, circulaire et oblongue. Les conduits rectangulaires sont généralement fabriqués en rivetant quatre plaques d'acier [...]
Le système de conduits d'air est un élément essentiel de l'ingénierie de la climatisation et de la ventilation. Son objectif est de transporter efficacement l'air ajusté vers l'équipement final en fonction du flux conçu.
En règle générale, les conduits d'air ont trois formes de section transversale : rectangulaire, circulaire et oblongue. Les conduits rectangulaires sont généralement fabriqués en rivetant quatre plaques d'acier ensemble, tandis que les conduits ronds sont créés en enroulant une plaque d'acier de 137 mm de large. tôle d'acier sur une machine de formage en spirale. Les conduits oblongs sont relativement rares et sont généralement formés par l'écrasement de conduits circulaires.
Avant 1960, les gaines rectangulaires étaient les plus utilisées en raison de la simplicité de leur processus de fabrication et de leur faible encombrement. Cependant, avec le développement de grandes machines de formage de conduits circulaires en spirale, de nombreux projets d'ingénierie ont démontré que les conduits circulaires sont plus économiques et plus performants que les conduits rectangulaires en ce qui concerne d'autres paramètres d'ingénierie.
De nombreux conduits d'air en tissu actuellement disponibles sur le marché sont des systèmes de distribution d'air qui combinent des caractéristiques telles que des bouches d'aération, des conduits d'alimentation en air, des boîtes de pression statique, des matériaux d'isolation thermique et des clapets. Ils ont gagné en popularité auprès des utilisateurs en raison de leurs avantages tels qu'une alimentation en air précise et uniforme, un bloc d'installation léger, une apparence attrayante et une résistance aux bactéries et aux moisissures.
Les gaines en tissu fibreux se présentent sous différentes formes : ronde, semi-circulaire, quart de cercle, ovale et semi-ovale, afin de s'adapter aux exigences des différentes structures de bâtiments.
Gaine en tissu de fibres rondes
Tableau 1 : Part de marché des gaines circulaires chaque année :
| Pays | 1960 | 1965 | 1970 | 1975 | 1980 | 1985 | 1990 | 2000 |
| Nordique | 5 | 15 | 40 | 60 | 70 | 80 | 85 | 90 |
| Allemagne | 5 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 25 | 50 |
| France | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 50 | 65 |
| Angleterre | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 35 | 35 | 55 |
Du point de vue de l'analyse économique, le coût total d'un système de conduits d'air dans un bâtiment tout au long de sa durée de vie peut être divisé comme suit
Des recherches menées à l'étranger ont montré que, pour de nombreux paramètres, les systèmes de gaines circulaires sont plus performants que les systèmes de gaines rectangulaires.
Cet article résume les résultats de ces études et se concentre sur la comparaison des aspects économiques des systèmes de conduits d'air.
Il convient de noter que, dans des circonstances normales, le coût du renouvellement ne représente qu'une petite partie du coût total et ne sera donc pas pris en compte dans cette discussion.
Les raisons pour lesquelles l'investissement initial requis pour un système de gaines circulaires est inférieur à celui d'un système de gaines rectangulaires sont les suivantes :
Nous avons conçu deux système de ventilation Nous avons également comparé les pertes de charge du système et les paramètres économiques associés. Les résultats, basés sur les prix du marché nordique de l'année, sont présentés dans la figure 1.
Les calculs ont montré que, dans les mêmes conditions d'équipement final, le coût global d'installation du système de gaines circulaires n'était que la moitié de celui du système de gaines rectangulaires, et que le coût des matériaux du système de gaines circulaires représentait 80% de celui du système de gaines rectangulaires.
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| Perte de pression totale (Pa) : 150.0 Coût total de l'installation : 0,51R Coût total des matériaux : 0,8 million d'euros （A） | Perte de pression totale (Pa) : 165.4 Coût total de l'installation : R Coût total des matériaux : M （B） |
Figure 1 : Comparaison des schémas de conception des conduits
(A) Conduit circulaire (B) Conduit rectangulaire
L'analyse économique de l'espace occupé par le système de conduits est difficile à réaliser car elle dépend de la structure et de la destination du bâtiment.
On pense généralement que les gaines rectangulaires permettent d'économiser de l'espace, mais en réalité, pour les gaines rectangulaires ayant un rapport d'aspect proche, la surface réelle qu'elles occupent est plus grande que celle des gaines circulaires. Cela s'explique principalement par le fait que les gaines rectangulaires nécessitent des brides de raccordement et que la hauteur des bords des brides est généralement supérieure à 20 mm, comme le montre la figure 2 (A).
Cependant, les conduits d'air modernes en spirale peuvent être raccordés avec une flexibilité standardisée, comme le montre la figure 2 (B), ce qui permet non seulement d'économiser de l'espace, mais aussi de faciliter l'installation. Par conséquent, pour les conduits d'air rectangulaires dont le rapport d'aspect est proche de 1, les avantages des conduits circulaires ne peuvent pas être négligés.
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| (A) | (B) |
Figure 2 : Comparaison de la raccord de gaine schéma
(A) Conduit rectangulaire (B) Conduit circulaire
Pour les conduits rectangulaires à grand rapport d'aspect, ils peuvent être remplacés par plusieurs conduits circulaires, comme le montre la figure 3. Cette solution peut faciliter le contrôle du volume d'air et réduire les coûts d'installation. Bien que le coût des matériaux puisse augmenter, une étude a montré que dans ce schéma, l'investissement initial est presque le même que celui de la gaine rectangulaire.
Figure 3 : Plan alternatif prévoyant le remplacement d'un conduit rectangulaire de 550 mm × 150 mm par deux conduits circulaires de D = 200 mm.
Dans des circonstances normales, la plus grande partie des coûts d'exploitation des systèmes de climatisation est la consommation d'énergie. Celle-ci comprend l'énergie nécessaire pour chauffer ou refroidir l'air, ainsi que pour transporter l'air jusqu'à l'équipement final. Si l'ensemble du système de conduits est bien isolé, les fuites d'air des conduits deviennent une source importante de surconsommation d'énergie.
Pour le système de gaines, le ventilateur fournit la puissance de circulation, et la pression du vent du ventilateur ne dépasse généralement pas 650Pa. Si l'on exclut la perte de pression au niveau de l'équipement final de l'unité de traitement de l'air, la hauteur de pression disponible de l'ensemble du système de gaines est d'environ 200-300Pa.
Il est donc essentiel de minimiser la perte de charge dans le système de conduits d'air. Parallèlement, le niveau des fuites d'air a également une incidence directe sur le choix de la puissance du ventilateur. Selon le théorème du ventilateur, la puissance du ventilateur est proportionnelle au cube du volume d'air. En d'autres termes, si le taux de fuite du conduit d'air est de 6%, la puissance du ventilateur augmentera de 20%. Le taux de fuite des conduits d'air circulaires est beaucoup plus faible que celui des conduits d'air rectangulaires.
Le taux de fuite du conduit d'air peut être calculé à l'aide de la formule suivante :
En Europe, l'étanchéité des conduits d'air est divisée en quatre niveaux (A, B, C, D) en fonction de la constante de fuite d'air.
Le tableau 2 indique les constantes de fuite d'air maximales admissibles pour les différents grades.
| Classe A | KA= | 0.027×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
| Classe B | KB= | 0.009×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
| Classe C | KC= | 0.003×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
| Classe D | KD = | 0.001×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
Tableau 2 : Classification de l'étanchéité à l'air des systèmes de conduits européens
La comparaison avec les gaines circulaires montre que les gaines rectangulaires nécessitent beaucoup plus de boulons et de rivets pour leur raccordement, ce qui entraîne des fuites d'air beaucoup plus importantes.
La figure 4 présente des données mesurées en Belgique, qui montrent que le taux de fuite moyen des gaines rectangulaires est sept fois plus élevé que celui des gaines circulaires.
Le "Code for Construction and Acceptance of Ventilation and Air Conditioning Work" GB50243-2002 stipule également que la fuite d'air autorisée pour les conduits circulaires est égale à 50% de celle des conduits rectangulaires.
Figure 4 : Mesures des taux de fuite d'air dans 21 bâtiments belges (Carrié et al, 1999)
L'équivalent hydraulique est utilisé pour estimer la perte de pression du système de conduits rectangulaires ayant le même diamètre équivalent hydraulique. Malgré leurs différentes formes de section transversale, ils ont la même perte de pression le long du trajet.
La figure 5 compare la perte de pression d'un conduit circulaire (D = 0,5 m, U = 5 m/s, Σ = 0,15 mm) et d'un conduit rectangulaire de même surface et de même débit. Il est évident que dans ce cas, la perte de pression du conduit rectangulaire est beaucoup plus élevée que celle du conduit circulaire, et plus le rapport d'aspect du conduit augmente, plus la perte de pression augmente. Cela implique qu'une puissance de ventilateur plus importante est nécessaire.
Figure 5 : Comparaison de la perte de pression entre un conduit rectangulaire et un conduit circulaire avec un débit et une vitesse d'écoulement constants (débit = 1m³ / s, v = 5m / s)
Le concept de "diamètre hydraulique équivalent" suppose que la contrainte de cisaillement moyenne le long de la limite d'un conduit rectangulaire doit être cohérente. En d'autres termes, la ligne isocinétique devrait être parallèle à la limite du conduit d'air. Cependant, les résultats des mesures réelles montrent que dans un conduit d'air rectangulaire, le gradient de vitesse le long de la ligne diagonale décroît le plus lentement et le gradient de vitesse le long de la ligne centrale décroît le plus lentement.
Par conséquent, en théorie, le diamètre équivalent hydraulique doit être utilisé avec prudence dans les deux cas suivants :
Des données expérimentales remettent également en cause l'universalité du diamètre équivalent hydraulique. JONES a réalisé une série d'expériences sur la perte de charge de conduits rectangulaires lisses. La réanalyse de ses données expérimentales est présentée dans la figure 6.
Malgré l'absence de données pour 10 <rapport d'aspect <25, les données de la figure 6 suggèrent encore fortement l'effet monotone croissant du rapport longueur-largeur sur la perte de pression hydraulique du diamètre équivalent.
Les expériences de Griggsetal avec des conduits rectangulaires rugueux donnent des résultats similaires.
Figure 6 : Comparaison de la perte de pression entre un conduit rectangulaire lisse et un conduit circulaire avec différents rapports longueur-largeur.
Pour prévenir le syndrome des bâtiments malsains, il est nécessaire de nettoyer régulièrement les conduits d'air. Les méthodes de nettoyage comprennent la méthode sèche (à l'aide d'un aspirateur et d'une brosse) et la méthode humide (à l'aide d'une longue serpillière). Dans les deux cas, le nettoyage des conduits circulaires est plus facile que celui des conduits rectangulaires.
L'analyse économique des systèmes de conduits d'air est une tâche difficile. Elle doit tenir compte d'une série de facteurs, car la durée de vie d'un système de conduits peut souvent dépasser dix ans. Dans ce cas, une petite amélioration de la conception et de la qualité peut considérablement augmenter la rentabilité de l'investissement.
L'utilisation de conduits circulaires est donc une solution plus économique. Toutefois, il est important de noter que pour des raisons de silence et d'espace, les conduits rectangulaires restent recommandés pour certains éléments à grand débit et de grande taille du système de conduits d'air, tels que les bouches d'entrée d'air frais et les sorties d'appareils de traitement de l'air.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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