12-6 - Puissance des VMC double flux (V2016)

Le sommaire des infos et concepts des maisons passives

Les VMC Double Flux sont à la base du concept Maison Passive dans lesquelles le réseau aéraulique de ce type ventilation doit pouvoir devenir le réseau de chauffage principal des locaux. L'intérêt des VMC double flux, est alors multiple. Dans ces conditions d'usage, leur échangeur permet de récupérer la chaleur de l'air extrait et leur réseau aéraulique peut non seulement distribuer de l'air neuf, mais aussi la chaleur du système de chauffage en hiver ou encore la fraîcheur d'un puits provençal en été. En définitive, leur utilisation s'est avérée avoir un avantage primordial, celui d'assurer un meilleur confort…

Le confort hivernal est en effet une conséquence directe de leur présence. L'air peut en effet rentrer à une température très proche de la température intérieure, et toujours au-delà de 16°C, quelle que soit la température extérieure. Fini alors la sensation de courant d'air froid provoquée par des bouches d'entrée d'air, même hygroréglables, de constructions seulement RT2012 équipées de VMC simple flux. Ceci est d'autant plus vrai que les autres qualités thermiques hors normes d'une maison passive mettraient à coup sûr l'accent sur un tel défaut.

Le confort estival est une autre conséquence directe de la présence des VMC qui passent trop souvent inaperçue, parce qu'elles ont d'abord été conçues pour fonctionner en hiver. Leurs échangeurs fonctionnent en effet en toute saison et avec le même niveau de performance. Ils inversent simplement et naturellement le sens du flux de chaleur qui va toujours du plus chaud vers le plus froid. La chaleur de l'air vicié extrait chauffe l'air neuf froid en hiver. L'air neuf à la température extérieure chaude en été cède sa chaleur à l'air intérieur vicié, extrait bien plus frais dans la journée qu'à l'extérieur en période de canicule. Il est donc rafraîchi et limite le risque de surchauffe sans autre équipement.

Les échangeurs des VMC double flux sont bidirectionnels et efficaces en toute saison

L'efficacité des VMC double flux

Partant du principe que, dans une maison passive, les solutions les plus efficaces sont souvent préférables parce que le principe de compensation limite les performances a atteindre pour d'autres prestations, nous considérerons dans la suite de cet article que l'échangeur de la VMC est à contre-courant avec, pour simplifier, une efficacité thermique réelle de l'échangeur de 90%.

Pour rappel, l'efficacité thermique d'un échangeur de chaleur de VMC définit la proportion de chaleur que l'air le plus chaud est capable de transmettre à l'air le plus froid. Une telle efficacité signifie que, à débit identique, 90% de la différence de température entre l'air le plus froid et l'air le plus chaud est transférée dans l'échangeur à l'air le plus froid. L'air le plus chaud est rafraîchi d'autant.

Il est à noter qu'il s'agit là d'une approximation puisque, pour que ce soit parfaitement le cas, il faudrait que l'échange ait lieu avec des débits parfaitement identiques et dans un système étanche et adiabatique, c'est à dire sans aucun autre échange de chaleur avec le milieu extérieur à l'échangeur. Ce n'est bien sûr pas possible. L'échangeur est dans une VMC. La VMC est dans un local. Elle est donc soumise à sa température et à des échanges de chaleur avec ce dernier. Elle comporte une partie plus froide et une partie plus chaude puisque l'air entrant et l'air sortant sont très fréquemment à des températures dont l'écart peut dépasser 20°C. Elle présente forcément des risques de fuite d'air. Enfin elle comporte des ventilateurs électriques qui produisent fatalement de la chaleur. Les VMC de bonne qualité limitent ces échanges grâce à leur propre isolation et à leur étanchéité à l'air mais aussi grâce a l'efficacité de leur moteurs. Dans tous les cas, les échanges sont donc très limités et ne changent rien au raisonnement.


La puissance thermique du renouvellement d’air

La puissance thermique P, résultant du renouvellement d’air, est proportionnelle :
• au débit d’air en provenance de la VMC : D exprimé en m3/h
• à la masse volumique de l’air : ρ exprimée en  kg/m3
• à la chaleur spécifique de l’air : C exprimée en kWh/kg•K
• à la différence de température entre l’air neuf et la température intérieure : ∆t exprimée en Kelvin (K)

P = D ρC ∆t

À pression normale ρ = 1,2 kg/m3 et C = 1 005 J/kg•K = 1 005 Ws/kg•K = 0,279 Wh/kg•K
(J : Joules et K : Kelvin, 0K = -273°C, 0°C = 273K)

Afin de simplifier les calculs thermiques, c’est généralement la chaleur volumique correspondant au produit ρCair = 0,33Whu/m3•K qui est directement intégrée dans la formule.

Puissance de chauffage en hiver

Une VMC double flux peut limiter considérablement l'énergie nécessaire au chauffage de l'air neuf en hiver en récupérant la partie de la chaleur de l'air extrait correspondant à son efficacité.

Le chauffage hivernal assure une température constante de 20°C. En considérant que l'air extérieur est proche de 0°C, l'écart de température avec l'intérieur est de 20°C. La VMC est capable de récupérer 90% de cet écart soit 18°C. L'air neuf arrive donc à l'intérieur à 18°C. En considérant que l'air est renouvelé à raison de 0,4 volume par heure, dans des locaux dont la hauteur sous plafond est de 2,50m, l'application de la formule précédente définit une puissance de chauffage qui peut atteindre 0,4*2,5*0,33*18, soit pratiquement 6W/m2Shab ou encore de 600W pour des locaux de 100m2.

Sachant que la puissance de chauffage nécessaire à une maison passive peut être limitée à 10W/m2, il est donc facile de constater que…

Une VMC double flux de qualité peut amener l'équivalent de la moitié de la chaleur nécessaire
au chauffage d'une maison passive sans source d'énergie calorique

Il est rappelé que, sans aucun autre apport externe d'énergie, une VMC double flux ne peut en aucun cas chauffer des locaux en hiver. Pour que ce soit le cas, il faudra chauffer l'air pour qu'il atteigne 20°C et, de plus, amener la chaleur nécessaire pour compenser le différentiel entre pertes toujours supérieures aux apports qui existent par ailleurs. La puissance nécessaire, après récupération de chaleur, ne doit pas dépasser 10Wu/m2Shab pour être conforme au label Passivhaus?


Puissance de rafraichissement en été

Par simple symétrie de fonctionnement, une VMC double flux peut limiter considérablement le risque de surchauffe que le renouvellement d'air peut provoquer en été, ou le besoin de rafraîchissement dans le cas de la présence d'un puits provençal hydraulique post VMC ou d'un climatiseur notamment en période de canicule..

Nous partons du principe que les locaux ne sont pas climatisés. La conséquence est que la température intérieure n'est pas régulée et n'est donc pas fixe. Nous prendrons l'exemple d'une construction dont la température intérieure est limitée à 25°C qui est la température au-delà de laquelle on considère qu'il y a surchauffe dans une maison passive. Nous considérerons également que la température extérieure est caniculaire à 38°C. L'écart de température avec l'extérieur est dans ces conditions de 13°C. La VMC est capable de récupérer 90% de cet écart soit près de 12°C. L'air neuf arrive donc à l'intérieur à 26°C. En considérant que, comme en hiver, l'air est renouvelé à raison de 0,4 volume par heure, dans des locaux dont la hauteur sous plafond est de 2,50m, l'application de la formule précédente définit une puissance de rafraîchissement de l'air neuf qui peut atteindre un peu plus de 4W/m2Shab ou encore de 400W pour des locaux de 100m2.

Sans aucun autre apport externe d'énergie, une VMC double flux ne peut en aucun cas rafraîchir des locaux en été, mais elle peut limiter considérablement le risque de surchauffe. L'air neuf qui arrive dans les locaux à une température proche, mais toujours supérieure à celle qui y règne, contribue fatalement à augmenter la température intérieure. Il ne peut en être autrement avec une VMC seule. Le risque de surchauffe ne peut alors être encore plus réduit, voire même supprimé, qu'en rafraîchissant l'air neuf au-delà de ce que peut réaliser la VMC.

Sachant que le critère de puissance de climatisation, quand elle est nécessaire, peut être limitée à 10W/m2, comme pour le chauffage, il est donc facile de constater que…

Une VMC double flux de qualité peut, même seule, limiter considérablement
le risque de surchauffe estival du au renouvellement de l'air dans une maison passive


Puissance d'un puits provençal post VMC

Un puits provençal peut sans difficulté baisser la température de quelques degrés, comme indiqué dans l'article "Les VMC double flux fonctionnent aussi en été". Dans le pire des cas, le risque de surchauffe du au renouvellement de l'air peut disparaître, puisque la température de l'air neuf peut descendre au niveau de celle qui règne déjà à l'intérieur, en baissant seulement de quelques degrés, en général moins de deux ou trois. Un puits provençal hydraulique post VMC peut toutefois faire bien mieux …

Un tel équipement peut en effet baisser la température de l'air neuf au plus près de celle du sol. Dans ce cas, en considérant que la température du sol est de 15°C, et que l'air est rafraichi à 18°C par le puits, la baisse de température de l'air neuf est de 8°C en dessous de la température en sortie de la VMC. La puissance de rafraîchissement du puits peut approcher les 3W/m2Shab.

Les baisses de température dues à la VMC et au puits provençal hydraulique post VMC en série atteignent un cumul de 20°C. La puissance de rafraîchissement de l'air neuf atteint alors pratiquement 7W/m2Shab lorsque le renouvellement d'air est de 0,4 fois le volume habitable des locaux.

Rafraîchir l'air neuf ne signifie pas pour autant rafraîchir le logement. Si les apports de chaleur par transmission au travers des parois, par le soleil au travers des vitrages et du fait de l'usage de la maison, sont supérieurs à ceux qui sont soutirés par l'air neuf, alors le risque de surchauffe persistera. Il sera simplement bien moindre.

Efficacité de la surventilation

En hiver, surventiler consisterait à prélever d'avantage d'air intérieur à 20°C pour ramener de l'air neuf à une température plus basse, et donc à dépenser plus d'énergie que nécessaire pour le réchauffer. Ce serait donc totalement contreproductif, bien que parfois utilisé pour augmenter légèrement le débit d'air neuf chauffé donc la température dans les locaux. Il en irait de même en été en l'absence de puits provençal, puisque même après voir traversé la VMC, l'air neuf qui arrive à une température supérieure à la température intérieure contribuerait encore plus à la surchauffe. La encore, un puits provençal peut faire bien mieux et change la donne…

Comme indiqué plus haut, en été, le puits provençal permet de baisser la température de l'air neuf en dessous de la température intérieure en période de canicule. Il rafraichit donc d'autant plus que son débit est important. En surventilant, à un débit de 1 volume par heure, soit 2,5 fois plus, la puissance cumulée de la VMC et du PPH post VMC peut atteindre, aux heures les plus chaudes de la journée, plus de 17 W/m2SHab ou encore de 1700W pour des locaux de 100m2, sans énergie calorique.

Le couplage d'une VMC double flux et d'un puits provençal hydraulique post VMC
peut faire disparaître le risque de surchauffe estival dans une maison passive

La puissance de ce mode de rafraîchissement est proportionnelle à l'écart de température entre l'air extérieur et l'air rentrant dans la maison après la batterie hydraulique du puits provençal post VMC. Il est à noter qu'elle augmente lorsque la température extérieure monte puisque l'écart de température en fait autant grâce à la température très stable du sol. Elle baisse lorsque la température extérieure baisse. C'est exactement l'inverse des groupes de climatisation qui marchent d'autant moins bien qu'il fait chaud et qui sont donc d'autant moins efficaces qu'on à besoin d'eux…

Le couplage d'une VMC double flux et d'un puits provençal hydraulique post VMC
fonctionne d'autant mieux qu'il fait chaud

Efficacité en maison passive
Les puissances de chauffage et rafraîchissement indiquées ci-avant paraissent faibles. C'est effectivement le cas pour des bâtiments classiques, mais bien moins dans des maisons passives qui ne nécessitent que de faibles puissances grâce à leur concept.

Les faibles puissances de chauffage et rafraîchissement récupérées par les VMC double flux
sont mieux adaptées aux maisons passives qu'à toute autre du fait de leurs concepts

En résumé :

  • Les échangeurs des VMC double flux sont efficaces en toute saison
  • Une VMC double flux de qualité peut amener plus de la moitié de la chaleur nécessaire au chauffage d'une maison passive sans source d'énergie calorique
  • Une VMC double flux de qualité peut limiter considérablement le risque de surchauffe estival du au renouvellement de l'air dans une maison passive
  • Le couplage d'une VMC double flux et d'un puits provençal hydraulique post VMC peut faire disparaître le risque de surchauffe estival dans une maison passive
  • Les faibles puissances de chauffage et rafraîchissement récupérées par les VMC double flux sont mieux adaptées aux maisons passives qu'à tout autre type de bâtiment du fait de leurs concepts

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