Diagnostic énergétique
des installations
de ventilation industrielle
DIRECTION DE L’INDUSTRIE
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et du Centre Techni...
AVANT-PROPOS
Le nombre des installations de ventilation dans l’industrie est en augmentation dans tous les
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SOMMAIRE
CADRE GÉNÉRAL DU DIAGNOSTIC 9
Les enjeux du diagnostic pour l’industriel 10
Les consommations d’énergie 10
Les ga...
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LISTE DES ILLUSTRATIONS
Figure 1 : Schéma type d’une installation de ventilation 17
Figure 2 : Exemple de systèmes de ca...
CADRE GÉNÉRAL
DU DIAGNOSTIC
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CADRE
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LES ENJEUX DU DIAGNOSTIC POUR L’INDUSTRIEL
Un industriel ne devrait jamais s’engager dans un investissement sans ...
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GÉNÉRAL DU DIAGNOSTIC
LES GAINS À RÉALISER
La recherche d’améliorations de l’efficacité énergétique doit en premier lie...
RÉPERTOIRE PRATIQUE
DES INSTALLATIONS
DE VENTILATION
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RÉPERTOIRE PRATIQUE DES
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INDUSTRIELLE
Dans une zone travail, une install...
INSTALLATIONS DE VENTILATION
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RÉPERTOIRE PRATIQUE
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Les installations de ventilation spécifiques s...
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il convient de s’assurer que les per...
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• Captages enveloppants
Enceintes
Les enceintes enferment la source presque complètement avec des ouvertures de petite ...
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Cabines fermées
L’opérateur et la source de pollution sont placés dans un local clos où ont été aménagées
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La vitesse d’air en un point situé à proximité d’un dispositif de captage inducteur dépend du débit
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Bouche isolée sans collerette
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Dans de nombreuses applications, les relations entre la vitesse d’air induite et le débit d’aspiration
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• Le type de ventilateur
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LE DIAGNOSTIC
ÉNERGÉTIQUE
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L’OBJECTIF DU DIAGNOSTIC ÉNERGÉTIQUE
L’objectif du diagnostic est de rechercher l’amélioration de l’efficacité énergéti...
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LES CARACTÉRISTIQUES DU DIAGNOSTIC
Composition de l’expertise
Les coûts de réalisation d’une expertise se composent de ...
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• Le diagnostic simple (NIVEAU 1)
Ce diagnostic allégé de sa campagne de mesures (mais il pourra être fait appel à des ...
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LES ÉTAPES DU DIAGNOSTIC
Les étapes du diagnostic sont définies ci-après. Schématiquement, on distingue quatre grandes
...
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Campagne de mesures et relevé des données
Cette étape doit permettre la mise en place de comptages ainsi que le relevé ...
37
• calcul de la quantité d’énergie thermique réelle dépensée du fait de la ventilation ;
• calcul du rendement de l’inst...
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Le programme de préconisations doit respecter le contexte du site et s’adapter au niveau
d’investissement envisagé. Ind...
MÉTHODES
DE MESURE
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GÉNÉRALITÉS
Les campagnes de mesures ne sont mises en œuvre que lorsqu’un certain niveau de détail et de
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La vitesse moyenne est fournie par la relation :
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Les vitesses d’air sont soit déterminées en utilisant un tube d...
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Détermination du débit d’air et contrôle d’une installation par
mesure de la pression statique en un point
• Principe
C...
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MÉTHODES DE MESURE
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MESURE DES CONSOMMATIONS ÉLECTRIQUES
DES MOTEURS
Principe
Pour mesurer la consommation d’énergie électrique, il est sou...
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Une diminution des incertitudes de mesure peut être obtenue par :
➠ un étalonnage spécifique de la chaîne de mesure (so...
LES VOIES
D’OPTIMISATION
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LE CHOIX DES COMPOSANTS
La performance énergétique globale d’une installation passe par l’optimisation de chacun de ses...
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PLANIFIER L’ENTRETIEN ET LA MAINTENANCE
Parallèlement à la mise en place de solutions techniques énergétiquement perfor...
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  1. 1. Diagnostic énergétique des installations de ventilation industrielle DIRECTION DE L’INDUSTRIE
  2. 2. A LIRE ÉGALEMENT La ventilation en entreprise, rechercher la performance Novembre 2003 – 44 pages – Référence : 4870 – Prix de vente : 20 € Entreprises : optimisez vos consommations énergétiques Octobre 2003 – 82 pages – Référence : 4459 – Prix de vente : 23 € Industrie textile Comment maîtriser vos consommations électriques ? Co-édition ADEME / IFTH Mai 2001 – 48 pages – Référence : 3746 – Prix de vente : 27,44 € Bonnes pratiques énergétiques dans l’industrie Pour une meilleure efficacité et rentabilité Octobre 2000 – 124 pages – Référence : 3745 – Prix de vente : 45,73 € Mesure de l’humidité des solides dans l’industrie Septembre 2000 – 36 pages – Référence : 3524 – Prix de vente : 24,39 € Les procédés de séchage dans l’industrie Co-édition ADEME / CETIAT Juin 2000 – 110 pages – Référence : 3186 – Prix de vente : 57,93 € Diagnostic énergétique des installations frigorifiques industrielles Co-édition ADEME / EDF Février 2000 – 116 pages – Référence : 3188 – Prix de vente : 48,78 € Le froid efficace dans l’industrie Août 1999 – 216 pages – Référence : 3187 – Prix de vente : 73,18 € Industrie textile Environnement et Energie Co-édition ADEME / IFTH Septembre 1997 + actualisations 1998/1999/2000-2001 Référence 2777 – Prix de vente : 228,25 € Adresse de commande :IFTH – DR Mulhouse – 185,rue de l’Illberg – 68093 Mulhouse Cedex Les aides aux entreprises Avril 2003 – Chemise avec 15 fiches – Référence : 4711 – Gratuit Variation et gestion de l’éclairage tertiaire et industriel Co-édition ADEME/Syndicat de l’éclairage Février 2003 – 12 pages – Référence : 4535 – Gratuit A PARAÎTRE : Eclairage industriel Co-édition ADEME / Syndicat de l’éclairage Référence : 4538 Toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle faite sans le consente- ment de l’auteur ou de ses ayants droits ou ayants cause est illicite selon le Code de la propriété intellectuelle (Art. L 122-4) et constitue une contrefaçon réprimée par le Code pénal. Seules sont autorisées (Art. L 122-5) les copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective, ainsi que les analyses et courtes citations justifiées par le caractère critique, pédagogique ou d’information de l’œuvre à laquelle elles sont incorporées, sous réser- ve toutefois, du respect des dispositions des articles L 122-10 à L 122-12 du même Code, relatives à la reproduction par reprographie. © ADEME Editions,Angers 2003 ISBN 2-86817-740-9 POUR COMMANDER ADEME Éditions 2, square La Fayette – BP 406 49004 ANGERS Cedex 01
  3. 3. REMERCIEMENTS Ce guide a été réalisé avec le concours du bureau d’études Ingénierie Tous Fluides / ITF et du Centre Technique des Industries Aérauliques et Thermiques / CETIAT. Comité de pilotage • Jacques-Olivier BUDIN ADEME – Département Industrie Air-Energie • Bruno CHRETIEN ADEME – Direction de l’Industrie •Agnès HEYBERGER ADEME – Service Communication • Sandrine LACOMBE ADEME – Département Industrie Air-Energie • Bernard BRANDON CETIAT • Philippe BERTRAND ATEMA Conseil • Stéphane RUELLAN ATEMA Conseil Coordination technique • Jacques-Olivier BUDIN ADEME – Département Industrie Air-Energie • Bruno CHRETIEN ADEME – Direction de l’Industrie Suivi d’édition •Agnès HEYBERGER ADEME – Service Communication Rédaction • Stéphane RUELLAN ATEMA Conseil • Bruno GEORGES ITF Conception, réalisation • Sabine ALLIER SOLEIS Communication •Véronique HUCAULT SOLEIS Communication Crédit photos • Couverture : Soleis pour l’ADEME Avertissement Des extraits du Guide pratique de ventilation "Principes généraux de ventilation" (référence INRS ED 695) ont été utilisés dans cet ouvrage avec l'aimable autorisation de l'INRS (Institut national de recherche et de sécurité). Ceci n'engage en aucune façon l'INRS sur le contenu de cet ouvrage.
  4. 4. AVANT-PROPOS Le nombre des installations de ventilation dans l’industrie est en augmentation dans tous les secteurs d’activité. Leurs fonctions sont en effet nombreuses et diversifiées : ➠ améliorer le confort et l’hygiène dans les zones de travail ; ➠ protéger les personnes vis à vis des émissions de polluants ou des charges thermiques émises par les procédés ; ➠ protéger les produits et les matériels ; ➠ traiter les produits. Or, force est de constater que l’efficacité énergétique de ces installations n’est pas une préoccupation majeure des utilisateurs qui ne réalisent pas toujours le surcoût important lié à une mauvaise gestion des installations. Pourtant, ces installations méritent qu’un effort soit fait pour optimiser leur consommation. Outre l’effet bénéfique sur l’environnement, c’est la compétitivité de l’entreprise qui est en jeu, par le biais des gains dus aux économies d’énergie. Le présent ouvrage s’inscrit dans cette démarche d’amélioration de l’efficacité énergétique. Il contribue à donner des éléments de méthode à l’expert en diagnostic ou en aéraulique qui intervient aux côtés des entreprises pour optimiser leurs installations. Ce guide est organisé autour de quatre grandes parties : ➠ un répertoire pratique sur les installations de ventilation ; ➠ une section méthodologique sur la mise en œuvre d’un diagnostic ; ➠ des éclairages sur les méthodes et techniques de mesure usuelles ; ➠ des pistes de réflexion sur les recommandations d’actions. Le lecteur trouvera également en annexe des compléments d’information susceptibles de l’aider dans la mise en œuvre d’un diagnostic : recueil d’informations, plan d’un rapport de diagnostic, informations utiles… Bien entendu, ce guide n’est qu’un support pour la réalisation de diagnostics énergétiques ; il ne peut en aucun cas remplacer la connaissance et le savoir-faire des experts en diagnostic et en aéraulique.
  5. 5. 6
  6. 6. SOMMAIRE CADRE GÉNÉRAL DU DIAGNOSTIC 9 Les enjeux du diagnostic pour l’industriel 10 Les consommations d’énergie 10 Les gains à réaliser 11 RÉPERTOIRE PRATIQUE DES INSTALLATIONS DEVENTILATION 13 Les grands types d’installation de la ventilation industrielle 14 Composition des systèmes de ventilation 17 LE DIAGNOSTIC ÉNERGÉTIQUE 31 L’objectif du diagnostic énergétique 32 L’adéquation des prestations aux enjeux de la ventilation 32 Les caractéristiques du diagnostic 33 Les étapes du diagnostic 35 Contenu du rapport de diagnostic 38 MÉTHODES DE MESURE 39 Généralités 40 Mesure de débits d’air 40 Mesure des consommations électriques des moteurs 44 Mesure de la température 45 Les mesures qualitatives 45 LES VOIES D’OPTIMISATION 47 Le choix des composants 48 Planifier l’entretien et la maintenance 49 La conduite et la régulation de l’installation 50 La mise en place de systèmes de récupération d’énergie 51 La mise en place de systèmes d’épuration/recyclage de l’air 51 La mise en place de systèmes de captage de polluants 52 La ventilation générale par déplacement 52 7 ANNEXE 1 : Recueil d’informations et documents types 53 ANNEXE 2 : Plan d’un rapport de diagnostic 61 ANNEXE 3 : Informations utiles 73 LISTE DES ANNEXES
  7. 7. 8 LISTE DES ILLUSTRATIONS Figure 1 : Schéma type d’une installation de ventilation 17 Figure 2 : Exemple de systèmes de captage 19 Figure 3 : Exemple de courbe de rendement nominal d’un ventilateur 24 Figure 4 : Puissances absorbées par les ventilateurs centrifuges et hélicoïdes en fonction du mode de régulation de débit. 26 Figure 5 : Evolution du rendement d’un moteur en fonction de sa charge 28 Figure 6 : Plages de rendement pour les moteurs asynchrones bipôles et quadripôles 28 Figure 7 : Part de la consommation électrique des ventilateurs dans l’entreprise 32 Figure 8 : Structure des dépenses énergétiques d’une installation de climatisation 32 Figure 9 : Evolution de la perte de charge de l’épurateur à filtres en fonction de sa durée de vie (quantité d’huile captée) 49 Figure 10 : Puissance absorbée en bout d’arbre par des ventilateurs centrifuge et hélicoïde 50 Figure 11 : Schéma de principe de la ventilation par déplacement 52 Tableau 1 : Exemples d’applications de la ventilation par induction et de la ventilation par déplacement 15 Tableau 2 : Exemples de valeurs minimales des vitesses de captage à mettre en jeu au point d’émission 22 Tableau 3 : Relations entre débit d’aspiration et vitesses d’air induites devant un dispositif de captage inducteur 23 Tableau 4 : Caractéristiques techniques des ventilateurs centrifuges et hélicoïdes 25 Tableau 5 : Caractéristiques des appareils de mesure de la vitesse de l’air 42 Tableau 6 : Caractéristiques des appareils de mesure de la pression 43 Tableau 7 : Incertitudes de mesure des capteurs de température usuels 45 Tableau 8 : Critères de choix des composants de l’installation 48 FIGURES TABLEAUX
  8. 8. CADRE GÉNÉRAL DU DIAGNOSTIC 9
  9. 9. CADRE 10 LES ENJEUX DU DIAGNOSTIC POUR L’INDUSTRIEL Un industriel ne devrait jamais s’engager dans un investissement sans en mesurer l’opportunité ni en connaître les effets sur la marche de son entreprise. Le diagnostic présente à l’industriel diverses options chiffrées détaillant les niveaux d’investissement nécessaires, les gains attendus et les temps de retour sur investissement. Ces options tiennent par ailleurs compte du contexte plus global de l’entreprise : adéquation avec les plans d’investissement et les projets de développement.Ainsi, le diagnostic constitue un outil permettant à l’industriel de construire sa stratégie. De façon générale, plusieurs arguments peuvent contribuer à convaincre un industriel de s’engager dans un diagnostic : ➠ la réduction des coûts de production :la maîtrise des consommations énergétiques participe à la réduction des coûts de fonctionnement de l’installation et a un impact direct sur le compte d’exploitation du procédé.Au-delà, les améliorations systémiques améliorent la productivité (fonctionnements en régime nominal plus fréquents, meilleures synergies avec les opérateurs…).Ces bénéfices se retrouvent directement au niveau des résultats. Pour être acceptable, l’investissement engagé ne doit pas générer des temps de retour supérieurs à deux, voire trois ans. La plupart des options proposées à l’issue d’un diagnostic entrent dans ce cadre. ➠ l’amélioration de la qualité des produits :la réduction des sources de contamination et l’optimisation de la précision et de la régularité des conditions de production (température, humidité…) vont permettre d’améliorer la qualité des produits. Au-delà, ils peuvent également permettre d’améliorer la productivité en contribuant par exem- ple à réduire les rebuts de production. ➠ la promotion d’une image citoyenne :en s’engageant dans une politique de réduction de ses consommations énergétiques,de ses impacts environnementaux et d’amélioration des conditions de travail de son personnel, l’industriel s’inscrit dans une démarche de développement durable et contribue ainsi à donner à son organisation l’image d’une entreprise citoyenne. LES CONSOMMATIONS D’ÉNERGIE En ce qui concerne les consommations d’énergie liées au fonctionnement d’une installation de ventilation industrielle, deux cas sont possibles : ➠ la zone ventilée n’est pas conditionnée(1) . Dans ce cas, la consommation d’énergie de l’installation de ventilation est uniquement liée à la consommation électrique des ventilateurs. Cette consommation électrique dépend à la fois des débits d’air brassés et de la perte de charge globale de l’installation, c’est à dire des pertes de charge résultant de l’ensemble du circuit aéraulique et de ses différents composants : tuyauterie, épurateurs, récupérateurs d’énergie, capteurs… ➠ la zone ventilée est conditionnée. L’impact des consommations d’énergie liées à la ventilation de l’atelier doit alors tenir compte de l’énergie utilisée pour conditionner l’air neuf. (1) chauffage, refroidissement, maintient de l’hygrométrie
  10. 10. 11 GÉNÉRAL DU DIAGNOSTIC LES GAINS À RÉALISER La recherche d’améliorations de l’efficacité énergétique doit en premier lieu tenir compte des deux gisements d’économie d’énergie que représentent : ➠ la consommation électrique des auxiliaires (moteurs des ventilateurs et moteurs d’asservissement) ➠ la consommation d’énergie thermique associée au conditionnement de l’air(1) . Les gains lors de la conception La définition des conditions optimales de fonctionnement de l’installation permet de réduire très fortement les débits d’air à mettre en œuvre. La conception d’un dispositif de captage sur un poste de travail source de pollution peut, par exemple, conduire selon son efficacité à des valeurs de débit nécessaires variant couramment du simple au triple.Par ailleurs,une installation faisant appel à un recyclage après épuration de l’air pollué, ou à une récupération d’énergie sur l’air extrait permet de réduire très fortement la consommation énergétique liée au conditionnement de l’air neuf. Le dimensionnement des équipements aérauliques peut enfin permettre de réduire fortement les niveaux de pertes de charge supportées par les ventilateurs. Les gains potentiels sur les débits et sur les pertes de charge peuvent ainsi se traduire par une diminution importante des deux sources de consommation énergétique citées précédemment. Rappelons à ce stade que la conception d’une installation doit reposer sur une étude détaillée qui, étant donné l’expertise requise, doit être confiée à un professionnel. Les gains lors de la sélection des composants Le choix des ventilateurs et leur dimensionnement sont des éléments essentiels pour réduire notablement les consommations électriques. De même, le moteur entraînant le ventilateur pourra selon son rendement, conduire à des consommations électriques très variables pour un même travail. Le choix des composants passifs(2) est également très important pour réduire les niveaux de pertes de charge et les fuites des circuits et ainsi réduire la consommation électrique des moteurs des ventilateurs. Enfin, pour une installation à débit variable, le choix des équipements de pilotage des ventilateurs peut se traduire par des différences significatives de consommation d’énergie électrique. Les gains lors de l’exploitation Le pilotage de l’installation et en particulier l’adaptation des débits au fonctionnement de l’atelier, est un élément très important d’économie d’énergie pour les deux sources de consommation. Le bon entretien d’une installation permet d’éviter les fuites (débits inutiles) et l’encrassement (pertes de charge néfastes). (1) chauffage, refroidissement, maintient de l’hygrométrie (2) conduits, systèmes de captage, filtres, épurateurs, récupérateurs d’énergie
  11. 11. RÉPERTOIRE PRATIQUE DES INSTALLATIONS DE VENTILATION 13
  12. 12. RÉPERTOIRE PRATIQUE DES 14 LES GRANDS TYPES D’INSTALLATIONS DE VENTILATION INDUSTRIELLE Dans une zone travail, une installation de ventilation peut répondre à différents besoins qui déterminent le type d’installation à mettre en oeuvre : ➠ l’amélioration du confort et de l’hygiène des zones de travail, la protection des personnes nécessite l’élimination d’émissions polluantes ou de charges thermiques diffuses. L’installation comprend alors une ventilation générale. ➠ la protection des personnes vis à vis des émissions polluantes ou des charges thermiques émises par les procédés est prioritaire. L’installation comprend alors une ventilation générale (lorsque les sources de pollutions sont diffuses) et/ou des systèmes de ventilation spécifiques (lorsque les sources de pollutions sont localisées). ➠ la protection des produits, nécessite l’obtention d’une qualité d’air ambiant particulière. L’installation est alors de type "salle blanche". ➠ la transformation / le traitement des produits ou la protection des équipements des procédés nécessite la mise en place de ventilateurs faisant partie du procédé. Les systèmes de ventilation générale Les installations de ventilation générale sont conçues pour diluer et évacuer les émissions diffuses de la zone de travail. Elles sont notamment utilisées lorsque la source de pollution est liée à la présence du personnel dans la zone de travail. Cette approche permet d’obtenir une ventilation efficace (la totalité de l’air est renouvelée en permanence) mais souvent onéreuse car impliquant des débits d’air très importants. La conception de ce type d’installation doit respecter les principes suivants : ➠ s’assurer au préalable que le recours à la ventilation spécifique par captage est impossible. On ne peut utiliser la ventilation générale en tant que système principal que pour l’aération des locaux à pollution non spécifique ; ➠ compenser les sorties d’air par des entrées correspondantes ; ➠ positionner convenablement les ouvertures d’entrée et de sortie de l’air de façon à : • tendre vers un écoulement général des zones propres vers les zones polluées ; • faire passer le maximum d’air dans les zones polluées ; • éviter les zones de fluide mort ; • éviter que les personnels ne soient placés entre les sources et l’extraction ; • utiliser les mouvements naturels des polluants, en particulier l’effet ascensionnel des gaz chauds ; ➠ utiliser des entrées et des sorties d’air régulées ; ➠ éviter les courants d’air et les sensations d’inconfort thermique ; ➠ rejeter l’air pollué en dehors des zones d’entrée d’air neuf.
  13. 13. INSTALLATIONS DE VENTILATION 15 Le choix de l’un où l’autre de ces systèmes va dépendre des caractéristiques du ou des procédés hébergés dans l’atelier. Le tableau 1 donne quelques exemples d’associations : On distingue les systèmes de ventilation par induction(1) des systèmes de ventilation par déplacement : ➠ les systèmes de ventilation par induction consistent à injecter de l’air neuf à une vites- se initiale suffisamment importante pour créer un mélange rapide de l’air ambiant et de l’air induit de façon à garantir une bonne homogénéité des tem- pératures et une dilution satisfaisante des polluants. Afin de respecter ces contraintes, la totalité de l’air de l’atelier doit être régulièrement renouvelée ; ➠ les systèmes de ventilation par déplacement consistent, en injectant de l’air de quelques degrés plus froid que l’air de la zone de travail, à stratifier l’air de l’atelier et à isoler le personnel de la couche d’air la plus concentrée en polluants. Les polluants étant confinés en partie haute de la zone de travail, le volume d’air à renouveler régulièrement est moins important. Type de bâtiment Type de procédé et d’ambiance Diffuseurs classiques Induction Gaines textiles Buses de soufflage et flux turbulents Déplacement peu polluant chauffage/rafraichissement CT* faibles < 70 W/m2 +++ +++ ++ ++ ++ +++ ++ +++ +++ +++ + + +++ (en pvc) peu polluant chauffage/rafraichissement CT* moyennes < 150 W/m2 peu polluant chauffage/rafraichissement CT* fortes > 150 W/m2 peu polluant ambiance froide corrosive chauffage/rafraichissement peu polluant grands volumes polluant Ateliers mécaniques - Halls - Stockage Mécanique de précision Plasturgie - Imprimerie Agro-alimentaire - Chimie Grand procédé - Mécanique - Sidérurgie Textile - Soudure - Traitement de surfaces +++ : très adapté ++ : adapté + : possible CT : charges thermiques Diffuseurs classiques : l’air est soufflé par des grilles ou des diffuseurs permettant un meilleur contrôle du flux d’air. Gaines textiles : ce procédé permet de véhiculer et de diffuser d’importants débits. Les gaines, faciles à entretenir autorisent des modes de diffusion variés : ➠ 0,2 à 0,8 m/s en gaine poreuse, surtout pour le rafraîchissement et la ventilation ; ➠ 2 à 15 m/s en gaines textiles étanches (PVC) pour chauffer ou rafraîchir les locaux de grande hauteur ; ➠ 10 à 20 m/s en gaine de tissu résiné thermo-soudé percé d’orifices pour chauffer ou rafraîchir des locaux de grand volume. Tableau 1 : Exemples d’applications de la ventilation par induction et de la ventilation par déplacement (1) aussi appelée ventilation par mélange
  14. 14. RÉPERTOIRE PRATIQUE 16 Les systèmes de ventilation spécifiques par captages Les installations de ventilation spécifiques sont conçues pour évacuer les émissions des procédés au plus proche de la source. Ces systèmes présentent l’avantage d’éviter une propagation des polluants dans tout l’atelier et donc : ➠ d’éviter tout contact avec ses occupants ; ➠ de ne pas avoir à renouveler la totalité de l’air de l’atelier. Il existe de nombreux systèmes, dont les principaux sont décrits par la suite. Il faut toujours préférer une installation de captage local des polluants lorsque l’on est en présence de sources de pollution localisées. Les "salles blanches" On regroupe essentiellement sous le vocable "salles blanches" l’ensemble des salles dans lesquelles la pollution est contrôlée pour répondre à un objectif de protection des produits (substrats électroniques, produits pharmaceutiques, produits alimentaires…) et de certains éléments de procédés (unité d’embouteillage de produits frais, unité de gravure sur silicium…). Les systèmes de ventilation utilisés dans ces sites ont essentiellement 2 fonctions : ➠ le transport des polluants émis par les procédés, les produits et les opérateurs vers des zones de traitement ou des extractions ; ➠ la filtration de l’air entrant ; il s’agit non pas d’extraire une pollution du local de travail mais au contraire de filtrer l’air extérieur afin d’apporter à la zone de travail un air à très faible teneur en impuretés. Les volumes d'air soufflés à l'intérieur d'une salle à empoussièrement contrôlé peuvent être très importants. Pour des raisons économiques, une grande partie de l'air est recyclé en amont du système de ventilation après avoir été de nouveau filtré. Les scénarii de gains énergétiques dans ce cas d’application doivent essentiellement se focaliser sur l’optimisation du choix et sur la régulation des ventilateurs. La ventilation dans le procédé Les procédés de fabrication sont nombreux à utiliser la ventilation que ce soit dans des logiques de chauffage ou de refroidissement (fours, séchoir, tunnels de cuisson), de transport de matière (enducteur, dépôts divers) ou de comburant (four, chaudières). Le rôle de la ventilation dans le procédé est soit la protection ou la transformation des produits, soit la protection des équipements. Dans le premier cas, la conception des éléments de ventilation est guidée essentiellement par des préoccupations liées aux produits et à la productivité de la ligne de fabrication. Dans le second cas, la maîtrise des conditions de fonctionnement détermine les débits à mettre en œuvre. Souvent ces solutions de refroidissement font appel à une ventilation aspirant l’air et le refoulant dans l’atelier sans traitement complémentaire (épuration, chauffage, refroidissement…).
  15. 15. 17 DES INSTALLATIONS DE VENTILATION Les réseaux de transport et de distribution d’air(1) Les méthodes de calcul des tuyauteries et du ventilateur sont fondées sur la détermination de la résistance à l’écoulement de l’air dans les canalisations qui, combinée avec le débit d’air requis, définit les conditions de fonctionnement du ventilateur. La conception d’un réseau doit répondre à un compromis entre les critères suivants qui feront que les débits à mettre en œuvre seront respectés à la fois dans chaque tronçon et globalement dans toute l’installation : ➠ choix des vitesses d’air à induire en chaque point, compatibles avec l’application envisagée ; ➠ prédimensionnement des éléments du réseau ; il est nécessaire de respecter quelques règles simples de construction des tuyauteries destinées à limiter les pertes de charge. D’une façon générale, les changements de direction de l’écoulement ne devront pas être brusques, mais adoucis (coudes, piquages, changement de section…). Dans la mesure du possible, on évitera de raccorder au même ventilateur des branches de diamètres très différents et on essayera de raccorder les branches de plus petits diamètres à proximité du ventilateur. COMPOSITION DES SYSTÈMES DE VENTILATION Un système de ventilation est composé de multiples éléments (cf. figure 1). La qualité intrinsèque de chacun de ces composants va déterminer en partie la performance globale de l’installation. Ventilation générale Apport d'air Conditionnement Réseaux de transport Epuration Rejet Ventilateur Postes de travail Captage Procédé Ventilation générale Extraction Prise d'air Figure 1 :Schéma type d’une installation (d’après INRS - Brochure ED 695“Principes généraux de ventilation”) (1) d’après INRS - Brochure ED 695 "Principes généraux de ventilation"
  16. 16. 18 ➠ équilibre du réseau ; lorsque le système est composé d’un réseau multi-branches, il convient de s’assurer que les pertes de charge de chacune des branches seront identiques. Une évaluation de la perte de charge totale d’un bras du réseau peut, par exemple, se faire en utilisant des tables de références fournies par les constructeurs et équipementiers, donnant les pertes de charge induites par chaque élément ou singularité. Les fuites étant sources de débits parasites et pouvant engendrer un déséquilibre du réseau il est par ailleurs nécessaire de s’assurer de l’étanchéité du réseau. L’apport d’air de compensation(1) Lorsqu’une extraction est en service dans un local, le débit d’air entrant doit être égal au débit d’air extrait. Plutôt que de laisser opérer cette compensation de manière naturelle par les défauts d’étanchéité du bâtiment, il est préférable de concevoir une compensation organisée : soit naturelle (grilles de ventilation simples) soit mécanique (ventilateurs) soit les deux, ce qui permet un meilleur contrôle de la compensation. L’introduction de cet air de compensation doit être étudiée de manière à : ➠ assurer l’efficacité des systèmes de ventilation :un manque d’air de compensation produit une mise en dépression des bâtiments qui crée une résistance supplémentaire pour les ventilateurs ; ➠ éliminer une cause de courants d’air à grande vitesse provenant des ouvertures (portes, fenêtres, fissures…) qui peuvent : • provoquer un inconfort thermique pour le personnel ; • diminuer l’efficacité des dispositifs de captage et disperser les polluants dans tout l’atelier ; • remettre en suspension des poussières déposées. ➠ éviter que l’air provenant des zones adjacentes polluées(2) soit entraîné dans les zones propres. Il est possible de laisser subsister une légère dépression ou surpression afin d’éviter les transmissions de polluants entre locaux. Pour cela, les locaux où se dégagent des produits toxiques ou asphyxiants sont maintenus en légère dépression. Dans le cas de locaux adjacents à pollution spécifique différente, on recherchera l’indépendance de leur ventilation en les séparant d’un sas maintenu en surpression d’air neuf. Enfin, lorsque pour des raisons spécifiques au procédé industriel, le local doit être maintenu en surpression, les sas seront maintenus en dépression. Les dispositifs de captage(1) • Principes généraux de conception La conception de systèmes de captage doit répondre aux principes suivants : ➠ envelopper au maximum la zone de production des polluants ; ➠ capter au plus près de la zone d’émission ; ➠ placer le dispositif d’aspiration de manière à ce que l’opérateur ne soit pas entre celui-ci et la source de pollution ; ➠ utiliser les mouvements naturels des polluants ; ➠ induire une vitesse d’air suffisante ; ➠ répartir uniformément les vitesses d’air au niveau de la zone de captage. (1) d’après INRS - Brochure ED 695 "Principes généraux de ventilation" (2) aires de stationnement où démarrent des camions, routes à grande circulation ; zone de rejet d’air vicié… RÉPERTOIRE PRATIQUE
  17. 17. 19 Afin de répondre à ces principes, il existe différents types de captages (cf. figure 2). On distingue par ordre d’efficacité de captage décroissante : les captages enveloppants, les captages inducteurs et les captages récepteurs. Figure 2 : Exemple de systèmes de captage (d’après Industrie – Les bâtiments à hautes performances énergétiques – ADEME) Vapeur d’eau Buée Charges thermiques humides Laveries Papeterie - Captage par hotte - Extraction en partie haute 1. Entrée d’air 2. Hotte 3.Ventilation d’extraction Types de polluants Industries Aérosols lourds Encollage Imprimerie - Captage en partie basse - Ventilation générale 1. Groupe de ventilation 2. Gaine de diffusion 3. Captage enveloppant 4. Ventilateur d’extraction Particules Bois Meulage Ponçage Textile Tabac Talc Plastique - Captage à la source - Récupérateur par dépoussiérateur 1. Entrée d’air 2. Captage enveloppant 3. Ventilateur d’extraction 4. Dépoussiérateur Gaz Vapeurs acides Aérosols Chimie Imprimerie - Captage enveloppant - Aspiration/soufflage latéraux 1. Ventilateur insufflation/extraction 2. Diffusion par gaine textile 3. Captage enveloppant 4.Tour de lavage Fumées Vapeurs légères Charges thermiques sèches Mécanique Plasturgie Fabrication et transformation de cartons - Captage par hotte - Ventilation générale + traitements localisés des postes 1. Ventilateurs 2. Diffuseurs à déplacement d’air 3.Tourelles d’extraction Brouillard d’huile Fluide de coupe Huile minérale Travail du métal (tournage, décolletage, perçage…) - Capotage des machines - Ventilation générale 1. Entrée d’air 2. Captage enveloppant 3. Filtre électrostatique 4. Ventilateur d’extraction Fumées de soudage (poussières + gaz) Soudage électrique - Captation par bras d’aspiration - Ventilation générale 1. Entrée d’air 2. Bras d’aspiration 3.Ventilateur d’extraction Gaz d’échappement Garage Ateliers de mécanique - Captation à la source par flexible 1. Entrée d’air 2. Enrouleur pour gaz d’échappement 3. Ventilateur d’extraction Systèmes de dépollution DES INSTALLATIONS DE VENTILATION
  18. 18. 20 • Captages enveloppants Enceintes Les enceintes enferment la source presque complètement avec des ouvertures de petite taille pour le passage des pièces, l’opérateur se trouvant à l’extérieur. Une enceinte doit être conçue de manière à ce que la vitesse d’air à travers les ouvertures empêche que le polluant émis à l’intérieur ne s’en échappe.En général,les enceintes demandent des débits faibles tout en contrôlant bien les polluants ; pour certains polluants très toxiques ce sont les seuls systèmes acceptables. Dans le cas général, le débit d’aspiration se calcule suivant la formule : Q = A x Ve Q : débit d’aspiration (m3 /s) A : aire totale des ouvertures (m2 ) Ve : vitesse d’entrée de l’air au travers des ouvertures vers l’extérieur (m/s) A ce débit d’aspiration, on ajoutera, le cas échéant, le débit de gaz émis à l’intérieur de l’enceinte et, en cas de source chaude intérieure, le débit induit par convection naturelle en tenant compte des risques de fuite au travers de fissures éventuelles en partie supérieure. La valeur de la vitesse dépend du procédé et de l’environnement (courants d’air…). D’une façon générale, on admet qu’une vitesse de 0,5 à 1 m/s est suffisante si le polluant n’est pas projeté directement sur les parois. Cette valeur sera augmentée en cas de forte toxicité ou d’émission abondante de polluants. Cabines ouvertes Les cabines ouvertes peuvent être considérées comme des enceintes dont une paroi a été en partie ou totalement retirée. Elles doivent être assez grandes ; en particulier assez profondes pour contenir entièrement la zone naturelle de pollution. L’aspiration est, en général, située en partie arrière.L’opérateur peut être placé à l’intérieur ou à l’extérieur de la cabine mais jamais entre la source de pollution et l’aspiration. Les cabines ouvertes de peinture par pulvérisation et les sorbonnes de laboratoire en sont deux exemples. Le débit d’aspiration dans l’ouverture est donné par la relation : Q = A x Vt Q : débit d’aspiration (m3 /s) A : aire de la face ouverte (m2 ) Vt : vitesse moyenne de l’air dans la face ouverte (m/s) Comme pour les enceintes,on ajoute à ce débit,le cas échéant,les débits de gaz générés à l’intérieur ou les débits d’air induits par convection naturelle. Les valeurs des vitesses d’air Vt dépendent du procédé, du mode d’émission et de la toxicité des polluants, de la qualité de la répartition des vitesses d’air dans l’ouverture… Une des conditions essentielles du bon fonctionnement des cabines ouvertes est l’existence d’une répartition la plus uniforme possible des vitesses d’air. Pour obtenir une bonne répartition du débit d’air, il est possible d’utiliser vers l’arrière de la cabine, des tôles perforées, des filtres ou des fentes associées à un caisson ; plus la cabine sera profonde, meilleure sera la répartition des vitesses. En outre, une cabine profonde avec la source de pollution placée près du fond contient mieux la zone naturelle de dispersion des polluants et évite les retours d’air pollué vers l’opérateur. RÉPERTOIRE PRATIQUE
  19. 19. 21 Cabines fermées L’opérateur et la source de pollution sont placés dans un local clos où ont été aménagées des ouvertures pour une introduction et une extraction contrôlée de l’air. Les cabines fermées de peinture par pulvérisation ou de décapage au jet abrasif constituent deux exemples. Le sens de l’écoulement de l’air doit être choisi pour que l’opérateur ne soit jamais placé entre la source de pollution et l’aspiration. Un écoulement vertical de haut en bas sera retenu lorsque l’opérateur doit tourner autour de la pièce. Les ouvertures d’introduction et d’extraction d’air doivent être équipées de caissons de détente, de fentes, de tôles perforées ou de filtres de répartition pour que l’écoulement de l’air soit le plus uniforme possible dans toutes les sections droites. La vitesse doit être déterminée en fonction du type d’application ; on veillera à avoir une bonne homogénéité de la vitesse de l’air dans la cabine. • Captages inducteurs Principe Au contraire des dispositifs enveloppants, qui contiennent la source de polluants et utilisent des vitesses d’air pour empêcher les polluants de s’échapper, les dispositifs de captage inducteurs, placés à proximité de la source, doivent générer des vitesses d’air dans la zone d’émission pour entraîner l’air pollué à l’intérieur du réseau d’aspiration et de transport. Pour ces systèmes, le critère à respecter est la vitesse d’air induite au point d’émission des polluants. La valeur des vitesses dans l’ouverture du dispositif ou dans les canalisations ne peut en aucun cas constituer un critère de captage. Lors de la conception d’un dispositif de captage inducteur, l’ordre correct des opérations à suivre est le suivant : ➠ respecter les règles générales de conception ; ➠ déterminer, en fonction du procédé et du mode de génération des polluants, la vitesse de captage à mettre en jeu au point d’émission ; ➠ à partir de cette vitesse et de la distance entre le dispositif de captage et la source, calculer le débit d’aspiration nécessaire ; ➠ à partir de ce débit et en fonction des critères de distribution des vitesses, de pertes de charge, de bruit aéraulique et de vitesse de transport de l’air pollué, déterminer les dimensions des ouvertures du dispositif de captage et des canalisations. Optimisation de la vitesse d’air induite Les vitesses induites en direction du dispositif de captage doivent être réparties uniformément sur toute la zone d’émission des polluants ou, à défaut, être supérieures aux valeurs minimales indiquées dans le tableau 2. Notons que les fourchettes de valeur de ce tableau ne sont données ici que pour fournir un ordre de grandeur des vitesses de captage habituellement conseillées. DES INSTALLATIONS DE VENTILATION
  20. 20. 22 La vitesse d’air en un point situé à proximité d’un dispositif de captage inducteur dépend du débit d’aspiration, de la distance à l’ouverture, de la forme du dispositif de captage, de la présence d’écrans… On distinguera trois types de dispositifs de captage inducteurs : ➠ les bouches d’aspiration dont l’ouverture est circulaire ou rectangulaire avec dans ce dernier cas : L/l < 5 ; ➠ les fentes d’aspiration, longues et étroites, avec : L/l > 5 ; ➠ les buses d’aspiration, de petite taille, utilisées pour les systèmes d’aspiration à faible débit et grande vitesse d’air, à proximité immédiate de la source. L , l : Longueur et largeur du rectangle d’ouverture. Pour assurer un captage efficace, les dimensions d’un dispositif de captage inducteur doivent être en rapport avec l’étendue de la zone d’émission des polluants et l’air aspiré doit être réparti uniformément dans l’ouverture. Les relations empiriques liant le débit d’aspiration, la distance entre le dispositif de captage et le point considéré et la vitesse d’air induite dans l’axe du dispositif sont indiquées dans le tableau 3. Conditions de dispersion du polluant Emission sans vitesse initiale en air calme • Evaporation de réservoirs • Dégraissage 0,25 – 0,5 Emission à faible vitesse en air modérément calme • Remplissage intermittent de fûts • Soudage • Brasage à l’argent • Décapage • Traitements de surface 0,5 – 1,0 Génération active en zone agitée • Remplissage de fûts en continu • Ensachage de sable pulvérisé • Métallisation (toxicité faible) • Perçage de panneaux en amiante-ciment 1,0 – 2,5 Emission à grande vitesse initiale dans une zone à mouvements d’air très rapides • Meulage • Décapage à l’abrasif • Machine à surfacer le granit 2,5 – 10,0 Exemples Vitesse de captage (m/s) Tableau 2 : Exemples de valeurs minimales des vitesses de captage à mettre en jeu au point d’émission (d’après INRS - Brochure ED 695“Principes généraux de ventilation”) RÉPERTOIRE PRATIQUE
  21. 21. 23 Bouche isolée sans collerette X V Q = (10 X2 + A)V Bouche isolée avec collerette X V Q = 0,75 (10 X2 + A)V Bouche sans collerette reposant sur un plan X V Q = 0,75 (5 X2 + A)V Bouche avec collerette reposant sur un plan V X Q = (5 X2 + A)V Pour X assez grand* Q = 3,14 X2 V Hotte en dôme 0,4 H HV 4 côtés ouverts Q = 1,4 PHV 2 côtés ouverts l et L Q = (l + L) HV Débit d’air a) cas des bouches d’aspiration (L/l<5) * les surfaces d’égale vitesse sont alors des quarts de sphère l, L (m) : largeur et longueur de la bouche A = l.L (m2 ) : section de la face ouverte de la bouche V (m/s) : vitesse d’air induite à la distance X (m) P (m) : périmètre de la source Q (m3 /s) : débit d’air Fente isolée sans collerette X V Q = 3,7 LXV Fente isolée avec collerette X V Q = 2,8 LXV Fente sans collerette appuyée sur un plan V Q = 2,8 LXV Fente avec collerette appuyée sur un plan X V L Q = 1,6 LXV Débit d’air b) cas des fentes d’aspiration (L/l>5)* *Formules valables pour X > 0,4l L, l (m) : longueur et largeur V (m/s) : vitesse d’air induite à la distance X (m) Q (m3 /s) : débit d’air Tableau 3 : Relations entre débit d’aspiration et vitesses d’air induites devant un dispositif de captage inducteur (d’après INRS - Brochure ED 695“Principes généraux de ventilation”) On notera dans la troisième colonne du tableau 3, que des réductions de débit très importantes peuvent être obtenues en ajoutant des parois, des écrans, des collerettes…. DES INSTALLATIONS DE VENTILATION
  22. 22. 24 Dans de nombreuses applications, les relations entre la vitesse d’air induite et le débit d’aspiration ne sont pas connues. C’est, par exemple, le cas des buses de captage intégrées aux outils portatifs, ou encore lorsque les dispositifs de captage ont une forme géométrique compliquée ou semi- enveloppante (tourets de meulage, machines à bois…). Plusieurs dispositifs peuvent être utilisés pour répartir les vitesses d’air à l’entrée des dispositifs d’aspiration : convergent, fentes linéaires, fentes de largeur variable, aubes directrices, grilles perforées à faibles taux de perforation, filtres associés à un caisson de répartition… Deux règles empiriques peuvent être retenues : dans le cas de la répartition par convergent, l’angle intérieur optimum est de 60° et ne doit en aucun cas, dépasser 90° ; dans le cas de fentes associées à un caisson de répartition, la vitesse d’air dans les fentes (souvent fixée aux environs de 5 à 10 m/s) doit être au moins égale à deux fois la vitesse d’air moyenne dans le caisson. Enfin, un procédé de captage original consiste à associer à un dispositif de captage inducteur un écoulement secondaire engendré par un jet d’air ou par une seconde aspiration. Il se crée une paroi immatérielle séparant l’écoulement d’air pollué allant vers la fente inductrice et l’écoulement d’air secondaire propre. Ce procédé,qu’il ne faut pas confondre avec certains types de dispositifs de captage récepteurs utilisant des jets d’air (systèmes "push-pull"), permet à efficacité égale de mettre en œuvre des débits d’aspiration réduits, d’où des gains en coût d’installation, d’épuration ou de chauffage de l’air neuf. • Captages récepteurs Les captages récepteurs, tout comme les dispositifs de captage inducteurs, ne contiennent pas la source de pollution mais sont placés à proximité. Toutefois, ils ne sont utilisables que lorsque les polluants sont entraînés spontanément vers le dispositif de captage par le processus de travail, le rôle du ventilateur se limitant à évacuer les polluants au fur et à mesure. L’air pollué peut être entraîné : ➠ par convection : cas des processus chauds, on utilisera alors une hotte en dôme dans la mesure où les opérateurs n’ont pas à intervenir au dessus de la source ; ➠ par induction dans le sillage de particules : déversement de matériaux pulvérulents ; ➠ par des jets d’air : cas des systèmes "push-pull" installés sur des cuves de traitement de surface ; ➠ par la force centrifuge : poussière de meulage… D’une façon générale, les dispositifs de captage récepteurs sont d’un emploi et d’un calcul plus délicat que les dispositifs de captage inducteurs et ils sont beaucoup plus sensibles aux courants d’air (en particulier lorsque les polluants sont entraînés par convection naturelle). Les ventilateurs Dans une installation de ventilation, la principale source de consommation d’énergie électrique provient des ventilateurs. Leur dimensionnement, leur caractéristique technique et leur mode de régulation constituent des enjeux importants du point de vue énergétique. • Le dimensionnement Le rendement d’un ventilateur est dépendant du débit d’air brassé (cf. figure 3).Ainsi, lorsque le débit de fonc- tionnement de l’installation de ventilation est connu, il est nécessaire de comparer les courbes de rendement des ventilateurs pour choisir le modèle qui aura le rendement maximal pour le débit correspondant aux conditions principales de fonctionnement de l’installation. 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 10 20 30 40 50 60 70 80 0 Rendement (%) Débit (m /s)3 Figure 3 : Exemple de courbe de rendement nominal d’un ventilateur Ventilateur hélicoïde RÉPERTOIRE PRATIQUE
  23. 23. 25 • Le type de ventilateur Il existe différents types de ventilateurs correspondant à différentes applications. On les regroupe en 2 grandes classes : ➠ les ventilateurs centrifuges ; ➠ les ventilateurs hélicoïdes. Le tableau 4 et la figure 4 synthétisent les caractéristiques de ces deux types de ventilateurs. Tableau 4 : Caractéristiques techniques des ventilateurs centrifuges et hélicoïdes VENTILATEURS CENTRIFUGEHELICOÏDE Pales inclinées vers l'avant (action) Pales radiales Pales inclinées vers l'arrière (réaction) Roue libre (sans volute) - Pression dynamique nulle, - Puissance absorbée plus faible, - Ecarts de pression élevés, - Mesure précise du débit. - Large plage de débit, - Facilité de réglage du débit, - Rendement élevé η > 85 % - Insérable dans les gai- nes de ventilation, - Investissement modéré. - Bon rendement η # 80 %, - Ecarts de pression élevés, - Adaptation facile du débit. - Peu sensible au colma- tage en air poussiéreux, - Régulation par laminage intéressante. - Encombrement réduit, - Investissement modéré, - Courbe plate pression/débit. - Courbe débit/ pression à forte pente, - Investissement plus important. - Faibles écarts de pression, - Performances très sensibles aux condi- tions d'alimentation hydraulique, - Risque de pompage, - Niveau de bruit élevé. - Courbe débit /pression à forte pente, - Encombrement, - Investissement plus important. - Rendement assez faible - Air très poussiéreux η < 60 %, - Air propre, η < 70 % - Rendement faible < 60 %, - Possibilités de régulation limitées. - Laminage à l'aspiration et au refoulement (Variation de 70 à 100 %), -Variation de vitesse (mécanique/électronique) (Variation de 0 à 100 %). - Laminage à l'aspiration et au refoulement (Variation de 70 à 100 %), -Ventelles à l'aspiration (Variation de 40 à 100 %), -Variation de vitesse (mécanique/électronique) (Variation de 0 à 100 %). - Laminage à l'aspiration et au refoulement (Variation de 70 à 100 %), -Ventelles à l'aspiration (Variation de 40 à 100 %), -Variation de vitesse (mécanique/électronique) (Variation de 0 à 100 %). -Variation électronique de vitesse (0 à 100 %) - Laminage au refoulement (Variation de 70 à 100 %), -Ventelles à l'aspiration (Variation de 40 à 100 %), -Variation de l'angle de calage des pales (Variation de 0 à 100 %) -Variation de vitesse (mécanique/électronique) (Variation 0 à 100 %). qVMax < 200 000 m3 /h pMax < 300 mmCE PuMax < 200 kW -Ventilation industrielle, - Refroidissement des machines, - Process industriel. NLH AIRAP DELTA NEU SOLYVENT- VENTEC DELTA NEU SOLYVENT- VENTEC NLH ROBATHERM HELIOS SOLYVENT- VENTEC NLH AIRAP - Dépoussièrage, -Transport pneumatique (poudres, grains, fibres). -Ventilation, - Aspiration, - Rideaux d'air, - Condition- nement d'air, - Séchage, - Soufflage, - Dépoussièrage. -Ventilation, - Aspiration, - Rideaux d'air, - Condition- nement d'air, - Séchage, - Soufflage, - Dépoussièrage. Ventilation de tunnels, parkings souterrains, locaux industriels, - Désenfumage, - Refroidissement, - Séchage, - Soufflerie, - Assainissement de l'air, - Climatisation, - Production de froid. qVMax < 80 000 m3 /h pMax < 1 200 mmCE PuMax < 150 kW qVMax < 90 000 m3 /h pMax < 2 000 mmCE PuMax < 150 kW qVMax < 80 000 m3 /h pMax < 150 mmCE PuMax < 40 kW qVMax < 2.106 m3 /h pMax < 200 mmCE PuMax < 700 kW CARACTERISTIQUES Photos Avantages Défauts DISPOSITIFS DE REGULATION DOMAINE DE FONCTIONNEMENT APPLICATIONS PRINCIPAUX CONSTRUCTEURS η = (qV x P)/Pu : rendement ; qV : débit volumique ; P : pression ; Pu : puissance absorbée en bout d’arbre du ventilateur A ce propos, on constate une habitude de surdimentionnement important dans l’industrie. Pour pallier ce phénomène, il faut donc rappeler de porter une attention particulière à ne pas cumuler les facteurs de “sécurité” d’approvisionnement. De plus, dans tous les cas de surdimen- tionnement de ventilateurs, le réglage du débit de fonctionnement ne doit pas se faire par volet ou autre organe déprimogène (dissipant l’énergie) mais par réduction du débit à la source ; le plus efficace étant l’usage de variateur électronique de vitesse (VEV). DES INSTALLATIONS DE VENTILATION
  24. 24. 26 Ventilateur centrifuge à aubes inclinées vers l’avant 1,00 0,80 0 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 0,60 0,40 0,20 0 Puissance relative Débit relatif Ventilateur centrifuge à pales radiales Débit relatif 1,00 0,80 0 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 0,60 0,40 0,20 0 Puissance relative Laminage Ventelles Variation mécanique de vitesse Variation électronique de vitesse Ventilateur centrifuge à réaction Débit relatif 1,00 0,80 0 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 0,60 0,40 0,20 0 Puissance relative Ventilateur hélicoïde Débit relatif 1,00 0,80 0 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 0,60 0,40 0,20 0 Puissance relative Figure 4 : Puissances absorbées par les ventilateurs centrifuges et hélicoïdes en fonction du mode de régulation de débit. RÉPERTOIRE PRATIQUE
  25. 25. 27 Les ventilateurs centrifuges Dans ce type de ventilateur, l’air est aspiré axialement et est rejeté radialement. Les centrifuges permettent de générer des écarts de pression élevés. On peut distinguer 3 types de géométrie de roues qui influencent directement les performances et aptitudes des ventilateurs : • roues à pales inclinées vers l’avant (roues à action). Les ventilateurs utilisant ce type de roue sont caractérisés par des encombrements réduits et une courbe débit/pression relativement plate. Ils sont pénalisés par des rendements faibles (de l’ordre de 60 %) et des possibilités de régulation faibles. Ils sont globalement assez peu utilisés dans des applications de ventilation industrielle ; • roues à pales radiales. Le rendement de ce type de ventilateurs reste faible (inférieur à 70 %). Ils sont surtout caractérisés par leur faible sensibilité à l’encrassement par un air poussiéreux. Ils sont donc souvent utilisés dans des opérations telles que le dépous- siérage, le transport pneumatique… • roues à pales inclinées vers l’arrière (roues à réaction). Les ventilateurs utilisant ces roues ont un rendement élevé (de l’ordre de 80 %) et sont facilement compatibles avec des variations de débit. Leur courbe débit/pression caractéristique montre des variations très importantes des débits en fonction des pressions. Une bonne adaptation du ventilateur à l’application est donc très importante. Les ventilateurs hélicoïdes Dans ce type de ventilateur l’air est aspiré et refoulé axialement. Ces ventilateurs ne permettent pas de générer des écarts de pression élevés.Ils sont donc limités dans leurs applications. Ces ventilateurs peuvent atteindre des rendements élevés (de l’ordre de 80 %). Leurs performances peuvent fortement évoluer en fonction de leurs conditions d’implantation et en particulier ils sont sensibles aux conditions d’alimentation en air. • Les modes de variation de débits Plusieurs modes de variation sont envisageables : ➠ laminage par un registre en aval ou amont du ventilateur Ce dispositif en augmentant la perte de charge globale du circuit permet de faire varier le point de fonctionnement du ventilateur. C’est un mode de régulation très énergivore qui, de plus, peut entraîner des risques de pompage dans le réseau. ➠ mise en rotation de l’air à l’entrée du ventilateur par des ventelles (aubes de prérotation) Ce dispositif permet de faire varier les conditions d’écoulement d’air à l’entrée du ventilateur et ainsi de modifier la courbe caractéristique de ce dernier. C’est un mode de variation moins énergivore que la solution précédente. ➠ variation de l’angle des pales pour un ventilateur hélicoïde La modification de l’angle des pales d’un ventilateur hélicoïde est une modification majeure de la géométrie du ventilateur. Elle permet de modifier ses conditions de fonctionnement en limitant les baisses de rendement. C’est une solution efficace mais plus coûteuse à l’investissement. ➠ variation de vitesse du ventilateur La variation de vitesse de rotation du ventilateur est un système qui permet d’adapter le fonctionnement du ventilateur aux besoins. Cette variation peut être obtenue mécaniquement ou par un système électronique dont le principe est de faire varier la fréquence d’alimentation électrique du moteur. La variation électronique de vitesse, du fait de sa souplesse d’utilisation et d’intégration et de sa fiabilité, est un système plus performant que la variation mécanique. DES INSTALLATIONS DE VENTILATION
  26. 26. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0 Rendement (%) Cos ϕ (facteur de puissance) Charge (% de Pn) 28 Les moteurs électriques • Le dimensionnement d’un moteur Le rendement d’un moteur asynchrone est relativement constant entre 50 % et 100 % de la vitesse nominale, et diminue de façon sensible en dessous de 50 %, comme l’indique la courbe type pour un moteur asynchrone de la figure 5. A partir d’un taux de charge inférieur à 30 %, le rendement se dégrade franchement et le fonc- tionnement du moteur n’est pas optimal. Il est important de noter qu’un moteur demande la puissance qui lui est imposée par la charge. Ainsi, un moteur de 60 kW fonctionne parfaitement si le ventilateur ne nécessite que 15 kW et ne demandera alors qu’une puissance (P) de 15 kW (P=0,25PN) , où PN est égal à la puissance nominale. Cependant, ce ventilateur peut également être entraîné par un moteur de 15 kW (P=PN) permettant un gain en rendement important. Il est donc essentiel de dimensionner correctement le moteur par rapport à sa charge. • Le rendement La très grande majorité (≈ 98 %) des moteurs de ventilateurs utilisés en ventilation industrielle sont asynchrones. Leur rendement est relativement haut, souvent au-delà de 80 %. Ces machines ont des taux d’utilisation très élevés et une petite hausse de rendement (1 à 2 %) est très rapidement source de gains énergétiques importants. Depuis les années 1970, des moteurs "haut rendement" sont apparus sur le marché, au gré des constructeurs, et sans homogénéité dans les critères d’appellation. En 1999, une labellisation donnant une information précise et détaillée a été mise en place par le CEMEP (Comité Européen de Constructeurs de Machines Electriques et d'Electronique de Puissance) et la Commission européenne.Toutefois,cela ne concerne que certains types de moteurs. Comme le montre la figure 6, on distingue maintenant trois classes de performances correspondant à des plages de rendement précises : Figure 5 : Evolution du rendement d’un moteur en fonction de sa charge Rendement Cos ϕ 1,1 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 11 15 18,5 22 30 37 45 55 75 90 80 85 90 95 100 75 2 pôles Puissance (kW) EFF1 EFF2 EFF3 RÉPERTOIRE PRATIQUE
  27. 27. 29 L’utilisation des moteurs EFF1 est indispensable quand on sait que leur surcoût peut être amorti sur 1 an, et que ces moteurs pourront fonctionner plus de 15 ans. Les récupérateurs d’énergie Il existe différentes technologies pour ces équipements. Celles rencontrées le plus souvent sont décrites ci-dessous. Outre la technologie employée, il est également nécessaire de prévoir des systèmes qui permettent une maintenance et un entretien régulier, notamment si la nature de l’air traité laisse supposer un encrassement rapide. • Echangeurs à plaques L’échangeur est constitué d’un grand nombre de plaques séparant un flux d’air extrait et un flux d’air neuf. L’échange thermique est réalisé par l’intermédiaire de la plaque. Le motif circulation d’air extrait/plaque/circulation d’air neuf est répété un grand nombre de fois dans l’échangeur. L’efficacité de ce type d’échangeur dans le cadre d’applications industrielles est de l’ordre de 60 %. Elle est directement liée aux paramètres de l’échange par convection de l’air avec les plaques et leur conduction thermique : ➠ vitesse de l’air ; ➠ état de surface des plaques ; ➠ épaisseur et conductivité des plaques. Les échangeurs les plus efficaces, caractérisés par des distances entre plaques et des épaisseurs de plaques très faibles, sont particulièrement sensibles au phénomène d’encrassement. Par ailleurs, dans les zones froides, il est nécessaire de préchauffer l’air afin d’éviter le givrage de l’échangeur. Ce préchauffage induit une baisse de rendement. Enfin, avec ce type d’appareil, il est impossible de faire varier le taux de récupération sans installer de gaines de “by pass” encombrantes et coûteuses. • Echangeurs rotatifs Une roue constituée d’un matériau à forte capacité thermique tourne entre deux circuits aérauliques. Dans l’un des deux, l’air extrait traverse un secteur de roue et lui transfère son énergie thermique.Après rotation le même secteur est traversé par l’air qui récupère l’énergie emmagasinée. La mise au contact direct avec l’air neuf d’un matériau préalablement irrigué par l’air pollué n’interdit pas la pollution éventuelle de l’air neuf. Pour éviter ce problème, la roue est dotée d’un secteur de purge ou le matériau est nettoyé par de l’air neuf pour être ensuite rejeté à l’extérieur. Ce type d’échangeur atteint une efficacité de transfert de l’ordre de 70 à 80 %. De manière générale, leur mode de construction (nid d’abeilles, matériaux poreux) les rend sensibles à l’encrassement. Notons qu’avec ce type d’échangeur, le taux de récupération est variable. Ces appareils n’offrent cependant pas d’étanchéité absolue entre les deux flux d’air. 1,1 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 11 15 18,5 22 30 37 45 55 75 90 80 85 90 95 100 75 4 pôles Puissance (kW) EFF1 EFF2 EFF3 Figure 6 : Plages de rendement pour les moteurs asynchrones bipôles et quadripôles labels EFF1 (Efficiency 1) : haut rendement labels EFF2 (Efficiency 2) : rendement amélioré labels EFF3 (Efficiency 3) : ancien standard, rendement faible DES INSTALLATIONS DE VENTILATION
  28. 28. 30 • Echangeurs à double batteries Le circuit d’air extrait et le circuit d’air neuf sont chacun dotés d’une batterie à ailettes.Entre ces deux batteries, un fluide caloporteur circule et permet l’échange thermique. L’efficacité thermique de ce type d’équipement reste moyenne (inférieure à 50 %) car l’échange thermique n’est pas direct. Cette technologie permet de : ➠ garantir une étanchéité parfaite entre les deux circuits d’air ; ➠ réaliser un échange thermique entre deux circuits qui sont distants en terme d’implantation. Notons qu’avec ce type d’échangeurs, le taux de récupération est variable. • Echangeurs à caloducs Le caloduc est un tube contenant un fluide choisi en fonction des échanges thermiques à réaliser. Ce fluide s’évapore du coté "chaud" et se condense du coté "froid". Ce principe autorise une bonne capacité d’échange thermique interne. Pour l’échange avec l’air, les tubes sont dotés d’ailettes aux deux extrémités. L’efficacité de ce type d’échangeurs peut atteindre 60 %. Le principe permet une étanchéité absolue entre les deux circuits d’air. L’encombrement d’un tel échangeur est réduit par rapport à un échangeur traditionnel à plaques. Cependant, de même que pour les échangeurs à plaques, il est impossible de faire varier le taux de récupération sans instal- ler de gaines de “by pass” encombrantes et coûteuses. Les épurateurs Il existe différentes technologies pour ces équipements. Les plus courants sont listés ci-dessous. • Filtration sur médias L’air pollué à traiter passe à travers des médias filtrants. Les particules présentes dans l’air vont se fixer sur les médias. Pour ce type d’épurateur, il est important de prendre en compte la perte de charge à l’état neuf et,surtout,la perte de charge à l’état colmaté.Certains équipements sont dotés de systèmes de décolmatage qui,par action mécanique ou aéraulique,réduisent la quantité de particules fixée sur les médias. Ces systèmes permettent de limiter la perte de charge maximale de l’épurateur. • Centrifugation Le principe consiste à accélérer fortement les écoulements pour centrifuger les particules (effet cyclone). Les pertes de charge sont donc relativement élevées mais sont en revanche très constantes au cours de l’exploitation de l’épurateur. Les particules captées sont éliminées par un circuit aéraulique de ponction. • Lavage L’air à traiter passe à travers une pulvérisation ou un écoulement de liquide qui va pouvoir fixer les polluants présents dans l’air. La nature de ces polluants varie en fonction de la composition chimique du liquide utilisé. Ce dispositif permet de fixer des particules ou des composés gazeux.La perte de charge de ces équipements est très variable en fonction de leur cons- titution. Elle reste toutefois globalement constante au cours du fonctionnement de l’épurateur. • Précipitation électrostatique L’air à traiter passe à travers un champ électrique qui confère aux particules une charge électrique. On utilise cette charge pour capter les particules sur des plaques dont le signe électrique est opposé. Ce système est caractérisé par des pertes de charge faibles qui évoluent peu au cours du fonctionnement de l’équipement. • Principe mixte De très nombreux appareils sur le marché vont associer plusieurs des technologies citées ci-dessus. Cette association de technologies permet d’exploiter au mieux les avantages de chacune en essayant de limiter leurs inconvénients.
  29. 29. LE DIAGNOSTIC ÉNERGÉTIQUE 31
  30. 30. 32 L’OBJECTIF DU DIAGNOSTIC ÉNERGÉTIQUE L’objectif du diagnostic est de rechercher l’amélioration de l’efficacité énergétique des installations de ventilation. Cette amélioration doit engendrer une réduction des coûts de fonctionnement et viser une amélioration de la qualité des services offerts par la ventilation, voire une réduction des impacts sur l’environnement. De façon générale, le diagnostic doit permettre de : ➠ caractériser la fonction de l’installation de ventilation ; ➠ évaluer l’adéquation du système avec les besoins de l’entreprise ; ➠ comprendre la sensibilité et l’influence de chacun des paramètres du site et du système de ventilation ; ➠ proposer un bilan concret et réaliste ; ➠ déterminer les éléments permettant d’atteindre le meilleur compromis entre efficacité énergétique et efficacité de l’installation et engendrer une amélioration du confort. L’ADÉQUATION DES PRESTATIONS AUX ENJEUX DE LA VENTILATION Il convient d’adapter la prestation au profil des entreprises industrielles à expertiser. De façon générale, plusieurs critères sont à considérer : ➠ la place de l’énergie dans l’entreprise, ➠ les dépenses en énergie pour la ventilation, ➠ la taille de l’entreprise et sa capacité de financement. On définira la prestation tout particulièrement en fonction des enjeux liés à la ventilation dans l’entreprise. Schématiquement, ils se situeront entre deux situations extrêmes : ➠ la limite basse où la dépense en énergie pour la ventilation correspond au coût du fonctionnement des ventilateurs ; celui-ci représente en moyenne de l’ordre de 10 % des consommations électriques de l’entreprise (cf. figure 7) ; ➠ le cas où l’air possède un contenu énergétique très important du fait de son conditionnement (chauffage/refroidissement,séchage/humidification...).Dans ce cas,la ventilation entraîne,outre la consommation électrique des moteurs des ventilateurs, des consommations énergétiques également importantes sur les différents postes de traitement de l’air (cf.figure 8). Autres moteurs 28 % Autre usage non spécifique de l’électricité (thermique…) 15 % Chaud 1 % Froid 57 % Ventilation 30 % Humidification 2 % Auxilliaires 10 % Figure 7 : Part de la consommation électrique des moteurs des ventilateurs dans l’entreprise Figure 8 : Structure des dépenses énergétiques d’une installation de climatisation Éclairage 4 % Electrolyse 9 % Moteurs “air comprimé” 12 % Moteurs “compression” (froid et autre gaz) 9 % Moteurs (pompage) 14 % Moteurs ventilation 9 %
  31. 31. 33 LES CARACTÉRISTIQUES DU DIAGNOSTIC Composition de l’expertise Les coûts de réalisation d’une expertise se composent de : ➠ les temps de visite pour le recueil des données existantes et l’analyse, ➠ l’éventuelle campagne de mesures des paramètres des installations, ➠ les temps d’étude pour l’exploitation des résultats, ➠ les temps nécessaires à la synthèse des informations recueillies lors des visites de l’entreprise, ➠ les temps nécessaires à la rédaction du rapport d’étude, ➠ les temps nécessaires à la présentation des résultats et à l’accompagnement du décisionnaire, ➠ les frais administratifs de gestion et de secrétariat, ➠ les frais commerciaux et de déplacements. Les coûts de réalisation d’un diagnostic dépendent étroitement des temps nécessaires à l’exploitation des mesures,aux visites du site,à la synthèse des informations,à la rédaction du rapport d’étude,aux frais de structure des intervenants et également au déploiement des moyens lors de la campagne de mesures. Ils sont donc très variables suivant les multiples configurations des sites industriels. Les niveaux de diagnostic La réalisation des objectifs passe par le recueil d’un ensemble de données physiques tels que les débits, les pressions, les températures, les volumes, mais également des informations contextuelles. On peut citer la variabilité de la demande, le besoin réel de l’entreprise, les situations critiques, les états et plans de maintenance, etc. Les niveaux de précision et de détail des informations requises doivent être adaptés au type de la mission et à sa complexité. De même, le volume d’informations déjà disponibles ainsi que leur niveau de fiabilité doivent être considérés attentivement. Enfin, rappelons encore une fois qu’il est primordial d’adapter l’ensemble du déploiement du diagnostic à des critères tels que l’importance de l’enjeu énergétique, la taille de l’entreprise, ses capacités de financement, ses perspectives d’évolution… Il est donc nécessaire de savoir graduer sa démarche pouvant, à titre indicatif, se caractériser par la définition de 3 niveaux d’intervention. ➠ NIVEAU 1 : utilisation uniquement de données existantes collectées sur le site ; ➠ NIVEAU 2 : campagne de mesures restreinte : partielle (une partie des données est calculée à partir des données mesurées par extrapolation ou par interpolation); ou complète (en utilisant l’instrumentation existante) ; ➠ NIVEAU 3 : campagne de mesures complète avec pose d’instruments de mesure et d’acquisition de données, même si le site est déjà équipé. LE DIAGNOSTIC ÉNERGÉTIQUE
  32. 32. 34 • Le diagnostic simple (NIVEAU 1) Ce diagnostic allégé de sa campagne de mesures (mais il pourra être fait appel à des mesures réalisées par l’industriel) est constitué : ➠ de la visite pour inventaire analytique des installations en une ou deux journées tout au plus ; ➠ de mesures électriques ponctuelles pour l’évaluation des débits d’air ; ➠ d'un dialogue avec les personnes de l'entreprise concernées par le sujet sur les conditions d'utilisation de la ventilation ; ➠ d'un rapport comportant un état des lieux et des propositions d'amélioration chiffrées. Cette prestation s'adresse plus particulièrement aux petites entreprises ne souhaitant pas ou ne pouvant pas investir dans une expertise énergétique complète. • Le diagnostic avec campagne partielle (NIVEAU 2) Ce diagnostic repose sur les mêmes bases que le niveau précédent, mais inclut également : ➠ des mesures essentielles sur une durée représentative du fonctionnement de l’entreprise ; ➠ des interpolations / extrapolations grâce aux données recueillies, pour atteindre un niveau de précision élevé. Ce type de prestation s'adresse habituellement aux entreprises de taille moyenne avec un enjeu de ventilation important. Il peut également concerner des entreprises plus grandes pour lesquelles l’enjeu ventilation est plus faible, au regard de leur taille. • Le diagnostic approfondi (NIVEAU 3) Ce diagnostic comprend l'ensemble des éléments nécessaires au bon aboutissement de la démarche de maîtrise de l'énergie et d’amélioration de la qualité. C'est à dire : ➠ une campagne de mesures sur les différents points critiques de l’installation ; ➠ des enregistrements sur plusieurs périodes choisies en fonction des paramètres clés à tester ; ➠ des mesures et calculs contradictoires. Ce type de prestation est destiné aux entreprises souhaitant réaliser toutes les économies possibles et raisonnables, tant sur l'énergie consommée que sur les coûts d'exploitation de leurs installations. Ceci correspond plutôt aux entreprises pour lesquelles l’enjeu ventilation est très important.
  33. 33. 35 LES ÉTAPES DU DIAGNOSTIC Les étapes du diagnostic sont définies ci-après. Schématiquement, on distingue quatre grandes phases : ➠ une première phase de description du système de ventilation et de production ; ➠ une seconde phase de campagne de mesures et relevé de données complémentaires ; ➠ une troisième phase de bilan énergétique ; ➠ une quatrième phase de préconisations. Description du système Cette première phase doit permettre de collecter toutes les informations sur le système de ventilation : cahier des charges du système, âge des équipements, caractéristiques et contraintes de procédés, contraintes réglementaires, politique de renouvellement... Plus particulièrement, il s’agit de : 1. Décrire le principe général du système de ventilation ; 2. Relever les différents éléments du système de ventilation : • ventilateurs ; • réseaux, gaines et éléments de diffusion de l’air ; • éléments de captage ; • éléments de traitement de l’air pour recyclage ; • échangeurs dans le circuit aéraulique ; • éléments de procédé interférant dans le système de ventilation ; • éléments de mesure de comptage et de contrôle déjà en place. 3. Identifier et caractériser les éventuelles installations de : • compensation de l’extraction ; • gestion de l’air neuf ; • quantité en m3 /h et variabilité du débit d’air neuf ; • traitement de l’air neuf, de l’air vicié ; • valorisation des rejets de ventilation (exemple : récupération sur air chaud ou sur air froid) ; • condition de confort des acteurs du procédé. 4. Relever les installations de régulation et de contrôle/commande de l’installation de ventilation : • fonctionnement continu ; • fonctionnement programmé ; • fonctionnement asservi à la présence ; • fonctionnement asservi au besoin ; • paramètres de réglage. 5. Identifier les types d’énergie impliqués (ventilation et conditionnement d’ambiance) : • types de contrat énergétique (coûts et différentes plages tarifaires) ; • récupération éventuelle d’énergie sur procédé. A l’issue de cette phase, on disposera d’un schéma synoptique de l’installation décrivant le plus complètement possible le système de ventilation, ses paramètres clés ainsi que les points critiques à caractériser plus précisément. LE DIAGNOSTIC ÉNERGÉTIQUE
  34. 34. 36 Campagne de mesures et relevé des données Cette étape doit permettre la mise en place de comptages ainsi que le relevé des mesures et des données des équipements de l’installation. Des recoupements doivent être réalisés entre ces deux types d’indicateurs. Il est également important de noter que cette phase peut permettre de recueillir des informations importantes sur l’exploitation, la gestion et l’entretien du système de ventilation, qui sont sources essentielles d’analyse. L’évaluation des consommations d’énergie électrique des moteurs et des auxiliaires : • puissance, âge et rendement des moteurs électriques ; • rendement de l’installation électrique ; • temps de fonctionnement par plage tarifaire de l’électricité (programmation…) ; • mesures des consommations. L’évaluation de la consommation liée à l’énergie thermique (froid et chaud) associée à la ventilation : • types d’énergie primaire utilisés (combustible, électricité, récupération d’énergie thermique sur procédé…) ; • procédés de production d’énergie thermique (froid et chaud) ; • contrôle des puissances nominales installées, âge et rendement ; • temps et périodes de fonctionnement ; • mesure de la consommation. L’évaluation de la consommation liée à l’aéraulique : • types de ventilateurs et contrôle des caractéristiques (débit-pression) ; • mesures aux points critiques identifiés sur le schéma synoptique ; • contrôle du réseau (entretien, fuites, pertes de charge…). A l’issue de cette phase, on disposera de données permettant notamment d’enrichir le schéma synoptique caractérisant l’installation de ventilation afin de préparer le bilan énergétique. Bilan énergétique A partir des données recueillies, cette phase doit permettre d’évaluer les pertes de chaleur de l’installation et les pertes aérauliques (fuites, pertes de charge…). Le but est de confronter les relevés effectués aux données théoriques de fonctionnement, au cahier des charges initial mais également aux besoins réels identifiés. 1. Aéraulique • calcul des débits théoriques – pressions – pertes de charge ; • calcul des besoins énergétiques correspondants en intégrant les rendements des moteurs, des ventilateurs et des différents auxiliaires. 2. Thermique a) dans le cas où les pertes thermiques et aérauliques sont volontairement compensées : • calcul des besoins énergétiques thermiques (chaud et froid) théoriques en intégrant les rendements ; • calcul des pertes thermiques théoriques ; • identification du débit de compensation et, par déduction, le débit des fuites si l’extraction n’est pas compensée à 100 % ;
  35. 35. 37 • calcul de la quantité d’énergie thermique réelle dépensée du fait de la ventilation ; • calcul du rendement de l’installation thermique. b) dans le cas où la compensation des pertes n’est pas organisée (et donc se fait grâce aux fuites d’air ou à la perméabilité des bâtis), on réalisera la même approche que ci-dessus avec les données appropriées. Les données collectées ou mesurées ainsi que le bilan énergétique doivent permettre à l’auditeur de compléter le schéma synoptique de l’installation. Celui-ci doit exposer de manière claire et précise : ➠ le plan de l’installation avec ses différents composants ; ➠ les valeurs de flux aéraulique et les principales grandeurs caractéristiques (débits, pressions, perte de charge, température…). Les données de ce bilan sont les sources de l’analyse menant aux préconisations. Pth = Dair x Cpair x Préconisations L’audit de l’installation doit aboutir à cerner, qualitativement et quantitativement, tous les domaines où des économies d’énergie sont possibles, soit avec un réglage, soit avec des procédures d’exploitation différentes, soit avec d’autres équipements. A la formulation des préconisations, il peut être utile d’adopter une démarche de questionnement du type : dT 1 000 Pth = Pertes d’énergie thermique (kW) Dair = Débit d’air (m3 /h) Cpair = Capacité calorifique de l’air (Cpair = 0.34) dT = Ecart de température (K) Le principe de l’installation est-il en adéquation avec les besoins ? Le dimensionnement est-il en adéquation avec les objectifs visés ? La performance de l’installation permet-elle de répondre aux exigences réglementaires ? La réalisation et l’exploitation sont-elles optimales ? Les conditions de confort des acteurs du procédé sont-elles optimales ? Le réglage et la conduite du système sont-ils adaptés au régime de fonctionnement de l’atelier et des procédés ? ( ) LE DIAGNOSTIC ÉNERGÉTIQUE
  36. 36. 38 Le programme de préconisations doit respecter le contexte du site et s’adapter au niveau d’investissement envisagé. Indiquons cependant qu’il ne faut pas hésiter à proposer des solutions innovantes, à conditions, bien sûr, qu’elles soient bien argumentées. Chaque préconisation doit être identifiée et présentée de la manière suivante : 1. Définition de la préconisation (points forts et solutions apportées, points faibles ou précautions à prendre) ; 2. Définition des économies engendrées : a) économies d’énergie thermique ; b) économies d’énergie électrique des auxiliaires ; c) synthèse de l’économie financière annuelle ; 3. Synthèse de l’investissement ; 4. Temps de retour brut et autres arguments de la préconisation : a) normes respectées ; b) amélioration des conditions de travail ; c) amélioration de qualité de la production. 5. Phasage possible pour les travaux : a) sur des impératifs techniques ; b) sur des impératifs financiers. Le programme de préconisations doit présenter les solutions de manière synthétique,en envisageant les travaux en site occupé, en continuité de production et avec un éventuel phasage en plusieurs tranches (nécessité due aux dispositions à prendre du fait du travail en site occupé ou étalement des investissements). Les propositions doivent aller des modifications les plus simples à mettre en œuvre vers celles qui nécessitent les investissements financiers et/ou en personnel les plus lourds. Les solutions imposant un arrêt de la production seront examinées en dernier ressort : elles ne doivent jamais être écartées, mais on s’efforcera de les conjuguer soit avec une période d’inactivité programmable (fermeture pour congés, période d’arrêt d’un processus saisonnier), soit à l’occasion d’un chantier de rénovation important de l’installation industrielle. CONTENU DU RAPPORT DE DIAGNOSTIC Le rapport définitif doit donner à l’industriel tous les éléments lui permettant de prendre des décisions en connaissance de cause. Il doit donc par le détail et la précision, lui donner la possibilité de : 1. S’engager : a) techniquement ; b) financièrement. 2. Juger s’il y a risque ou pas : a) technique (procédé, continuité de production, qualité de la production…) ; b) financier. 3. Mesurer l’impact des travaux : a) sur sa productivité : - dimension technique et opérationnelle ; - dimension sociale ; - dimension confort de travail. b) sur son activité (durant les travaux) ; c) sur les opérations de conduite et de maintenance. 4. Se faire sa propre idée sur l’opportunité de s’engager dans des mesures correctives ; 5. Donner à l’ADEME les informations-clés suffisantes pour éventuellement relayer l’action du bureau d’études auprès de l’industriel. Un plan détaillé de rapport de diagnostic type est fourni en ANNEXE 2.
  37. 37. MÉTHODES DE MESURE 39
  38. 38. 40 GÉNÉRALITÉS Les campagnes de mesures ne sont mises en œuvre que lorsqu’un certain niveau de détail et de précision est attendu (diagnostic de niveau 2 ou 3). Une campagne de mesures doit être réalisée sur une période représentative et reproductible de l’activité de l’entreprise. La durée d’une semaine complète de 7 jours est souvent retenue. De préférence, les différentes mesures qui concernent un même phénomène doivent être faites en simultané afin de pouvoir établir aisément les corrélations entre les informations de puissance, de débit, de pression, de température et d’humidité. Les appareils de collecte, de mesure ou d’enregistrement de données mis en place ne doivent en aucun cas interférer avec le déroulement normal des processus industriels. Compte tenu de la diversité des informations à acquérir,le choix des matériels de mesure cons- titue un fondement de l’expertise.Sauf exception,on évitera d’utiliser les données fournies par les instruments de contrôle éventuellement déjà en place sur les divers composants de l’installation de ventilation, mais on équipera ces composants d’une instrumentation spécifique au diagnostic. Tous les instruments de mesure doivent être étalonnés avant le démarrage de la campagne d’observation. Il faut en outre tenir compte des effets sur le bilan, des imprécisions de mesure sur les informations collectées. Il faut utiliser systématiquement des appareils conformes aux standards internationaux et travailler selon des méthodes normalisées. Il est fortement recommandé de suivre les normes NF et ISO correspondant aux domaines de mesure concernés. Lorsqu’il n’existe pas de norme adaptée au type de mesure à effectuer, on emploiera de préférence une méthode bénéficiant du meilleur retour d’expérience dans des situations analogues. MESURE DE DÉBITS D’AIR(1) Détermination des débits d’air par exploration des champs de vitesse d’air dans une conduite fermée Dans une conduite fermée où s’écoule de l’air, le débit est déterminé à partir de la relation : Q = A.Vm Q : débit d’air (m3 /s) ; A : section où s’effectuent les mesures (m2 ) Vm : vitesse moyenne de l’air dans cette section (m/s) La vitesse moyenne est mesurée à partir des vitesses locales mesurées en un certain nombre de points de la section de conduite. Le nombre et la position des points de mesure définis dans la norme NF X10-112 varient en fonction de la forme de la conduite et de ses dimensions. (1) d’après INRS - Brochure ED 695 "Principes généraux de ventilation"
  39. 39. 41 La vitesse moyenne est fournie par la relation : Vmoy = Les vitesses d’air sont soit déterminées en utilisant un tube de Pitot double, soit mesurées directement à l’aide d’un anémomètre. Les vitesses d’air peuvent être obtenues de façon d’autant plus satisfaisante que les conditions énumérées ci-dessous sont respectées : ➠ longueur en amont du point de mesure sans singularité supérieure à 20 D (D : diamètre de la conduite au niveau de la section de mesure) ; ➠ longueur en aval du point de mesure sans singularité supérieure à 5 D ; ➠ bord des trous du piquage de mesure dans la conduite net et sans bavure ; ➠ écoulement peu fluctuant et sans giration ; ➠ diamètre du tube de Pitot ou de la sonde de l’anémomètre inférieur à D ; ➠ antenne du tube de Pitot parallèle à l’axe de conduite. Pour la mesure de la vitesse à l’aide du tube de Pitot, il est souhaitable que la vitesse moyenne soit supérieure à 4 m/s. En dessous, la valeur de la pression dynamique (Pd) devient trop faible et l’erreur sur la mesure trop importante. Détermination des débits d’air par exploration du champ de vitesse d’air au niveau des bouches d’extraction ou d’introduction d’air Lorsque la méthode précédente ne s’applique pas (longueurs droites trop faibles,inaccessibilité…), le débit peut être déterminé en faisant un champ de vitesse d’air au niveau des bouches d’extraction ou d’introduction d’air à l’aide d’un anémomètre. La vitesse moyenne sera obtenue en calculant la moyenne arithmétique des vitesses locales, mesurées aux points définis par quadrillage.Afin de ne pas commettre d’erreurs sur le débit (pouvant atteindre plus de 50 % de la vraie valeur), certaines précautions doivent être prises lors des mesures. En particulier, on doit tenir compte du type de bouche (extraction ou introduction), de la présence ou de l’absence de grilles ou de fentes, du type d’anémomètre, de la distance entre la bouche et l’anémomètre… Appareils de mesure de la vitesse de l’air pour la détermination des débits Les principales familles d’appareils les plus fréquemment utilisés pour la mesure des vitesses d’air et pour déterminer les débits sont les suivantes : ➠ tube de Pitot double ; ➠ anémomètres thermiques ; ➠ anémomètres mécaniques. ∑ n Vi i =1 n MÉTHODES DE MESURE 50
  40. 40. 42 Détermination du débit d’air et contrôle d’une installation par mesure de la pression statique en un point • Principe Cette méthode consiste à mesurer la pression statique en différents points d’un circuit de ventilation, soit pour en déduire les débits d’air mis en jeu, soit pour contrôler le fonctionnement de l’installation. Le contrôle consiste à déterminer le débit d’air mis en jeu par une méthode précise (exploration du champ de vitesse, traçage…) et à noter simultanément les valeurs de la pression statique aux différents points de mesure. • Appareils de mesure de la pression Les appareils de mesure de la pression utilisés en ventilation _ généralement appelés manomètres _ , peuvent être classés en deux catégories suivant leur principe de fonctionnement : ➠ manomètres hydrostatiques (à liquide) : tube en U, tube incliné… ; ➠ manomètres mécaniques (à membranes). Le tableau 6 donne les principales caractéristiques (principe de fonctionnement, plage de mesure…) des appareils de mesure de la pression. Les principales caractéristiques des appareils de mesure de la vitesse de l’air sont résumées dans le tableau 5. Tableau 5 : Caractéristiques des appareils de mesure de la vitesse de l’air (d’après INRS - Brochure ED 695“Principes généraux de ventilation”) Famille Tube de Pitot Tube de Pitot avec manomètre intégré Anémomètre thermique Anémomètre mécanique Fil Chaud Thermocouple Vélomètre Micro moulinet ∅ de 10 à 30 Moulinet ∅ de 100 à 500 0,3 à 50 m/s 1,5 à 5 % pleine échelle < 60 °C 0,3 à 50 m/s 1,5 à 2 % pleine échelle Pas utilisables en gaine < 60 °C Non Moyen Moyenne Rotor muni d’ailettes mis en rotation Déflexion de palettes 0,2 à 40 m/s 2 à 3 % pleine échelle Dimensions spéciales Etroite Oui Fréquent Bonne Utilisation standard 0,05 à 30 m/s 3 % pleine échelle ≈ 10 < 60 °C Non Fréquent Moyenne Refroidissement d’un fil chauffé électriquement 0,05 à 50 m/s 2 à 5 % pleine échelle ≈ 10 0 à 80 °C Non Fréquent Moyenne Utilisation standard Certains sont compensés en température, certains permettent de réaliser des mesures de température, de pression statique > 4 m/s 3 à 10 Etendue Oui Aucun Bonne Utilisation normalisée NF X10-112. Pas utilisable en basse vitesse Appareils Principe Gamme de mesure Précision (valeurs fournisseurs) Dimensions trous en gaine (mm) Température d’utilisation Utilisation en air pollué Etalonnage Robustesse Utilisation générale Observations
  41. 41. 43 MÉTHODES DE MESURE Tube en U vertical -------- A tube incliné -------- Micromanomètre Variation du niveau d’un liquide Jusqu’à 5.103 Pa (en fonction du liquide) -------- Jusqu’à 2.103 Pa (en fonction du liquide - mini 1 à 100 Pa) -------- 0 à 5.103 Pa (Pa) 10 -------- 5 -------- 0,5 (mm CE) 1 -------- 0,5 -------- 5.10-2 Non -------- Non -------- Non Portable -------- Portable Doit être positionné -------- Non portable, de laboratoire Appareils A liquide A membrane métallique Micromanomètre électronique (transducteur) Jusqu’à 104 Pa Mini 0 à 10 Pa Mouvement d’une membrane métallique Jusqu’à plusieurs bars Mini 0 à 100 Pa 5 0,01 0,5 10-3 Oui Oui Portable, absence de liquide, lecture facile Portable, très sensible Mécanique Principe Echelle Précision Etalonnage Observations Tableau 6 : Caractéristiques des appareils de mesure de la pression (d’après INRS - Brochure ED 695“Principes généraux de ventilation”) Estimation du débit d’air à partir de la mesure de la vitesse de rotation du ventilateur et de la puissance consommée par le moteur électrique Cette méthode consiste à calculer la puissance consommée par le moteur pour en déduire la puissance absorbée par le ventilateur et à déterminer le point de fonctionnement du ventilateur en utilisant des courbes caractéristiques (débit/pression, débit/puissance) fournies par les constructeurs. La détermination du point de fonctionnement du ventilateur permettra de connaître le débit d’air mis en jeu sur le circuit de ventilation. Ce point est obtenu en reportant la valeur calculée de la puissance absorbée sur la courbe caractéristique débit/puissance du ventilateur.
  42. 42. 44 MESURE DES CONSOMMATIONS ÉLECTRIQUES DES MOTEURS Principe Pour mesurer la consommation d’énergie électrique, il est souhaitable d’obtenir l’ensemble des informations des consommations des ventilateurs et des périphériques. Ces informations peuvent être obtenues soit par l’enregistrement de la consommation globale en un point unique d’un poste d’alimentation électrique, soit en mesurant individuellement chaque poste consommateur et en faisant une somme simultanée. Les informations principales à recueillir sont bien entendu les consommations énergétiques des moteurs des ventilateurs. Les consommations des périphériques pourront ne pas être enregistrées afin de ne pas alourdir excessivement le coût des opérations. Ce sont alors les puissances nominales de ces appareils qui pourront être prises en référence. Les informations de puissance réactive, de facteur de puissance et des harmoniques au niveau des moteurs des ventilateurs peuvent être également intéressantes pour leur implication dans la facture énergétique et la qualité du courant électrique. La méthode des deux wattmètres sera utilisée pour les alimentations triphasées afin de parer à d’éventuels déséquilibres de phases. Appareils de mesure de la consommation électrique Les mesures électriques requièrent un nombre de wattmètres suffisant afin de pouvoir mesurer en simultané les puissances appelées par les ventilateurs. Ces wattmètres seront de classe 1, c’est à dire avec une tolérance de ± 1%. Ils doivent être adaptables aux réseaux monophasés et triphasés avec ou sans neutre. La mesure d’intensité peut être recueillie soit directement à partir de pinces ampèremétriques, soit au travers d’adaptateurs de tension. Ils doivent également avoir la possibilité de recueillir des comptages d’énergie. L’enregistrement des données est fondamental pour leur exploitation future et donc, si les wattmètres utilisés ont une capacité d’enregistrement, la période d’intégration doit être programmable avec la mémorisation des valeurs maximales, moyennes et minimales par période d’intégration pour n’importe quelle unité mesurée. Les puissances apparentes, actives et réactives, les facteurs de puissance (cos ϕ) et les fréquences. Dans le cas de mesure de variation électronique de vitesse (VEV) et d’évaluation de perturbation harmonique, de qualité courant et de compatibilité électromagnétique, les instruments doivent posséder un bande passante suffisamment large et adaptée aux hautes fréquences. Il faut avoir la possibilité de communiquer les informations au travers de connexions à un micro-ordinateur fixe ou portable afin de permettre l’exploitation, le calcul, le traitement et la visualisation graphique des données acquises, par des logiciels spécialisés.
  43. 43. 45 Une diminution des incertitudes de mesure peut être obtenue par : ➠ un étalonnage spécifique de la chaîne de mesure (sonde + raccordement + lecteur). Il permettra de réduire l’incertitude de mesure ci-dessus à 0,2 °C ; ➠ un étalonnage avec appairage des sondes dans le cas de mesures de différences des températures permettra de réduire l’incertitude sur cette différence de 0,2 °C. Ceci est intéressant dans le cas du calcul de la puissance à partir de la mesure des températures. LES MESURES QUALITATIVES(1) Une estimation qualitative de l’efficacité de captage d’une installation de ventilation peut se faire par la visualisation des écoulements à l’aide de fumigènes. Cette méthode, très simple à mettre en œuvre, peut être utilisée de manière systématique pour : ➠ mettre en évidence la dispersion des polluants, le sens des écoulements, le refoulement éventuel des hottes en dôme ; ➠ définir la zone à partir de laquelle l’installation a perdu toute son efficacité ; ➠ mettre en évidence l’existence des courants d’air et visualiser les phénomènes de turbulence à proximité d’obstacles (opérateurs, pièces, machines…) ; ➠ rechercher des fuites. Notons enfin que le diagnostic peut également amener à contrôler d’autres paramètres tels que l’empoussiérage, l’hygrométrie… MESURE DE LA TEMPÉRATURE La mesure de la température est nécessaire pour suivre l’évolution des paramètres de fonctionnement, déterminer les propriétés thermiques de l’air et calculer des quantités d’énergie. Parmi les différents capteurs de température utilisables, on distingue les sondes à résistance – classe A et les sondes à thermocouples – typeT – classe 1. Pour ces deux sondes les incertitudes de mesure sont reportées dans le tableau 7. Nota : les données ci-dessus sont relatives à un traitement direct du signal émis par ces capteurs (résistance ou force électromotrice). Dans le cas du traitement de ce signal par un transmetteur permettant d’obtenir un signal conventionnel du type analogique 4-20 mA, une incertitude supplémentaire résultant de la précision de ce transmetteur est à ajouter. Température (°C) 0 100 0 100 0,15 0,35 0,5 0,5 0,5 0,6 0,5 0,5 0,52 0,7 0,7 0,7 Sonde Incertitude (°C) Raccordement + lecteur Température Sondes à résistance Sondes à thermocouple Tableau 7 : Incertitudes de mesure des capteurs de température usuels (1) d’après INRS - Brochure ED 695 "Principes généraux de ventilation" MÉTHODES DE MESURE
  44. 44. LES VOIES D’OPTIMISATION 47
  45. 45. 48 LE CHOIX DES COMPOSANTS La performance énergétique globale d’une installation passe par l’optimisation de chacun de ses composants. Cette optimisation peut être obtenue en s’assurant que : ➠ le composant est parfaitement dimensionné pour répondre aux besoins de l’installation ; ➠ pour le régime de fonctionnement de l’installation, le composant est énergétiquement le plus performant de sa catégorie. Le tableau 8 répertorie les critères de choix des différents composants. Composant Réseau aéraulique Perte de charge Connaître et limiter au minimum les pertes de charge induites par les longueurs et les singularités Perméabilité des gaines et jonctions S’assurer que le matériau choisi et les jonctions assurent une étanchéité suffisante pour prévenir les fuites Moteurs Dimensionnement S’assurer que le moteur n’est pas surdimensionné par rapport au ventilateur et aux besoins de ventilation. Rendement S’assurer que le modèle choisi est à haut rendement (label EFF1 par exemple) Régulation Choisir un moteur compatible avec une variation électronique de vitesse Ventilateurs Dimensionnement Choisir le ventilateur qui aura un rendement maximal pour la plage de débits correspondant au fonctionnement de l’installation Rendement Choisir parmi les ventilateurs bien dimensionnés, un ventilateur à rendement élevé Epurateurs Perte de charge Etre vigilant sur la perte de charge à l’état neuf mais aussi sur l’évolution de la perte de charge en fonction de l’encrassement Récupérateurs d’énergie Rendement L’efficacité thermique d’un récupérateur d’énergie varie de 50 à 80 % selon la technologie retenue. Perte de charge Etre vigilant sur la perte de charge à l’état neuf mais aussi sur l’évolution de la perte de charge en fonction de l’encrassement Critère Remarque Tableau 8 : Critères de choix des composants de l’installation
  46. 46. 49 PLANIFIER L’ENTRETIEN ET LA MAINTENANCE Parallèlement à la mise en place de solutions techniques énergétiquement performantes, il est utile de veiller à ce que l’installation ne vieillisse pas prématurément et ne devienne avec le temps de plus en plus consommatrice d’énergie. Il est utile d’alerter le responsable de l’installation des phénomènes suivant : ➠ l’encrassement des conduits et des équipements est générateur de pertes de charge supplémentaires par réduction des sections de passages des conduits (cf. figure 9). Par ailleurs, le colmatage contribue à réduire l’efficacité de l’installation en réduisant la capacité de recyclage des épurateurs et la capacité d’échange thermique des récupérateurs d’énergie. ➠ les fuites dans les réseaux : elles sont sources de débits parasites qui augmentent les consommations énergétiques et dans certains cas, contribuent à la diffusion d’air vicié dans l’atmosphère de l’atelier. Pour maintenir l’efficacité d’une installation, il est donc nécessaire de préconiser un suivi et des opérations de maintenance régulières qui engendreront des gains d’énergie substantiels tout en aug- mentant la durée de vie de l’installation. Ces opérations peuvent consister à : ➠ faire des campagnes de repérage et de réparation des fuites du circuit aéraulique (représentant dans certains cas plus de 30 % des débits d’air de l’installation) ; ➠ procéder au changement régulier des filtres car : • la perte de charge augmente très rapidement sur un filtre usé ; • l’efficacité du filtre à éliminer les particules s’altère avec le temps. ➠ s’assurer du bon respect des normes d’hygiène et de sécurité liées à l’élimination des polluants ; ➠ mesurer et consigner de manière régulière les valeurs-clés de l’installation (consommations électriques et pertes de charge des appareils, débits d’air) afin de repérer rapidement toute anomalie. L’économie générée peut être substantielle et les temps de retours sont très attractifs (<1an). LES VOIES D’OPTIMISATION 500 400 600 700 0 5 10 15 20 25 30 300 200 100 0 Perte de charge (Pa) Masse d'huile captée (Kg) Figure 9 : Evolution de la perte de charge de l’épurateur à filtres en fonction de sa durée de vie (quantité d’huile captée)

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