Comment choisir et configurer une installation avec des ventilateurs de plafond ? Découvrez les critères techniques à considérer dans notre guide pour architectes et ingénieurs. Prêt à optimiser vos installations ?
(article traduit de l’américain. Certaines illustrations sont en anglais)
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Sommaire
- Les différents modèles de brasseurs d’air de plafond
- Types de pales et configuration
- Types de Moteurs et d’Entraînements
- Sélection, dimensionnement et disposition des ventilateurs de plafond
- Flux d’Air
- Vitesse de l’air du ventilateur
- Indice de Protection (IP), Évaluation pour Environnements Humides, et Évaluation pour Conditions d’Exposition à l’Eau
- Uniformité des Vitesses de l’Air
- Sélection de la Taille des Ventilateurs et Détermination de la Disposition
- Hauteur de Montage des Ventilateurs et Dégagements
- Éclairage
Les différents modèles de brasseurs d’air de plafond
Dans le cadre de la « Méthode de test uniforme pour mesurer la consommation énergétique des ventilateurs de plafond » (Uniform Test Method for Measuring the Energy Consumption of Ceiling Fans), le Département de l’Énergie des États-Unis (DOE) définit plusieurs types de ventilateurs de plafond. Dans ce guide, nous nous concentrons sur deux types principaux de ventilateurs de plafond :
– Ventilateur de plafond standard : tout ventilateur de plafond d’un diamètre supérieur à 45,72 cm mais ne dépassant pas 2,13 m, avec le point le plus bas des pales du ventilateur à plus de 25,4 cm du plafond. Un ventilateur de plafond standard ne doit pas dépasser les limites indiquées dans le Tableau 2 ci-dessous.
– Ventilateur de plafond de grand diamètre : tout ventilateur de plafond ayant un diamètre supérieur à 2,13 m. Ils sont souvent également connus sous le nom de ventilateurs à basse vitesse de volume élevé (HVLS).
En plus de ces deux types principaux de ventilateurs de plafond, le DOE définit plusieurs autres types de ventilateurs couramment utilisés, dont beaucoup relèvent de la catégorie des ventilateurs de plafond de petit diamètre.
– Ventilateur de plafond de petit diamètre : tout ventilateur de plafond ayant un diamètre supérieur à 45,72 cm mais inférieur ou égal à 2,13 m, avec un débit d’air d’au moins 3125 m³/h et une vitesse de rotation supérieure à 90 tours par minute à sa vitesse la plus élevée.
– Ventilateur de plafond de petit diamètre à haute vitesse : tout ventilateur de plafond de petit diamètre ayant une épaisseur de pale inférieure à 3,2 mm sur le bord ou une vitesse de pointe maximale supérieure à la limite applicable spécifiée dans le Tableau 2 ci-dessous.
– Ventilateur de plafond de petit diamètre à basse vitesse : tout ventilateur de plafond de petit diamètre ayant une épaisseur de pale supérieure ou égale à 3,2 mm sur le bord et une vitesse de pointe maximale inférieure ou égale à la limite applicable spécifiée dans le Tableau 2 ci-dessous. (« Les ventilateurs de plafond standard », définis ci-dessus, sont un type de ventilateur de plafond de petit diamètre à basse vitesse.)
– Ventilateur de plafond encastré : tout ventilateur de plafond de petit diamètre à basse vitesse pour lequel le point le plus bas des pales du ventilateur est inférieur ou égal à 25,4 cm du plafond.
– Ventilateur de plafond de très petit diamètre : tout ventilateur de plafond avec une ou plusieurs têtes de ventilateur, chacune ayant une envergure de pale de 45,72 cm ou moins, avec un débit d’air d’au moins 3125 m³/h et une vitesse de rotation supérieure à 90 tours par minute à sa vitesse la plus élevée.
– Ventilateur de plafond très décoratif : tout ventilateur de plafond avec une vitesse de rotation maximale de 90 tours par minute et moins de 3125 m³/h de débit d’air à haute vitesse.
Notez que bien que ces définitions du DOE incluent une variété de sous-catégories pour les ventilateurs de petit diamètre, tout ventilateur de plus de 2,13 m de diamètre est simplement un ventilateur de « grand diamètre », sans autre différenciation.
Direction du flux d’air | Épaisseur (t) des bords des pales en mm | Vitesse en bout de pale en m/s |
Vers le bas uniquement | 4.8 > t ≥ 3.2 | 16.3 |
Vers le bas uniquement | t ≥ 4.8 | 20.3 |
Réversible | 4.8 > t ≥ 3.2 | 12.2 |
Réversible | t ≥ 4.8 | 16.3 |
Tableau 2 : Critères de vitesse des pales et des pointes des ventilateurs de plafond (Adapté des définitions du DOE)
Comme mentionné précédemment, ce guide est principalement axé sur deux types principaux de ventilateurs, définis ci-dessus comme des ventilateurs de plafond standard et des ventilateurs de plafond de grand diamètre. Cependant, une grande partie des propos de ce guide sera également pertinente pour les autres types de ventilateurs de plafond de petit diamètre au-delà de la définition « standard », et il existe un chevauchement significatif entre bon nombre des sous-catégories de ventilateurs de plafond de petit diamètre.
Notez, par exemple, que les « ventilateurs de plafond standard » sont un type de ventilateur de plafond de petit diamètre à basse vitesse, et les « ventilateurs de plafond encastrés » sont essentiellement équivalents aux ventilateurs de plafond standard mais avec les pales du ventilateur montées plus près du plafond (malgré l’effet négatif sur l’efficacité) pour convenir aux espaces avec des hauteurs de plafond plus basses.
En général, une pale de ventilateur de plus grand diamètre peut déplacer un volume d’air plus important qu’une pale de ventilateur de diamètre plus petit. À mesure que le diamètre du ventilateur augmente, la vitesse de rotation est généralement limitée pour éviter un bruit excessif des pales du ventilateur, notamment près de la pointe des pales. De plus, lorsque les ventilateurs peuvent être montés à des hauteurs de pale inférieures à 3 mètres (c’est-à-dire presque tous les ventilateurs standard), la vitesse de rotation doit être limitée pour répondre aux critères de sécurité pour la vitesse maximale des pointes des pales. Les ventilateurs de plafond de grand diamètre sont parfois appelés « ventilateurs à basse vitesse de volume élevé » ou HVLS. Comme la conception et la forme des pales du ventilateur peuvent également avoir un impact significatif sur le flux d’air, comme décrit plus en détail ci-dessous, le terme HVLS est généralement utilisé pour décrire les grands ventilateurs de plafond conçus pour privilégier les performances dans les grands espaces commerciaux et industriels.
Par exemple, certains ventilateurs de plafond de grand diamètre comprennent des « ailettes » ou des barrières de pointe de pale (voir exemples dans la Figure 11 : Ventilateurs de plafond de grand diamètre à la bibliothèque de l’école Barrie North. (Photo copyright Big Ass Fans), et Figure 40 : Bâtiments Bluescope, Caroline du Nord, USA (Photo : copyright Big Ass Fans)) pour maximiser le flux d’air et réduire le bruit, ce qui est un problème moins courant dans les ventilateurs standard car la vitesse de pointe des pales est déjà contrainte pour des raisons de sécurité.
Bien que les définitions des types de ventilateurs du DOE se concentrent sur le diamètre du ventilateur, dans le cas de produits de ventilateurs spécifiques, il y a un certain chevauchement en termes d’applications et de styles de ventilateurs. Certains grands ventilateurs de plafond sont disponibles dans des styles qui sont plus fréquemment associés aux ventilateurs standard, et certains fabricants proposent des modèles de ventilateurs HVLS avec des diamètres inférieurs à 2,13 m. De plus, certains grands ventilateurs de plafond ont une vitesse de rotation maximale relativement faible et répondent ainsi aux exigences de vitesse de pointe des pales et d’épaisseur pour un montage inférieur à 3 mètres, bien que ceux-ci aient également un débit d’air maximal relativement faible. Le DOE définit également une variété d’autres types de ventilateurs de plafond spécialisés (y compris les ventilateurs de plafond à courroie, les ventilateurs de plafond centrifuges, les ventilateurs de plafond multi-têtes, et les ventilateurs de plafond oscillants), mais ces types spécialisés ne sont pas l’objet de ce guide.
Types de pales et configuration
La forme des pales, le nombre de pales et l’inclinaison des pales sont des facteurs importants pour augmenter l’efficacité énergétique tout en maximisant le flux d’air à travers les pales du ventilateur.
Il existe deux principaux types de formes de pales, comme illustré dans la Figure 12 ci-dessous.
Les formes des pales ont évolué au fil du temps, passant de plates à des pales profilées en soufflerie pour devenir plus écoénergétiques et maximiser le mouvement de l’air.
Comme leur nom l’indique, les pales plates du ventilateur de plafond sont des panneaux plats montés à un angle fixe, tandis que les pales profilées en soufflerie sont similaires aux ailes d’avion. Tout comme la section transversale d’une aile d’avion, la courbure des pales profilées aide à augmenter le flux d’air à travers le ventilateur de plafond, minimisant les turbulences de l’air à l’arrière de la pale, communément observées avec les pales plates. Les pales profilées sont donc généralement plus efficaces et plus silencieuses que les pales plates. Cependant, les pales plates sont moins chères à fabriquer. Notez que les pales plates fonctionnent de manière équivalente que le ventilateur fonctionne dans le sens normal (soufflant vers le bas) ou dans le sens inverse (soufflant vers le haut). En revanche, les pales profilées ne fonctionnent pas aussi efficacement en sens inverse et auront généralement un débit d’air plus faible dans cette configuration. Certains modèles de ventilateurs ont des pales qui peuvent être fixées manuellement en position inversée, ou peuvent inverser mécaniquement la pale tout en étant fixées au ventilateur, ce qui permet une efficacité améliorée lorsqu’elles fonctionnent en sens inverse.
Le nombre de pales profilées est un facteur important pour augmenter le flux d’air des ventilateurs de plafond. Bien que l’augmentation du nombre de pales puisse augmenter le flux d’air, le poids supplémentaire et la traînée dus aux pales peuvent entraîner une perte d’efficacité énergétique. Les ventilateurs standards ont généralement entre 3 et 5 pales profilées, bien que certains modèles puissent en avoir aussi peu que 2 ou jusqu’à 6. Les ventilateurs de grand diamètre ont typiquement 6 ou 8 pales, bien que certains modèles puissent en avoir aussi peu que 3.
De même, augmenter l’angle des pales peut également augmenter le flux d’air au détriment de l’efficacité énergétique. Des études de modélisation académiques ont trouvé que l’angle optimal des pales est de 8 à 10 degrés pour les ventilateurs résidentiels. Les fabricants recommandent 12 à 15 degrés. Certaines pales de style profilé varient également l’angle de la pale sur la longueur de la pale, avec des angles plus inclinés vers le centre du ventilateur pour maximiser le flux d’air dans cette région à faible vitesse de pale, et réduisant à des angles plus faibles vers les extrémités où la vitesse de la pale est élevée afin de limiter la traînée et maximiser l’efficacité énergétique.
Types de moteurs et d’entraînements
Il existe trois principaux types de moteurs utilisés dans les ventilateurs de plafond : à Induction AC, à Aimant Permanent DC (PMDC) et à Courant Direct sans Balais (DC). Généralement, il y a des économies d’efficacité énergétique très importantes en passant de moteurs AC à DC pour les petits ventilateurs, et beaucoup moins d’effet pour les ventilateurs de grand diamètre.
– Induction AC :
– Fonctionnement : Des électroaimants à l’extérieur des moteurs (stator) créent un champ magnétique rotatif causant la rotation du moteur par induction.
– Avantages : Fournit un flux d’air constant et régulier et sont moins chers que les moteurs DC.
– PMDC :
– Fonctionnement : Des aimants permanents sont situés sur le stator du moteur créant un champ magnétique stationnaire. Un commutateur segmenté tourne à l’intérieur du champ magnétique créant un changement mécanique de la direction du courant.
– Avantages : Plus efficace énergétiquement que les moteurs AC et fournit une force constante sur une gamme de vitesses plus large que les moteurs AC.
– DC sans Balais :
– Fonctionnement : Des aimants permanents sont tournés dans le moteur créant un champ magnétique rotatif. La direction du courant dans le stator est commutée en relation avec le champ magnétique pour créer la rotation.
– Avantages : Le plus efficace énergétiquement des trois types de moteurs (pour les petits moteurs sur des ventilateurs de petit diamètre, un moteur DC peut souvent utiliser 70% moins d’énergie qu’un moteur AC), le plus silencieux et a une durée de vie de service plus longue que les moteurs PMDC.
Les ventilateurs peuvent également être à entraînement direct ou à entraînement par engrenage. Presque tous les ventilateurs de petit diamètre sont à entraînement direct, mais les ventilateurs de plafond de grand diamètre peuvent être soit à entraînement direct soit à entraînement par engrenage.
Les ventilateurs à entraînement direct sont plus silencieux que les ventilateurs à entraînement par engrenage, ont une apparence plus raffinée et ont des coûts d’exploitation réduits. Cependant, les ventilateurs à entraînement direct fournissent moins de flux d’air et il peut être plus difficile de remplacer les moteurs. De ce fait, les ventilateurs à entraînement direct sont généralement utilisés dans des situations où le niveau sonore et l’esthétique sont des préoccupations et où moins de flux d’air est nécessaire.
D’autre part, les ventilateurs à entraînement par engrenage permettent une puissance moteur plus élevée et sont souvent utilisés dans des situations où maximiser le flux d’air est une priorité par rapport au niveau sonore ou à l’esthétique. Ce type de ventilateur est bien adapté aux environnements industriels où les plafonds sont hauts et où il n’y a pas ou peu de climatisation.
Sélection, dimensionnement et calepinage des ventilateurs de plafond
Les sections suivantes fournissent des conseils sur la manière de comprendre les métriques de performance des ventilateurs et des recommandations pour la taille, l’espacement et l’emplacement des ventilateurs.
Compréhension des métriques des ventilateurs
Un certain nombre de facteurs déterminent la performance d’un ventilateur, ainsi que son adéquation à une application donnée. Certains des facteurs les plus critiques sont décrits dans les sections suivantes.
Diamètre et vitesse de rotation
Les ventilateurs de plafond sont disponibles dans une large gamme de diamètres, allant de très petits ventilateurs d’environ 45 centimètres de diamètre à de très grands ventilateurs allant jusqu’à 7,3 mètres de diamètre. La détermination du diamètre de ventilateur approprié dépend largement des dimensions de l’espace et de l’application, comme discuté plus en détail plus loin dans ce guide.
La Commission de l’Énergie de Californie maintient le Système de Base de Données d’Efficiences des Appareils Modernisés (MAEDbS), qui contient un large ensemble de données sur les ventilateurs de plafond ainsi que de nombreux autres types d’appareils. Pour contexte, cet ensemble de données montre que la majorité des modèles de ventilateurs sur le marché aujourd’hui ont un diamètre entre 1,2 et 1,5 mètre, et visent donc vraisemblablement le marché résidentiel, comme illustré dans la Figure 14, ci-dessous.
Tous les autres facteurs étant égaux, un ventilateur de plus grand diamètre produira un flux d’air supérieur à travers le ventilateur par rapport à un ventilateur de plus petit diamètre à la même vitesse de rotation.
La figure 15 ci-dessous montre une gamme de ventilateurs de différents diamètres et la gamme de flux d’air possibles et les vitesses de rotation auxquelles ces ventilateurs peuvent fonctionner.
En général, un flux d’air plus élevé à travers le ventilateur résulte généralement en des vitesses d’air moyennes plus élevées dans l’espace. De plus, les diamètres plus grands de ventilateur augmentent l’uniformité des vitesses d’air à travers un espace. Enfin, les ventilateurs de plus grand diamètre augmentent la profondeur de la couche limite d’air se déplaçant le long du sol dans la zone de dispersion en dehors des pales du ventilateur. Cette figure met également en évidence les différences entre les modèles de ventilateurs même s’ils ont le même diamètre. En comparant les ventilateurs de type G et de type F, de diamètre égal (2,4 mètres), il est clair que la gamme de performances varie selon le type de ventilateur. Le ventilateur de type G a un débit d’air maximal plus élevé, un débit d’air minimal plus bas, et une vitesse de rotation plus élevée pour tout point de débit d’air particulier.
Pour un ventilateur particulier, le flux d’air est linéaire avec la vitesse de rotation, comme le montre également la figure 15. De plus, la vitesse de l’air en tout point de l’espace est également directement linéaire avec la vitesse de rotation du ventilateur. Ainsi, si un point dans la pièce mesure 30 mètres par minute lorsque le ventilateur tourne à 80 tours par minute, il mesure environ 15 mètres par minute à 40 tours par minute. Cette relation commence à se dégrader à des vitesses d’air très basses, des vitesses de rotation très basses, ou lorsque la hauteur de la pale du ventilateur est inhabituellement éloignée du sol (par exemple, > 3 mètres).
Puissance et efficacité des ventilateurs
La puissance consommée par un ventilateur augmente proportionnellement au cube de sa vitesse de rotation, tandis que le flux d’air généré par le ventilateur augmente linéairement avec sa vitesse de rotation.
Ainsi, l’efficacité du ventilateur – ou le flux d’air par unité de puissance consommée – diminue à mesure que la vitesse du ventilateur augmente. Cependant, dans de nombreux modèles de ventilateurs, l’efficacité du moteur est médiocre à basses vitesses, ce qui contrebalance partiellement cet effet.
Dans l’ensemble de données MAEDbS, l’efficacité typique (médiane) du ventilateur à la vitesse de fonctionnement la plus basse de chaque ventilateur est de 280 m³/h/W, tandis qu’elle est de 134 m³/h/W à la vitesse de fonctionnement la plus élevée. Notez que la seule façon de faire une comparaison directe de performance énergétique entre un ventilateur et un autre est de les comparer dans les mêmes conditions – même diamètre et même puissance (ou même flux d’air).
Cela est dû au fait que les ventilateurs avec des débits d’air maximaux plus bas auront une meilleure efficacité notée même s’ils consomment plus de puissance pour fournir le même flux d’air.
Notez que le Département de l’Énergie des États-Unis et les critères Energy Star – et la métrique qui apparaît sur l’étiquette Energy Guide – calculent l’efficacité du flux d’air du ventilateur de plafond en utilisant une moyenne de l’efficacité à différentes vitesses de fonctionnement, pondérée en fonction du temps pendant lequel le ventilateur est censé fonctionner à ces vitesses, y compris une perte de puissance en veille. Cela ne prend pas en compte les différents flux d’air maximum et minimum entre les ventilateurs du même diamètre, donc cela peut être trompeur. Comme auparavant, les ventilateurs avec un débit d’air maximal plus bas se comportent généralement mieux dans cette métrique d’efficacité.
La figure 16 ci-dessous met en évidence le problème, où trois ventilateurs ont la même efficacité de 413 m³/h/W., mais il y a une différence claire de performance entre les ventilateurs due à la gamme différente de flux d’air fournis. Le ventilateur représenté par la courbe la plus à gauche (moins efficace, débit d’air maximal le plus bas) est noté comme ayant la même efficacité globale que le ventilateur le plus à droite (le plus efficace, débit d’air maximal le plus élevé).
Les ventilateurs capables de réduire leur vitesse de rotation à un niveau bas tout en maintenant une bonne efficacité du moteur à cette vitesse peuvent fonctionner très efficacement dans ces conditions. Il existe sur le marché un certain nombre de ventilateurs avec une efficacité de plus de 1700 m3/h/W à leur vitesse de fonctionnement la plus basse. D’autres ventilateurs ont typiquement une vitesse minimale relativement élevée et ont souvent également une mauvaise efficacité du moteur à cette vitesse, et ces ventilateurs bénéficient moins de la réduction de vitesse. Généralement, la capacité d’un ventilateur à fonctionner efficacement à une vitesse plus basse s’améliore à mesure que le diamètre augmente, comme le démontre la Figure 17 ci-dessous.
Cependant, il existe une variation considérable de performance entre les modèles de ventilateurs ayant le même diamètre, comme le montre la Figure 18. Cela démontre également qu’il existe une large gamme de ratios de réduction (vitesse minimale divisée par vitesse maximale) parmi différents modèles de ventilateurs du même diamètre. Certains ventilateurs peuvent fonctionner à ou en dessous de 20% de leur vitesse rotationnelle maximale, tandis que d’autres ne peuvent pas fonctionner en dessous de 50% de leur vitesse maximale. Cela est également évident dans les données MAEDbS, comme le montre la Figure 19.
Flux d’Air
En puisant à nouveau dans le système MAEDbS de la CEC, la figure 20 ci-dessous représente un échantillon aléatoire des ventilateurs disponibles dans la base de données. Ceci offre une vue d’ensemble sur l’éventail des diamètres de ventilateurs et des gammes de flux d’air associées disponibles sur le marché actuel. Les méthodes de test pour évaluer le flux d’air de ces ventilateurs sont réglementées au niveau fédéral sous le 10 CFR 430 Annexe U. Pour les ventilateurs standards, l’évaluation est déterminée par une méthode modifiée d’EnergyStar, qui infère le flux d’air à partir d’un passage d’anémomètre sous le ventilateur. Pour les ventilateurs de grand diamètre (au-dessus de 2,13 mètres), l’évaluation est déterminée par la méthode de test AMCA 230-15, qui déduit le flux d’air à partir d’une mesure de la cellule de charge du ventilateur.
Vitesse de l’air du ventilateur
La vitesse de l’air du ventilateur est calculée en divisant le débit d’air nominal du ventilateur par son diamètre. Elle représente la vitesse moyenne de l’air qui passe à travers le cercle balayé par les pales du ventilateur. Ainsi, tout comme le débit d’air nominal, la vitesse de l’air du ventilateur varie linéairement avec la vitesse de rotation du ventilateur. La vitesse de l’air du ventilateur est une métrique utile car elle est plus directement représentative des vitesses d’air qui se produiront dans l’espace. Par exemple, la vitesse maximale de l’air à n’importe quel endroit et hauteur dans la pièce sera typiquement comprise entre 1,3 et 1,5 fois la vitesse de l’air du ventilateur, et elle se produira en dessous de l’extrémité de la pale du ventilateur, légèrement à l’intérieur du diamètre de la pale. Cela s’applique quel que soit le diamètre du ventilateur.
Contrairement à la vitesse de rotation du ventilateur, au débit d’air ou à la consommation d’énergie, le concept de vitesse de l’air du ventilateur est également très utile car il permet aux concepteurs de comparer directement entre eux des ventilateurs de différents diamètres. Les ventilateurs avec des vitesses maximales de l’air du ventilateur plus élevées produiront des vitesses maximales de l’air dans la pièce plus élevées, indépendamment du diamètre du ventilateur. Par exemple, la Figure 21 montre un échantillon de ventilateurs de MAEDbS. En utilisant la vitesse de l’air du ventilateur comme métrique au lieu du débit d’air nominal (voir Figure 20), on peut comparer directement les ventilateurs entre eux même si le diamètre diffère de manière substantielle. Cela est utile dans les cas où l’objectif de conception est la vitesse maximale de l’air directement sous le ventilateur.
La plupart des ventilateurs standards possèdent typiquement un nombre fixe de niveaux de vitesse. Bien que certains de ces ventilateurs offrent une large gamme de niveaux de vitesse (6 ou plus), la grande majorité d’entre eux n’en possèdent que 3. Ce sont généralement des ventilateurs standards équipés de moteurs à courant alternatif (AC), tandis que les ventilateurs équipés de moteurs à courant continu (DC) ont tendance à proposer davantage de niveaux de vitesse. Peu importe le type de moteur, les ventilateurs de grand diamètre sont typiquement à vitesse variable.
La vitesse de rotation minimale sur les ventilateurs avec seulement 3 niveaux de vitesse est souvent encore assez élevée, et la vitesse minimale peut souvent générer environ 0.76 mètres par seconde (m/s) en moyenne pour une personne assise directement sous le ventilateur, ce qui équivaut à plus de 2,8 °C d’effet de refroidissement. Avoir une vitesse minimale élevée peut être problématique dans certaines applications, comme lorsqu’il y a des occupants situés directement sous les ventilateurs pendant de longues périodes (par exemple, dans un bureau) ou lorsque le ventilateur est utilisé pour déstratifier un espace en mode chauffage. La raison est que la vitesse minimale peut générer un effet de refroidissement trop important pour les occupants lorsque les températures sont douces ou fraîches, et ils ne peuvent pas réduire davantage la vitesse sans éteindre le ventilateur. En revanche, une vitesse minimale élevée est moins préoccupante dans les espaces occupés de manière transitoire, là où les occupants peuvent se déplacer librement.
De manière générale, dans la plupart des applications, il est souhaitable d’avoir davantage de niveaux de contrôle de la vitesse, particulièrement un niveau minimal suffisamment lent pour qu’il génère de faibles vitesses d’air directement sous le ventilateur.
Une approximation raisonnable est que la vitesse d’air minimale du ventilateur devrait être inférieure à 0,4 m/s, ou un effet de refroidissement de 1,7 °C à la hauteur minimale autorisée des pales, selon les spécificités de l’application (voir la section Applications, ci-dessous).
Indice de protection (IP), évaluation pour environnements humides, et évaluation pour conditions d’exposition à l’eau
Pour une combinaison de moteur, d’entraînement et de contrôleur, il peut être utile de vérifier l’Indice de Protection (IP) du ventilateur défini par la norme IEC 60529. L’indice IP décrit la capacité d’un boîtier électrique à empêcher l’eau et les solides de pénétrer. Un ventilateur à entraînement direct ou à entraînement par engrenage avec un indice IP plus élevé signifie que le ventilateur est adapté pour fonctionner dans des environnements ou conditions difficiles, ce qui peut être requis pour l’application envisagée.
De même, tout ventilateur de plafond destiné à des applications extérieures doit être évalué pour une utilisation en extérieur. UL (Underwriters Laboratories) (qui correspond au marquage CE aux USA) fournit des évaluations « pour emplacements humides » et « pour emplacements exposés à l’eau » pour les produits électriques tels que l’éclairage et les ventilateurs de plafond. Les ventilateurs de plafond évalués pour emplacements humides peuvent être installés dans des lieux couverts où ils peuvent être exposés à l’humidité, mais ne peuvent pas être directement exposés à l’eau comme la pluie ou un tuyau d’arrosage. Les ventilateurs de plafond évalués pour conditions d’exposition à l’eau peuvent être directement exposés à la pluie ou lavés au tuyau d’arrosage.
Uniformité des vitesses de l’air
La variation des vitesses de l’air dans un espace est une considération de conception importante. La figure 23 ci-dessous montre les vitesses d’air mesurées dans une section transversale à travers une pièce de 5,5 m x 5,5 m avec un ventilateur de plafond de 1,5 m de diamètre situé au centre de la pièce. Le flux d’air du ventilateur se rétrécit immédiatement à un diamètre légèrement plus petit que les pales du ventilateur. Le flux atteint ensuite sur le sol, créant un point de stagnation, puis se propage radialement vers l’extérieur le long du sol. Les ventilateurs de plus petit diamètre ont une zone de propagation relativement peu profonde.
Dans le cas présenté ci-dessous, les vitesses de l’air dans la zone de propagation sont encore élevées le long du sol à une distance d’un diamètre de ventilateur du centre du ventilateur. Cependant, les vitesses de l’air sont presque inchangées à une hauteur de 0,5 à 0,7 m au même endroit. En revanche, les ventilateurs de plus grand diamètre ont une zone de propagation plus profonde. Pour les ventilateurs de 3 m de diamètre ou plus, la hauteur de la zone de propagation à une distance d’un diamètre de ventilateur du centre est approximativement la hauteur d’une personne moyenne. Cependant, les ventilateurs de grand diamètre ont des vitesses d’air plus basses directement sous le centre du ventilateur, près du point de stagnation.
Comme le montre la figure 24, plus le rapport entre le diamètre du ventilateur et la taille de la pièce est grand, plus la distribution des vitesses de l’air sera uniforme dans la pièce.
Que cette uniformité ou variabilité soit préférable, ou que ni l’une ni l’autre ne soit particulièrement pertinente dépend grandement du type d’espace et de la manière dont les occupants utilisent cet espace. Même dans des conditions environnementales identiques, les besoins de confort des occupants varient significativement en fonction des préférences individuelles, du niveau d’habillement, des taux métaboliques, et de leur historique thermique.
Dans de nombreux cas, la variabilité des vitesses d’air créée par un ventilateur de plafond peut aider à adresser ces différences et améliorer globalement le confort des occupants. Par exemple, dans des espaces où les occupants peuvent facilement se déplacer, comme un hall d’entrée, un gymnase ou un espace événementiel, la variabilité est probablement bénéfique puisque les besoins de confort de différents occupants peuvent être satisfaits en choisissant leur emplacement dans l’espace.
De même, dans des espaces où existe une certaine non-uniformité thermique spatiale due à une caractéristique architecturale ou à des niveaux d’activité variables dans l’espace, cibler le mouvement de l’air en conséquence peut améliorer le confort. Par exemple, l’impact sur le confort thermique d’une augmentation du rayonnement solaire près d’une façade mal ombragée et fortement vitrée pourrait être compensé en plaçant des ventilateurs de plafond près de la façade. D’autres exemples pourraient être de placer des ventilateurs de plafond au-dessus du public au-dessus d’une zone de piste de danse, ou devant la cuisinière dans une cuisine.
En revanche, dans des espaces où les occupants ne peuvent pas facilement se déplacer, particulièrement ceux où les occupants seront à ces emplacements pour de longues périodes, l’uniformité (ou un contrôle plus granulaire) est probablement bénéfique car il n’y a aucun moyen de garantir que la personne qui se sent la plus chaude se trouve là où les vitesses de l’air sont les plus élevées dans la pièce. Les exemples incluent un bureau partagé avec des places attribuées. Il existe également des applications où ni l’uniformité ni la variabilité ne sont particulièrement pertinentes. Par exemple, un bureau privé où le seul occupant a le contrôle de la vitesse du ventilateur.
Le schéma de flux de la Figure 25 ci-dessous offre un guide rapide à travers les différents problèmes à considérer concernant la distribution de la vitesse de l’air dans l’espace.
Sélection de la taille des ventilateurs et détermination de la disposition
Déterminer la taille de ventilateur appropriée et la disposition est crucial pour un refroidissement efficace par les ventilateurs de plafond. Les vitesses d’air les plus élevées – et donc les effets de refroidissement les plus importants – d’un ventilateur de plafond sont ressenties directement sous le ventilateur et diminuent plus un occupant est éloigné du ventilateur. Le mouvement de l’air et l’effet de refroidissement associé sont également impactés par des obstructions telles que les meubles, les cloisons ou l’équipement. Toute obstruction permanente doit être prise en compte dans la détermination des dispositions des ventilateurs, mais les espaces qui peuvent changer de disposition au fil du temps doivent prendre cela en compte pour cette application particulière.
Les considérations doivent également inclure l’intention de conception globale pour l’application du ventilateur de plafond, y compris l’uniformité de vitesse d’air souhaitée et la couverture globale de l’espace. Les espaces susceptibles de bénéficier d’une plus grande uniformité nécessiteront des ventilateurs plus grands ou plus nombreux que les espaces susceptibles de bénéficier de la variabilité (voir la section Applications ci-dessous pour des directives recommandées). La taille et la disposition des ventilateurs doivent également tenir compte des exigences du code pertinent (voir la section Codes et Normes ci-dessous) et des conflits potentiels et des exigences d’espacement des autres systèmes du bâtiment tels que les gicleurs d’incendie et l’équipement d’éclairage.
Pour maximiser l’uniformité des vitesses d’air dans un espace avec des ventilateurs de plafond standards, choisissez le plus grand ventilateur possible qui s’adapte à l’espace tout en maintenant une hauteur de montage appropriée, et des dégagements par rapport aux murs et autres obstructions (voir Hauteur de Montage du Ventilateur et Dégagements, ci-dessous). Pour les petites pièces approximativement carrées telles que les espaces résidentiels ou les bureaux privés, où un seul ventilateur est requis, une règle simple est que le diamètre du ventilateur devrait être entre 0,2 et 0,4 fois la largeur caractéristique de la pièce, comme le montre la Figure 26. Pour les espaces avec un seul ventilateur, autant que possible compte tenu des considérations pratiques, le ventilateur devrait être centré dans la pièce pour maximiser l’uniformité de la vitesse de l’air. Généralement, un seul ventilateur centré dans un espace peut efficacement servir un espace rectangulaire avec un ratio d’aspect (longueur/largeur) allant jusqu’à 1,5:1. Les espaces rectangulaires avec des ratios d’aspect plus élevés, ou d’autres formes non conventionnelles, bénéficient de plusieurs ventilateurs pour assurer des vitesses d’air relativement uniformes dans l’espace. Pour les formes rectangulaires (et autres formes non conventionnelles), la largeur caractéristique de la pièce est la racine carrée de la superficie au sol. Par exemple, pour une pièce rectangulaire de 5,5 m x 7,6 m, la largeur caractéristique est de 6,4 m, et en utilisant la règle simple ci-dessus, cela donne des diamètres de ventilateur entre 1,3 et 2,6 m.
Pour les espaces nécessitant plusieurs ventilateurs, la disposition générale doit être déterminée en subdivisant l’espace en plusieurs « zones de ventilateurs » approximativement carrées et égales, puis en centrant un ventilateur de plafond dans chaque zone, comme illustré dans la Figure 27 ci-dessous.
La taille des zones de ventilateurs est largement déterminée par les dimensions globales de l’espace et la taille préférée des ventilateurs de plafond à utiliser. Dans de nombreux cas, il peut y avoir une variété d’options pour la taille des zones de ventilateurs et le diamètre des ventilateurs. Si on dispose de moins de grandes zones de ventilateurs, elles nécessitent des ventilateurs de plus grand diamètre, tandis qu’un plus grand nombre de petites zones de ventilateurs nécessitera des ventilateurs de plus petit diamètre.
Lorsque tous les ventilateurs fonctionnent à la même vitesse, les zones de ventilateurs individuelles dans de grands espaces se comportent beaucoup comme des petits espaces avec un seul ventilateur, et en tant que tel, devraient viser un rapport de forme ne dépassant pas 1,5:1.
Pour des rapports supérieurs à cette valeur, il est probablement possible et bénéfique de diviser cette zone en deux zones plus petites avec des rapports de forme plus petits. Comme avec les petits espaces à un seul ventilateur, les diamètres des ventilateurs doivent être au moins compris entre 0,2 et 0,4 fois la largeur caractéristique de la zone de ventilateur. Des valeurs plus élevées augmenteront l’uniformité des vitesses d’air dans tout l’espace.
L’espacement entre les ventilateurs doit être déterminé en centrant autant que possible le ventilateur dans chaque zone de ventilateur et doit prendre en considération les besoins en uniformité des vitesses d’air dans l’espace. Les espaces nécessitant une grande uniformité peuvent nécessiter des ventilateurs plus grands et un espacement plus rapproché des ventilateurs.
Les grands espaces avec des plafonds hauts (d’au moins 3,35 mètres) devraient également envisager l’utilisation de ventilateurs de plafond de grand diamètre pour maximiser le flux d’air et l’uniformité des vitesses d’air, tant horizontalement que verticalement. Un autre outil pour déterminer les diamètres de ventilateur optimaux et les dispositions est l’outil de conception de ventilateurs de plafond CBE, qui permet aux utilisateurs de spécifier les dimensions d’un espace et les détails des types de ventilateurs pour déterminer le calepinage. Plus de détails sur cet outil sont fournis dans la section de l’outil de conception de ventilateurs de plafond CBE ci-dessous.
Hauteur de Montage des Ventilateurs et Dégagements
Un autre élément clé à considérer pour l’efficacité des ventilateurs de plafond est la hauteur de montage et les dégagements. Les hauteurs de montage et les dégagements par rapport aux murs et autres obstructions sont déterminés en fonction de considérations de sécurité et de performance.
Les ventilateurs de plafond standards doivent être montés à au moins 2,13 mètres au-dessus du sol pour éviter tout contact accidentel avec les pales.
De plus, les normes de l’industrie recommandent que les pales des ventilateurs soient à au moins 20 centimètres en dessous du plafond, bien que des dégagements de 30 centimètres ou plus soient plus optimaux pour permettre la circulation de l’air dans la zone balayée par les pales et éviter le phénomène d’étouffement du ventilateur. La distance entre les pales et le plafond à laquelle se produit l’étouffement augmente avec le diamètre du ventilateur. Une approximation pour cela est que la distance entre la pale et le plafond doit être d’au moins 0,2 fois le diamètre du ventilateur.
Pour les espaces avec des plafonds relativement bas, des ventilateurs de plafond « hugger » (voir la section Types de Ventilateurs) sont disponibles sans extension pour maintenir un dégagement adéquat, bien que ces ventilateurs aient généralement une performance énergétique inférieure à celle des ventilateurs standards montés à une distance appropriée du plafond.
Dans les espaces avec des plafonds plus hauts, les ventilateurs de plafond standards devraient être suspendus sur des extensions à une hauteur de 2,44 à 3,05 mètres au-dessus du sol pour refroidir adéquatement les occupants. De plus, les ventilateurs de plafond standards doivent être situés de manière à ce que le balayage des pales soit à au moins 46 centimètres de toute obstruction verticale telle que murs ou colonnes, bien que des dégagements de 60 à 90 centimètres sont souvent recommandés pour permettre une circulation d’air adéquate.
Les réglementations de sécurité exigent que presque tous les ventilateurs de grand diamètre (au-dessus de 2,13 mètres, voir la section Types de Ventilateurs) soient montés de sorte que les pales soient à au moins 3,05 mètres au-dessus du sol.
Un petit nombre de modèles de ventilateurs de plafond de grand diamètre peuvent être montés en dessous de 3,05 mètres, mais ces modèles de ventilateurs ont des vitesses de rotation limitées pour se conformer aux réglementations de sécurité et, de ce fait, fournissent des débits d’air maximaux limités. Comme mentionné précédemment, les ventilateurs de plafond de grand diamètre nécessitent généralement une distance minimale du plafond équivalente à 0,2 fois le diamètre du ventilateur, bien que les recommandations des fabricants puissent varier. De même, les ventilateurs de grand diamètre nécessitent généralement au moins 0,91 mètre de dégagement par rapport à toute obstruction sur les côtés ou en dessous des pales du ventilateur pour la sécurité et pour garantir un flux d’air approprié autour des pales du ventilateur.
En plus des distances par rapport aux plafonds, aux sols et aux murs, l’emplacement des ventilateurs doit également prendre en compte tout autre obstacle dans l’espace, y compris l’éclairage, les équipements mécaniques et les conduits, les systèmes de sprinklers, les rayonnages de stockage d’entrepôts, ainsi que toute exigence de code pertinente (voir la section Codes et Normes ci-dessous). Par exemple, lors de la planification de l’installation de ventilateurs de plafond de grand diamètre dans un entrepôt, les ventilateurs doivent être montés à au moins 0,91 mètre au-dessus du niveau le plus élevé de tout rayonnage, des articles stockés, et de la hauteur maximale de tout autre équipement qui peut être utilisé dans l’espace, comme les chariots élévateurs. L’emplacement des ventilateurs et la hauteur de montage doivent également prendre en considération tout placement potentiel de mobilier, même si celui-ci peut ne pas être permanent. Les armoires ou les bibliothèques hautes peuvent interférer avec le fonctionnement du ventilateur ou causer des risques de sécurité si elles sont placées trop près des ventilateurs de plafond.
Éclairage
Dans la mesure du possible, la conception de l’éclairage et la disposition des ventilateurs de plafond devraient être développées en coordination. Bien que de nombreux ventilateurs de plafond soient disponibles avec un éclairage intégré, les lumières typiques des ventilateurs de plafond peuvent être insuffisantes pour de nombreuses applications. La plupart des applications seront mieux servies par un système d’éclairage indépendant ou en complément des ventilateurs de plafond.
La principale préoccupation lors de la coordination des systèmes d’éclairage et des ventilateurs de plafond est le potentiel d’effet de scintillement ou de stroboscope causé par les pales du ventilateur traversant le faisceau de lumière ou intersectant la ligne de vue d’un occupant vers la source lumineuse. Pour éviter cela, disposez les ventilateurs de plafond et les luminaires de manière à ce que la majeure partie de la distribution de la lumière ne croise pas le balayage des pales du ventilateur. Idéalement, les luminaires doivent être suspendus au niveau des pales du ventilateur ou en dessous. Les luminaires ne doivent jamais être placés directement au-dessus des pales du ventilateur, et les luminaires à source ponctuelle et encastrés doivent être situés de sorte que l’angle du faisceau ne croise pas les pales du ventilateur. Les sources plus diffuses, telles que les luminaires encastrés fluorescents de type troffer, peuvent être quelque peu moins susceptibles aux effets de stroboscope dus à l’interaction avec les ventilateurs de plafond, mais leur placement doit toujours être soigneusement considéré par rapport aux ventilateurs de plafond.
En général, tout luminaire encastré dans le plafond et les luminaires qui émettent de la lumière au-dessus du niveau des pales du ventilateur devraient être placés aussi loin que possible du ventilateur de plafond tout en maintenant des niveaux de lumière uniformément appropriés. Lors de l’utilisation de dispositions uniformes de luminaires encastrés dans une grille de plafond, les ventilateurs devraient être approximativement centrés entre quatre luminaires
Le choix des luminaires doit également être soigneusement considéré en relation avec les ventilateurs de plafond. Par exemple, le mouvement de l’air provenant des ventilateurs de plafond peut faire osciller ou balancer les luminaires suspendus. Cependant, les luminaires suspendus sur des rampes ou des montages en tuyaux (comme les luminaires pour les zones à grande hauteur dans les contextes industriels et d’entrepôt) peuvent être avantageux car ils peuvent être montés approximativement au même niveau que les pales des ventilateurs pour éliminer le risque de tout effet stroboscopique. Comme toujours, suivez les recommandations du fabricant et les directives de ce document concernant les dégagements minimaux autour des pales des ventilateurs pour garantir la sécurité et le bon fonctionnement du ventilateur.
Pour obtenir les meilleurs résultats, les dispositions des ventilateurs de plafond et de l’éclairage devraient être développées en coordination minutieuse pour optimiser à la fois la vitesse de l’air et la distribution de la lumière dans un espace. Pour les nouvelles constructions, l’équipe de projet devrait prévoir et planifier le temps nécessaire pour coordonner ces éléments, et d’autres (sprinklers, etc.), avec les membres pertinents de l’équipe de conception.
