Comment faire des économies de chauffage dans les bâtiments d’enseignement de grande hauteur tout en gardant un volume sonore faible ? Étude à l’appui, car article vous explique le fonctionnement des brasseurs d’air de plafond.
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Dans les bâtiments dédiés à l’enseignement, quand les espaces sont de grande hauteur, les architectes et les ingénieurs CVC ainsi que les gestionnaires de ces bâtiments doivent se pencher sur la question de la stratification thermique.
Pour les écoles et les universités, cela est particulièrement problématique pendant les mois d’hiver. Comme il est naturel que la chaleur monte, les zones avec des grandes hauteurs sont difficiles à chauffer, avec des températures plus fraîches au niveau du sol et des températures plus élevées près du plafond.
La question est de savoir comment faire descendre cet excès de chaleur au niveau des occupants.
Dans les bâtiments d’enseignement, le bruit et le volume sonore sont des sujets importants.
Une solution consiste à utiliser des ventilateurs brassant de gros volumes à faible vitesse (HVLS) pour compléter les systèmes CVC en réduisant la stratification thermique sans augmenter le bruit de fond. Par exemple, dans les environnements éducatifs, l’American Speech-Language-Hearing Association recommande de maintenir les niveaux de bruit de fond à un niveau inférieur à 35 dBA.
Une étude a été menée avec des ventilateurs déstratificateurs à l’école Cassidy (USA)
Une étude a été menée en collaboration avec le fabricant de brasseurs d’air Big Ass Fans dans la bibliothèque de l’école primaire Cassidy à Lexington, Kentucky (USA).
Cette étude a pour but de tester l’idée d’utiliser des ventilateurs HVLS pour réduire la stratification thermique, tout en ayant un impact minimal sur le bruit de fond.
Les occupants de la bibliothèque sont principalement des élèves de la maternelle au CM2 et quelques adultes (bibliothécaires et enseignants).
La bibliothèque se compose d’un espace central long, étroit et haut (environ 23 mètres de longueur sur 5 mètres de largeur), avec un plafond de 10 mètres de haut donnant sur les étages supérieurs via des fenêtres (voir la photo 1). Deux côtés de la bibliothèque sont ouverts sur la pièce centrale ; ces sections ont des plafonds de 2,9 mètres de haut. Le système de CVC (Chauffage, Ventilation et Climatisation) alimente en air trois diffuseurs à fentes situés dans le grand espace central, à une hauteur d’environ 3,4 mètres au-dessus du sol, tandis que l’air est renvoyé par des diffuseurs de plafond dans les deux espaces latéraux inférieurs.
Une première installation de brasseurs d’air était trop bruyante
L’école a ouvert ses portes après avoir été rénovée et les occupants ont noté une stratification thermique significative dans l’espace central de la bibliothèque. Pour remédier à ce problème, le gestionnaire de l’établissement scolaire a installé deux ventilateurs HVLS industriels à six pales, de 2,44 mètres de diamètre, dans la bibliothèque à une hauteur de 7,47 mètres au-dessus du sol. Bien que ces ventilateurs aient été installés correctement et aient contribué à réduire la stratification thermique dans l’espace comme prévu, les occupants de la bibliothèque ont trouvé les ventilateurs bruyants et distrayants. Ils ont été éteints et on ne les a jamais plus utilisés.
Les ventilateurs Big Ass Fans ont donné satisfaction
Lors de l’étude, on a installé deux ventilateurs HVLS Big Ass Fans à huit pales, de 3,05 mètres de diamètre dans la bibliothèque. Les données ont été collectées sur une période de deux semaines, les ventilateurs étant éteints une semaine et allumés la semaine suivante. Les ventilateurs ont été utilisés en marche avant à 30 % du RPM maximum. (RPM Round per minute)
Au cours de cette étude de deux semaines, des données de température et d’humidité relative ont été collectées à trois hauteurs au-dessus de l’espace central de la bibliothèque : 1,22 mètre, 3,35 mètres et 5,49 mètres. La Figure 1 ci-dessous illustre l’emplacement des ventilateurs (cercles jaunes), des capteurs de température et d’humidité (points orange), ainsi que l’endroit où la vitesse de l’air (points bleus) et les mesures acoustiques (points verts) ont été collectées. Les rectangles gris et verts représentent les étagères et les comptoirs. Des capteurs ont été placés sur les panneaux électriques pour mesurer les temps de fonctionnement des chauffages desservant la bibliothèque.
Il est important de comprendre que les deux ventilateurs utilisés dans cette étude fonctionnaient dans le sens normal de rotation à des vitesses qui ne provoquaient pas de courant d’air perceptible au niveau des occupants.
Comme le montre la figure ci-dessous, les vitesses d’air inférieures à 30 FPM (feet per minute) ne créent pas d’effet de refroidissement perceptible (courant d’air) au niveau des occupants. Les vitesses d’air de 30 FPM et plus créent un courant d’air pour les occupants.
La figure ci-dessous, qui montre la corrélation entre le refroidissement perçu et les vitesses d’air élevées, a été créée à l’aide de l’outil de l’UC Berkeley – CBE Thermal Comfort Tool de l’Université de Berkeley et est basée sur la norme ANSI/ASHRAE 55-2013.
La stratification thermique a été réduite
De 8h00 à 15h15, la bibliothèque était généralement occupée par des étudiants, des enseignants et deux bibliothécaires.
Pendant le déjeuner, l’espace était inoccupé. Les données de température et d’humidité relative ont été collectées quotidiennement de 7h30 à 16h00, à l’aide d’enregistreurs qui effectuaient les relevés toutes les minutes.
Des capteurs de température ont été placés sur trois grilles d’alimentation en air, qui étaient connectées à la même unité centrale de traitement de l’air. Les données ont montré que l’air fourni par chaque grille était à la même température. La figure 3 ci-dessous montre les résultats du capteur de la première unité pour les deux semaines de collecte de données, superposés sur la même échelle de temps à des fins de comparaison. Au cours des semaines 1 et 2, l’unité était en mode de chauffage constant.
La figure 4, ci-dessous, montre les relevés de température et d’humidité relative recueillis par les enregistreurs de données à trois hauteurs différentes. Les résultats de la première semaine (avec les ventilateurs éteints) montrent une nette différence de température à chacune des trois hauteurs, avec des températures plus élevées aux niveaux supérieurs. Au cours de la première semaine, la différence de température maximale (indiquée en or au bas du graphique) était de 4,3 degrés Fahrenheit soit 2,4°C.
Lorsqu’on compare les températures des deux semaines (voir figure 5 ci-dessous), le changement est spectaculaire.
Avec les ventilateurs en marche, les températures à différentes hauteurs sont très homogènes.
Le temps de fonctionnement du chauffage a diminué
Les ventilateurs HVLS de la bibliothèque ont également réduit le temps de fonctionnement du système de chauffage. Au cours des quatre premiers jours d’essais avec les ventilateurs éteints au cours de la première semaine, le chauffage desservant la bibliothèque a fonctionné pendant un total de 11 heures et 21 minutes.
Au cours des quatre premiers jours de test avec les ventilateurs en marche pendant la deuxième semaine, le chauffage a fonctionné pendant 9 heures et 34 minutes au total. Il s’agit d’une diminution de 15,7 % de la durée totale de fonctionnement comme le montre la figure 6 ci-dessous.
Le niveau sonore n’a pas augmenté
Des données acoustiques ont été recueillies pour illustrer la différence de bruit entre les ventilateurs HVLS industriels à six pales, d’un diamètre de 2,44 mètres, entraînés par engrenage et les ventilateurs Big Ass Fans HVLS à huit pales, d’un diamètre de 3 mètres, à entraînement direct.
Pour comparer précisément les deux ventilateurs, on les a fait fonctionner à des vitesses qui créent des courants d’air similaires au niveau des occupants.
Ces données ont été collectées à la vitesse la plus élevée à laquelle les ventilateurs pouvaient fonctionner sans déranger le fonctionnement de la bibliothèque.
Les résultats des données acoustiques collectées lorsque les ventilateurs HVLS industriels à six pales ne fonctionnaient pas ont été de 42,3 dBA ce qui correspond au bruit de fond ambiant. La signature acoustique des ventilateurs lorsqu’ils fonctionnaient a été mesurée à 53,3 dBA – une augmentation de 9 dBA. Lorsque le son augmente de 10 dB, le son est environ deux fois plus fort. Une différence de 9 décibels est presque deux fois plus forte que les niveaux de bruit de fond initiaux.
Sans les deux ventilateurs HVLS commerciaux à huit pales de 10 pieds de diamètre à entraînement direct de Big Ass Fans en fonctionnement, le niveau de bruit de fond était de 36,7 dBA. Lorsque les ventilateurs étaient en marche, le niveau acoustique était de 40,2 dBA – une augmentation de 3,5 dBA (voir la Figure 7 ci-dessous).
Figure 7 Profil acoustique des ventilateurs Big Ass Fans à 8 pales à vitesse maximale.
Les ventilateurs HVLS Big Ass Fans à huit pales utilisés pendant l’étude ont également été testés à 30% de leur vitesse maximale, qui est la vitesse utilisée pendant les deux semaines de l’étude. Dans la figure 8 ci-dessous, les résultats montrent une signature acoustique de 38,5 dBA (par rapport à une ligne de base de 36,8 dBA lorsque les ventilateurs sont éteints), soit une augmentation de 1,7 dBA. Par conséquent, les deux ventilateurs HVLS Big Ass Fans à huit pales ont eu un impact minimal sur le niveau de bruit acoustique dans la bibliothèque.
CONCLUSION : 3 impacts positifs des brasseurs d’air Big Ass Fans
Dans les établissements d’enseignement, la conception de salles de grande hauteur nécessite de prendre en compte de nombreuses variables afin d’éviter les effets qui peuvent déconcentrer les élèves..
Cette étude s’est concentrée sur l’utilisation de ventilateurs HLVS pour réduire la stratification thermique, ainsi que sur la réduction du bruit de fond créé par ces ventilateurs.
Lorsque les deux ventilateurs HVLS Big Ass Fans à huit pales, d’un diamètre de 3 mètres et à entraînement direct ont été installés, trois choses se sont produites
- Le chauffage a fonctionné moins souvent.
- La stratification thermique a été réduite.
- Il y a eu une augmentation minime du niveau de bruit de fond lorsque les ventilateurs étaient en marche.
