Les brasseurs d’air permettent de réduire la consommation d’énergie dans les hangars en période de chauffage. Etude à l’appui, cet article vous démontre comment.
Un article rédigé à partir d’un article Big Ass Fans / Ashrae
Vous souhaitez déstratifier l’air de votre hangar ?
Demandez un devis maintenant
La stratification thermique de l’air se produit lorsque l’air chaud s’élève en raison de sa densité plus faible par rapport à l’air ambiant. Ce phénomène crée un gradient thermique du sol au plafond.
L’air chaud stagne généralement au plafond des grands bâtiments tels que les hangars, en raison d’un manque de circulation d’air. La stratification de l’air constitue un facteur important à prendre en compte pour réaliser des économies d’énergie dans les bâtiments dotés de hauts plafonds ; une température de l’air élevée au niveau du plafond accroît le taux de perte de chaleur à travers l’enveloppe du bâtiment. Il existe une opportunité significative de réduire les coûts de chauffage annuels en réduisant la stratification du sol au plafond.
La stratification de l’air dans les hangars d’aéroport
Les aéroports peuvent réaliser des économies d’énergie par le biais de la déstratification de l’air, car de nombreux bâtiments présentent de vastes espaces ouverts avec de hauts plafonds. Pour répondre aux exigences de confort thermique, le chauffage des hangars d’aéroport nécessite souvent de grandes quantités d’énergie et entraîne une quantité excessive d’émissions. Comme de nombreux autres secteurs de l’industrie, les aéroports sont désormais soumis à la pression d’utiliser des systèmes économes en énergie et de se conformer à des réglementations de plus en plus strictes, tout en assurant le confort thermique des occupants, le tout dans le but de réduire les coûts d’exploitation et l’empreinte carbone.
Les ventilateurs à haut volume et basse vitesse (HVLS) sont un moyen notable et pratique de réduire le gradient de température du sol au plafond dans de grands espaces. Les ventilateurs HVLS de grand diamètre font descendre l’air depuis le haut du bâtiment et à basse vitesse pendant l’hiver pour mélanger l’air chaud au plafond avec l’air plus frais au sol, sans créer la sensation de courant d’air indésirable sur la peau des occupants.
L’étude présentée dans cet article vise à quantifier les effets sur le coût de l’énergie et la consommation résultant de l’utilisation d’un ventilateur HVLS pour la déstratification de l’air dans un hangar d’aéroport.
Méthode de l’étude réalisée
Le bâtiment utilisé pour l’étude a une superficie de 1 400 mètres carrés, une hauteur de plafond maximale d’environ 12 mètres et une hauteur de 6 mètres au niveau de l’avant-toit. Il est situé à Frankfort, Kentucky, USA.
Un ventilateur HVLS d’un diamètre de 6 mètres a été installé au centre du bâtiment, avec des pales à environ 8 mètres du sol. L’objectif principal de cette étude est de mesurer et d’évaluer les impacts énergétiques et financiers associés à l’utilisation d’un ventilateur HVLS pour la déstratification de l’air pendant la saison froide.
Enregistreurs de température
Les températures de l’air ont été observées à l’aide d’enregistreurs de température et d’humidité, comme illustré. Trois enregistreurs ont été placés le long du mur arrière du bâtiment à des hauteurs de 5 mètres, 4,6 mètres et 10,7 mètres au-dessus du sol. Un enregistreur supplémentaire a été placé dans un endroit abrité à l’extérieur du bâtiment pour collecter les données de température de l’air extérieur. Les enregistreurs ont été configurés pour collecter une donnée toutes les 5 minutes.
Chauffages à gaz
Des chauffages à gaz naturel à air pulsé sont utilisés pour chauffer le bâtiment. Un seul chauffage était situé à chaque coin du hangar, près du plafond. Tous les chauffages à air pulsé sont évalués à environ 73 kW. Un compteur numérique dédié a été installé sur la ligne d’approvisionnement en gaz naturel pour surveiller la consommation de gaz pendant la durée de l’étude. La température de consigne de l’espace était de 18°C.
Fonctionnement du ventilateur de plafond
Le ventilateur HVLS a été exploité selon un calendrier hebdomadaire alternatif. L’exploitation alternée du ventilateur a permis de garantir la cohérence de la collecte de données et de permettre la stratification lorsque le ventilateur était éteint. La collecte de données a débuté le 2 novembre.
Lors de la semaine où le ventilateur était en fonction, la vitesse était maintenue à 25 % de la vitesse de fonctionnement maximale pour assurer un mélange continu de l’air. À 25 % de vitesse, le ventilateur consommait environ 100 watts. Lorsque le ventilateur était en marche, il restait opérationnel pendant un total de 24 heures réparties sur une période de 16 jours.
Avec un coût de l’électricité de 0,18 € par kilowatt-heure, le coût de l’électricité équivaut à 3,3 € par semaine. Le ventilateur fonctionnait uniquement en direction descendante, créant une colonne d’air plus chaud se déplaçant directement vers le niveau des occupants et du thermostat. La vitesse du ventilateur a été choisie de manière à ce que le mouvement de l’air généré par le ventilateur n’interfère pas avec les opérations des collaborateurs ou ne crée pas de sensation de courant d’air notable (environ 0,15 m/seconde), conformément à la norme ANSI/ASHRAE Standard 55-2017 au niveau des occupants. La Figure 3 montre l’emplacement du ventilateur au centre du bâtiment.
Résultats de l’étude de déstratification et options
Scénario : 1 Ventilateur éteint
La Figure 4 montre la comparaison entre les températures de l’air intérieur à différentes hauteurs, ainsi que la température extérieure, pour la semaine du 2 novembre avec le ventilateur éteint.
La température varie considérablement en fonction de la hauteur de l’espace. La température intérieure maximale enregistrée était de 27°C à 10,7 m le 6 novembre, avec une température extérieure moyenne de 11°C enregistrée sur place.
Selon le Tableau 1, au cours de la semaine enregistrée où le ventilateur était éteint, les températures les plus élevées étaient systématiquement enregistrées au niveau de 10,7 m, tandis que les températures les plus basses sont restées au niveau de 1,5 m. Le gradient de température quotidien moyen maximum de 4,7°C entre le niveau de 10,7 m et le niveau de 1,5 m a eu lieu le 6 novembre, tandis que la température extérieure était l’une des plus basses enregistrées au cours de la semaine. La pertinence du différentiel de température étant le plus élevé par temps froid est illustrée par le fait que les chauffages à gaz fonctionnaient plus fréquemment, consommant ainsi plus de gaz naturel.
Scénario : 2 ventilateurs en marche
Le deuxième ensemble de données, Figure 5, affiche les températures de l’air intérieur mesurées au cours de la semaine du 9 novembre au 16 novembre, ainsi que la température de l’air extérieur, avec le ventilateur en marche lente dans la direction descendante. Le Tableau 2 montre les températures moyennes quotidiennes lorsque le ventilateur était en marche, ainsi que les gradients de température entre 1,5 m à 10,7 m et entre 4,6 m à 10,7 m au-dessus du sol.
Contrairement à la situation où le ventilateur était éteint, les températures intérieures, à toutes les hauteurs, étaient nettement plus uniformes, comme le montre la Figure 5. Le gradient de température moyen quotidien maximum enregistré au cours de l’étude a eu lieu le 16 novembre, à 0,7°C entre 1,5 m à 10,7 m. La température moyenne de l’air extérieur était l’une des plus basses de la semaine, à 11,7°C, ce qui signifie que par temps froid, lorsque les chauffages à gaz fonctionnaient fréquemment, la stratification était considérablement réduite par rapport aux mesures « ventilateur éteint » dans le bâtiment. De plus, les températures de l’air plus basses dans la partie haute de l’espace réduisent la différence entre la température intérieure et la température extérieure. Dans l’ensemble, les gradients de température pour 1,5 m à 10,7 m et 4,6 m à 10,7 m sont restés inférieurs à 0,7°C, malgré des températures de l’air extérieur plus froides qu’en l’absence du ventilateur.
Temps de déstratification et de restratification
La Figure 6 compare la durée nécessaire pour que les températures de l’air intérieur atteignent un profil presque uniforme à toutes les hauteurs du bâtiment. Le graphique indique le moment où le ventilateur a été allumé, la durée pendant laquelle le mélange a eu lieu et le point où le gradient de température a été réduit au minimum.
La variation de la température intérieure dans la Figure 6 montre la stratification de l’air avant l’allumage du ventilateur, les conditions de mélange instables dues au fonctionnement du ventilateur, et enfin les températures presque uniformes à toutes les hauteurs enregistrées. À partir de 20h40 le 9 novembre, il n’a fallu que 10 minutes de mélange pour que la différence de température soit réduite à moins de 0,6°C.
La Figure 7 montre le temps nécessaire après l’extinction du ventilateur pour que la température intérieure retrouve une stratification.
Lorsque le ventilateur a été éteint le 16 novembre à 7h45, l’air chauffé a commencé à se stratifier de nouveau dans le bâtiment avec une différence de température de 1,7°C entre les enregistreurs de température à 1,5 m et à 10,7 m. Il a fallu 10 minutes pour que l’air se stratifie à nouveau. Le retour rapide à l’air stratifié indique que les ventilateurs doivent être utilisés de manière continue ou presque continue pendant la saison froide pour minimiser les pertes de chaleur à travers l’enveloppe.
Consommation de gaz
L’utilisation des chauffages à gaz a également été surveillée au cours des mêmes semaines, avec le Tableau 3 résumant l’utilisation lorsque le ventilateur était éteint, et le Tableau 4 résumant l’utilisation lorsque le ventilateur était en marche.
Le ventilateur HVLS a :
- créé une uniformité de la température de l’air intérieur dans le bâtiment,
- réduit les pertes de chaleur du bâtiment,
- amené les chauffages à fonctionner en consommant moins de gaz naturel.
Dans l’ensemble, lorsque le ventilateur était en marche, une réduction de 29 % de la consommation de gaz a été constatée. Sur la base d’une estimation de 4 500 degrés de chauffage par an pour Frankfort, Ky, USA.
Les économies de gaz pendant la saison de chauffage seraient d’environ 4 150 €, tandis que le coût énergétique de l’exploitation du ventilateur serait de 50 €. Le retour sur investissement se produirait en environ deux ans.
Modèles de CFD
Des modèles de dynamique des fluides numériques ont été utilisés pour simuler la stratification de l’air provoquée par les unités de chauffage au gaz. L’installation du hangar a été modélisée en fonction des dimensions réelles et des sources de chaleur correspondant aux données de performance publiées par le fabricant pour les chauffages à gaz ajoutés à l’espace.
La température du hangar a été réglée à 4,4°C pour commencer la simulation, et les chauffages ont fonctionné pendant trois minutes sans le ventilateur HVLS pour permettre à l’air de se stratifier dans l’espace. Cela est illustré dans l’image de gauche de la Figure 8. Le ventilateur a ensuite été allumé à 25 % de la vitesse maximale. Après 11 minutes de fonctionnement du ventilateur, l’air à l’intérieur de l’espace était complètement déstratifié (comme le montre l’image du bas de la Figure 8); cela correspondait étroitement aux données mesurées et recueillies dans le hangar via les enregistreurs installés.
Conclusion sur la déstratification de l’air dans les hangars
L’évaluation de l’impact des ventilateurs HVLS dans un hangar d’avion a montré que la stratification de l’air peut être réduite au minimum du sol au plafond tout en permettant des économies de chauffage significatives en hiver.
Au cours de la première semaine, lorsque le ventilateur HVLS n’était pas en service, le gradient de température moyen enregistré du sol au plafond était de 3,3°C. La semaine suivante, lorsque le ventilateur était en service, une différence de température moyenne de 0,4°C du sol au plafond a été observée. Le ventilateur HVLS a efficacement mélangé l’air stratifié pour produire des conditions de température plus uniformes malgré la taille du hangar. Le ventilateur a réduit la stratification et a atteint des conditions de température presque uniformes dans les 10 minutes suivant sa mise en service. Une fois le ventilateur éteint, la stratification de l’air a commencé à réapparaître en aussi peu que 15 minutes, ce qui indique que le fonctionnement continu ou presque continu du ventilateur peut être nécessaire pour minimiser les pertes de chaleur à travers l’enveloppe du bâtiment.
Le ventilateur HVLS a également réduit la consommation de gaz de chauffage de 29 %, ce qui s’est traduit par des coûts de chauffage d’hiver nettement plus bas. L’utilisation de ventilateurs HVLS dans les hangars d’avions est une méthode économe en énergie pour créer un environnement thermique plus uniforme en raison des faibles besoins en énergie du ventilateur et de son potentiel élevé d’économies d’énergie en saison froide.
