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La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif
de modulation de la ventilation d'un local. L'invention concerne plus
précisément la ventilation des locaux dont l'occupation est variable
grands bureaux, salles de réunion, restaurants, salles de séjour, etc...
Naguère, les bureaux étaient ventilés de manière continue ;
avec l'augmentation du coût de l'énergie, on a limité les heures de
ventilation suivant les horaires de travail à l'aide d'horloges montées sur
les ventilateurs ; plus récemment, on a pris en compte la présence ou
l'absence du personnel dans les bureaux pour individualiser les débits d'air
pièce par pièce, mais en tout ou rien (ventilation normale ou aucune
ventilation).
II existe aussi des systèmes de comptage des personnes à
l'entrée d'une pièce, pour les pièces les plus importantes, de manière à
moduler le débit d'air en fonction du nombre réel d'occupants de la pièce.
On trouve encore des régulations de débit reposant sur la
mesure du taux de gaz carbonique (proportionnel à la respiration des
occupants), dans les pièces à ventiler ; mais la mesure du taux de COz
n'est économiquement possible que dans les grandes pièces et, de plus,
ce type de régulation entraîne un taux de COz toujours assez élevé
puisqu'on attend de dépasser un seuil avant de commencer à ventiler, et
qu'on maintient ensuite ce niveau.
Le comptage des personnes est plus satisfaisant puisqu'il
permet de commencer à ventiler dès que les occupants entrent dans la
pièce ; toutefois, cette technique nécessite un équipement assez lourd, un
câblage des différentes bouches d'aération les unes avec les autres et une
connexion avec la barrière de comptage à la porte ; elle est donc, elle
aussi, destinée à des pièces assez importantes, permettant de répartir le
coût sur un débit important.
La régulation en tout ou rien des petits bureaux en fonction de
la présence ou de l'absence des occupants est tout à fait satisfaisante,
mais elle est peu adaptée à des pièces plus importantes car elle est trop
grossière.
La présente invention a précisément pour but d'obtenir une
régulation de la ventilation de pièces de tailles moyennes dont
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l'occupation, c'est-à-dire le nombre d'occupants et leur taux d'activité, est
variable.
Le procédé de modulation de la ventilation d'un local suivant
l'invention est caractérisé en ce que l'on compte le nombre de
mouvements des occupants du local pendant un temps donné, on en
déduit une information reliée à l'activité des occupants et à leur nombre,
et on utilise cette information directement pour faire varier la section de
passage d'air et par suite le débit du dispositif de ventilation, dans le
même sens que l'activité mesurée.
Le comptage du nombre de mouvements est obtenu par un
détecteur pyro-électrique, tel qu'un un capteur passif de rayonnement
infrarouge, une lentille multiple de découpage du local en zones, et une
électronique de traitement de type connu.
Le besoin de ventilation est donc traduit par la lecture du taux
d'activité des occupants. Plus ~on compte de mouvements pendant un
même temps donné, plus on peut supposer qu'il y a de personnes
présentes dans la pièce et plus on associe un débit élevé ; inversement,
quand le nombre de mouvements décroit, on réduit le débit de ventilation.
Bien que cette technique ne soit pas rigoureusement exacte à
un moment donné, elle est valable parce que la ventilation des locaux est
destinée à évacuer les polluants dont la concentration varie lentement.
Grâce à l'inertie du phénomène, en général (et en moyenne) la qualité de
l'air sera maintenue au-dessus d'un seuil défini, même si, à un moment
donné, le débit obtenu est inférieur au débit qui serait théoriquement
nécessaire avec une ventilation fixe.
Pour la même raison, il n'est pas nécessaire de suivre le
nombre de mouvements en temps réel. Une intégration sur un temps
donné est suffisante ; compte tenu de l'inertie due au volume du local et
aux faibles dégagements de polluants, un temps d'intégration inférieur à
trente minutes, de préférence une à quinze, est convenable. En effet, si le
temps est trop court, il y a des instabilités dans la réponse du système ;
l'activité lue est très variable et les niveaux obtenus peu fiables. A
l'opposé, un temps trop long ne permet pas d'obtenir une réponse
rapidement adaptée au besoin.
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Cette intégration du nombre de mouvements se fait de deux
manières. D'une part, quand on détecte un mouvement, on incrémente un
compteur en bloquant la détection pendant un temps assez court
(quelques secondes) pour éviter qu'un même mouvement de grande
amplitude sature le compteur et fausse la mesure d'activité ; il est aussi
possible, sans bloquer la détection, d'incrémenter le compteur à intervalles
réguliers (moins de trente secondes) d'une seule unité, quel que soit le
nombre de détections pendant cette période. D'autre part, on lit le
compteur à intervalles réguliers (moins de trente minutes) pour établir la
réponse en débit d'air et on remet le compteur à zéro pour une nouvelle
mesure.
Quand on a ainsi capté le niveau d'activité pendant la période
fixée, on module une sortie électrique fonction de ce niveau et
correspondant à un débit de ventilation. Cette sortie électrique variable
peut être linéaire ou non, croissante ou décroissante, continue ou pas à
pas, à seuil (mini/maxi) ou sur toute la plage d'activité.
Une sortie linéaire ou non permet de ne pas avoir la même
proportionnalité sur toute la plage de mesure : par exemple, on peut
donner un niveau de ventilation tenant compte de la pollution due au
mobilier dès le premier occupant et ensuite ne tenir compte que des
personnes supplémentaires avec un niveau dégressif (par exemple 40,
+ 30 = 70, + 20 = 90, + 10 = 100) .
Le choix d'une sortie continue ou pas à pas dépend de la
précision avec laquelle est asservie la réponse de l'appareil à la demande
et du degré de fiabilité du compteur d'activité : un appareil standard, non
étalonné, dans une pièce plus ou moins connue ne donne pas des résultats
très précis à 10% près, et il serait illusoire de vouloir un asservissement
trop fin. Pour la ventilation, une précision de l'ordre de 10 à 20 m3/h est
tout à fait correcte.
Un seuil permet de ne pas tenir compte d'une faible activité,
incluse, par exemple, dans un débit minimal évacuant les polluants dus au
bâtiment.
La sortie électrique peut être directement liée au niveau
d'activité mesuré pendant la période d'intégration, ou non : vitesse
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maximum d'évolution, introduction d'un retard ou d'une hystérésis, d'une
confirmation.
Une vitesse maximum d'évolution signifie que l'augmentation
ou la diminution de la variation de débit de la ventilation ne peut se faire
qu'avec une pente limitée : par exemple, si le niveau d'activité passe de
20 à 70% et que la pente maximale à la montée est de 15%, il faudra
quatre ordres successifs (de 20 à 35, de 35 à 50, de 50 à 65 et de 65 à
70) pour faire passer le niveau de sortie de 20 à 70% (en linéaire)).
Avec un retard ou une hystérésis, la réponse au niveau
d'activité mesuré se fait un certain temps après la mesure : par exemple,
quand l'activité monte, on suit directement le niveau en sortie ; par contre,
quand l'activité diminue, on décale la réponse de quelques minutes (ou de
quelques mesures).
Dans le cas d'une confirmation, avant de tenir compte de la
variation constatée dans la mesure de l'activité, on attend d'avoir plusieurs
mesures identiques : cela permet de ne pas tenir compte d'un incident
d'utilisation des locaux, par exemple la distribution du courrier dans un
bureau.
La logique du système peut être assurée par un dispositif câblé
pour les applications très définies et ne nécessitant pas de traitement
compliqué, ou par un dispositif programmé (logiciel et microprocesseur)
pour les autres applications.
Pour des applications spéciales, on peut recourir à un
"apprentissage" du système : on associe, par essais, des valeurs de la
réponse à des valeurs d'activité connues, par exemple n personnes
marchant dans un hall ; ceci permet de répondre à un besoin très
particulier, sortant des limites des matériels standards.
Le terminal de ventilation permet de moduler le débit d'air
extrait ou insufflé dans une pièce en fonction du . niveau d'activité
constaté ; c'est le gonflement d'une membrane ou la position d'un volet
dans une veine d'air à pression peu variable qui donne le débit ; la position
de la membrane ou du volet est déterminée par le niveau d'activité qui
positionne par exemple un piston modulant la pression envoyée à la
membrane ou à des sacs qui entraînent le volet en se gonflant plus ou
moins ; le volet peut aussi être piloté par un moteur dont on fait varier le
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temps de fonctionnement par rapport à une butée fixe, ou dont le
fonctionnement est associé à un retour d'information sur la position du
volet.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, un dispositif
pour la mise en oeuvre du procédé comprend un dispositif de comptage du
nombre de mouvements, un bloc de traitement qui compte le nombre de
mouvements par unité de temps et qui élabore une consigne sous forme
d'un signal de sortie qui agit directement sur un moyen de commande d'un
organe de réduction de la section de ventilation, associé à un ventilateur et
un réseau de conduits permettant que la pression dans le réseau reste
sensiblement stable, soit dans un rapport de 1 à 4.
Plusieurs exemples de mise en oeuvre du procédé et du
dispositif de modulation de la ventilation de locaux sont décrits, ci-après,
en se référant au dessin annexé, dans lequel
Figure 1 est un diagramme illustrant le principe du proçédé de
l'invention : le débit d'air lu en ordonnées à droite, en fonction du nombre
de mouvements intégré en ordonnées à gauche, le temps étant porté en
abscisses ;
Figures 2 et 3 représentent les aires des deux diagrammes de la
figure 1 ( ces aires étant proportionnelles aux volumes d'air débités ;
Figures 4 à 7 sont des vues schématiques de différents modes
de réalisation du dispositif de modulation de la ventilation.
On voit sur la figure 1 des points, tels que 1 ( 2, 3, représentant
l'activité mesurée dans un local, c'est-à-dire le nombre de mouvements,
portée en ordonnées à gauche (de 0 à 48), par unités de temps portées en
abscisses (de 0 à 30) ; l'unité de temps est un pas de valeur arbitraire,
Le comptage des mouvements est cyclique avec une période
de l'ordre de quelques secondes (par exemple dix secondes), ce comptage
étant utilisé pour incrémenter un compteur ; le compteur est lu à
intervalles fixes de l'ordre de quelques minutes (par exemple dix minutes),
la valeur lue étant ensuite comparée à une valeur préenregistrée fonction
du type d'occupation du local, pour délivrer un signal de sortie, tandis que
le compteur est remis à zéro.
Le signal électrique module le débit de ventilation du local
considéré. Ce débit est représenté par les diagrammes en trait plein, 4, ou
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tireté, 5 : ces diagrammes donnent le taux d'ouverture d'un volet dans
une veine d'air, porté en ordonnées à droite (de 0 à 100%) par unités de
temps, portées en abscisses (de 0 à 30) ; le diagramme 4 correspond à un
fonctionnement sans hystérésis, tandis que le diagramme 5 correspond à
un fonctionnement avec une hystérésis de 3 unités de temps à la
descente ; on voit sur le second qu'un décalage en retard permet de lisser
l'évolution en effaçant par exemple le puits 4a.
Cette différence est encore plus visible sur les figures 2 et 3 ;
étant donné que les surfaces hachurées, qui représentent les aires des
diagrammes 4 et 5 (fig.1 ) sont proportionnelles aux volumes d'air débités
(débits multipliés par des temps), on remarque que le mode de
fonctionnement sans retard (4) consomme moins d'air que le mode avec
retard (5) ; mais ce dernier apporte un confort meilleur en évacuant plus
longtemps les pollutions résiduelles après l'occupation du local.
On voit sur la figure 4 le schéma bloc de fonctionnement du
dispositif, objet de l'invention : un bloc de détection 6 qui détecte les
mouvements à travers une lentille multiple de découpage de la pièce à
ventiler en plusieurs zones, un bloc de traitement 7 qui compte le nombre
de détection par unité de temps et qui élabore la consigne, sous la forme
d'un signal de sortie 8.
Sur la figure 5, on voit un volet 9 actionné dans une veine d'air
par un moteur électrique 11 associé à une temporisation (boucle
ouverte) qui peut fonctionner de deux manières : ou bien on ferme le volet
5, puis on applique une tension inverse sur le moteur 11 pendant un
temps qui est fonction du signal 8, et donnant l'ouverture voulue du
volet ; ou bien on connaît la position précédente du volet et on applique la
tension dans le sens voulu pendant le temps fonction du signal 8, pour
obtenir la nouvelle position du volet.
Sur la figure 6, on voit un volet 12 entraîné par un moteur
électrique 13 associé à un dispositif de recopie de la position du volet, par
exemple un potentiomètre 14.
On applique la tension dans le sens voulu (selon la position
courante du volet) pour modifier la position du volet ; c'est le retour
d'information, connecté à la carte de traitement, qui arréte le moteur
quand la position prévue est atteinte.
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La figure 7 représente deux autres variantes du dispositif)
objet de l'invention: ici, une poche souple 15 à pression interne variable,
obstrue plus ou moins le canal d'air 16, ou bien une poche souple 17 à
pression interne variable entraîne un volet 18 monté dans le canal d'air
19 et module ainsi la section de passage et donc le débit d'air.
De préférence, l'organe de réduction de la section de
ventilation constitué notamment par le volet 9 ou la poche souple 15,
délivre un maximum de 100 à 500 m3lh par pas fixes de 15 à 50 m3lh,
respectivement de 10 à 20 % du débit maximum.
La pression interne variable est produite par la position d'un
piston 20 par rapport à deux prises de pression 21 et 22 (en aval de la
bouche et en amont de la bouche); cette position permet d'obtenir une
pression intermédiaire entre les deux pressions extrêmes, qui est alors
transmise dans la poche souple.
La position du piston 20 est donnée par des consignes
fournies à deux capsules 23 et 24; ces capsules sont des volumes
presque étanches munis d'une paroi fine déformable et incluant un
élément chauffant électrique: en appliquant une tension à cet élément,
l'air contenu dans la capsule s'échauffe et se dilate en déformant la paroi
fine, entraînant le piston. Une application simultanée de tensions (ou de
courants) sur les deux éléments chauffants permet de positionner le
piston très précisément et donc d'obtenir la pression désirée.
Dans tous les cas, l'invention permet d'assurer dans le
réseau de conduits une pression sensiblement stable au sens de la
ventilation, c'est-à-dire que la surpression reste dans un rapport de 1 à 4,
par exemple de 50 à 200 Pascal.
On comprend bien que le lissage de la modulation du débit
de ventilation par limitation de la vitesse de variation évite les à-coups de
variation de débit.
De même, le lissage de la modulation par moyennes de
comptages est particulièrement intéressant si des à-coups risquent de se
produire souvent sans changement notable du nombre de personnes
(exemple de la salle de réunion où une personne se lève de temps en
temps pour aller au tableau).
Dans une variante avantageuse, on utilise une réponse
composite: variation rapide en augmentation de débit pour s'adapter
rapidement à une augmentation de pollution; variation plus lente et avec
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retard en diminution de débit pour évacuer les pollutions restantes après
occupation du local (exemple de la salle de restaurant où les convives
fument à la fin du repas).
Enfin, le mode de fonctionnement avec confirmation permet
de lisser les à-coups importants et de supprimer les incidents non
significatifs (exemple de la distribution du courrier dans les bureaux).
Bien entendu, il sera toujours avantageux d'équiper le
dispositif, objet de l'invention, d'une commande manuelle de marche
forcée.
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