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UNITÉ INTÉGRÉE DE CHAUFFAGE ET DE SOURCE D'AIR
FRAIS POUR tJTILISATION AVEC UN SYSTEME
DE DISTRIBUTION D'AIR
Domaine de l'invention
La présente invention concerne une unité de ventilation qui fournit de l'air
frais et un contrôle de la température de la pièce destinée à être utilisée
dans le
cadre d'un système de chauffage et de refroidissement décentralisé.
DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR
Différentes méthodes et appareils ont été proposés de façon à ventiler un
espace tel une pièce, une maison ou un édifice à bureau. La ventilation est
une
considération importante puisqu'un espace inhabité contiendra plusieurs
polluants,
émanant de l'espace lui-même, des meubles, de l'environnement externe, et de
l'activité humaine (par exemple, la respiration est une source de dioxyde de
carbone (C02); de chandelles, etc.). De par leur nature, ces polluants sont
impossibles à éliminer complètement. Voilà la raison pour laquelle il est
nécessaire de remplacer l'air ambiant avec de l'air dans lequel les polluants
sont
en des concentrations plus petites.
Le système de ventilation de base est tout simplement la ventilation
naturelle, où l'air frais est introduit dans un espace à travers des
ouvertures dans
l'extérieur d'un édifice. L'air vicié est sorti de cet espace à travers les
mêmes
ouvertures.
Cependant, dans les régions géographiques où la température ambiante
peut varier considérablement, ou lorsque la température est soit trop chaude
ou
trop froide pour des périodes de temps relativement longues, des nouvelles
pratiques de conception incluant une amélioration à l'étanchéité des édifices
ont
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été implantées et une ventilation mécanique a été introduite de façon à mieux
contrôler la source d'air frais.
De pair avec des systèrries de ventilation, plusieurs systèmes de chauffage
ont été utilisés dans les édi-fices. Par exemple, des systèmes de chauffage
centraux ont été proposés, ci-aiprès dénommés "systèmes à air pulsé", où l'air
est
chauffé dans une fournaise et ensuite distribué aux différents endroits de
l'espace
à travers des conduits très larges. Le désavantage de ces conduits larges est
principalement la perte d'espaice utilisable étant donné la taille des
conduits. Il
convient de noter que des systémes similaires ont été proposés pour l'air
climatisé
central, où l'air est refroidi au lieu d'être chauffé. Ces systèmes peuvent
être de
plus équipés d'humidificateurs centraux, filtres à air, etc. Ces systèmes
sont, dans
une maison, contrôlés de façon centralisée avec un thermostat, mais les
édifices
qui sont sub-divisés en plusieurs pièces peuvent être contrôlés localement
seulement à un certain degré.
Un autre type de systèmie de chauffage est l'utilisation d'un radiateur, où de
l'eau chaude circule de façon à chauffer l'air à proximité du radiateur. L'eau
est
chauffée de façon centralisée et expédiée au radiateur à travers des conduits.
De façon similaire, des radiateurs électriques sont également en usage, où
un élément chauffant électrique est localisé dans un radiateur et est alimenté
en
électricité par des fils. Un radiateur électrique prendra généralement la
forme d'un
boîtier dans lequel une résistarice est encastrée. Le contrôle de la
température est
effectué par des thermostats qui, alternativement, ouvrent et ferment les
circuits
électriques alimentant la résisi:ance. L'avantage d'un radiateur électrique
est que
le contrôle de la chaleur peut être effectué à partir de chaque pièce dans
laquelle
un thermostat est présent.
Cependant, le désavantage avec ces types de systèmes de chauffage, i.e.
électrique et eau chaude, est qu'ils n'incluent pas de ventilation et/ou de
mixage
d'air et où la diffusion de la chaleur est alimentée uniquement par la
convection.
De plus, puisque l'air est expulsé à une basse vitesse, il a tendance à longer
le
mur contre lequel le diffuseur est placé de sorte que l'air au centre de la
pièce ne
sera pas chauffé adéquatemerit. Ceci résulte également dans une perte
d'énergie,
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puisqu'une portion de la chaleur chauffe le mur, qui est généralement en
contact
avec l'extérieur.
Il est également connu d'utiliser un diffuseur qui fonctionne de façon
similaire au diffuseur électrique. Ce diffuseur inclut un conduit ayant deux
extrémités opposées, et des rrioyens de chauffage localisés dans le conduit
près
de l'extrémité la plus basse. L'air ambiant est naturellement entraîné à
l'intérieur
du conduit, chauffé et ensuite expulsé à l'autre extrémité opposée. A cause de
sa
vitesse, l'air est poussé plus loin du mur, ce qui évite de le surchauffer.
L'expérience démontre que l'utilisation d'un tel diffuseur résulte dans la
réduction
de la consommation d'énergie pour le chauffage. Le problème avec un tel
diffuseur est qu'il n'introduit pas d'air frais à l'intérieur de l'espace
chauffé. De plus,
même si l'air chaud ne longe pas le mur, il est quand même plus chaud que
l'air
ambiant et donc a tendance à monter rapidement et ne rejoint pas le centre de
la
pièce.
Le concept d'introduire de l'air frais dans un espace est important. Tel que
mentionné ci-dessus, en raison de considérations énergétiques, les nouvelles
demeures et nouveaux édifices ont une plus grande herméticité à l'air. Donc,
de
l'air frais ne sera pas naturellement introduit dans l'espace. Les plus
récentes
études ont découvert que dans les espaces où il n'y a pas d'introduction d'air
frais,
les polluants et contaminateurs peuvent augmenter jusqu'à des niveaux
dangereux. A titre d'exemple, une étude récente de la "Canadian Mortgage and
Housing Corporation" montre que dans une chambre où la porte et les fenêtres
sont fermées et où il n'y a pais d'introduction d'air frais, le niveau de C02
peut
excéder la concentration maximale permise par Santé et Bien-Etre Canada.
Par conséquent, aux États-Unis, la norme ASHRAE 62-1989 exige un
niveau minimum de ventilation mécanique ou naturelle pour un bâtiment
résidentiel. Au Canada, le "National Building code", dans sa version de 1990,
exige un minimum de ventilation mécanique pour toutes les nouvelles
résidences.
Dans sa version de 1995, le National Building Code (NBC95) va encore plus loin
en exigeant une entrée d'air frais dans presque toutes les pièces d'une
résidence.
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Ceci est une preuve de la tendance vers le confort et vers la protection de la
santé
des habitants.
Il a également été proposé l'usage de systèmes de ventilation
indépendants. Dans leur forme la plus simple, ces systèmes extraient l'air
d'un
espace prédéterminé dans une résidence vers l'extérieur, remplacent l'air
extrait
par de l'air frais et renvoient un mélange d'air frais et extrait dans la
résidence.
L'objet du "pré-chauffage" de l'air est d'éviter la condensation dans les
conduits,
ainsi que de minimiser tout inconfort pour les gens près de la sortie d'air.
Des
systèmes plus complexes évacuent la totalité de l'air et en récupèrent la
chaleur
avec un échangeur d'air. L'air frais, maintenant légèrement chauffé, est
ensuite
dirigé vers les sorties d'air frais. La plupart de ces systèmes ne rencontrent
pas le
NBC 95 puisque les réseaux de distribution ne s'étendent pas à toutes les
pièces.
Ces systèmes représentent également une composante additionnelle à une
résidence qui n'interagit pas aivec le système de chauffage. Ces systèmes sont
également difficiles à installer dans des résidences déjà existantes et l'air
frais est
généralement beaucoup plus froid que l'air ambiant, créant ainsi de
l'inconfort pour
les gens dans la résidence.
II est connu dans le domaine le brevet canadien no. 1,263,052 qui décrit
une méthode de ventilation d'une pièce, où un ou plusieurs jets d'air frais à
haute
vitesse sont soufflés dans une chambre d'induction et tire l'air environnant
dans la
chambre. Dans la chambre d'induction, l'air frais et l'air environnant sont
mélangés. Une caractéristique particulière de cette méthode est que l'air
environnant qui est tiré dans la chambre d'induction est pris à un niveau plus
élevé
dans la pièce que le niveau auquel le mélange d'air est introduit dans la
pièce.
Il est également connu dans le domaine le brevet américain no. 2,663,244
de MACDOWELL qui divulguE: une bouche d'aération (register out/et?)pour des
systèmes de chauffage à air chaud. Cette bouche d'aération cependant n'inclut
pas de moyens de chauffage pour chaque bouche. La chaleur étant fournie par un
large conduit d'alimentation et chauffé de façon centralisée.
Le brevet américain no. 4,712,611 de WITZEL décrit une unité de
ventilation de chauffage ou d'air climatisé pour des véhicules moteurs. Ce
brevet
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enseigne l'usage d'un ventilateur pour alimenter de l'air à des moyens de
chauffage. Cependant, ce brevet n'est pas concerné par l'optimisation de la
distribution de chaleur dans une pièce. De plus, ce brevet est dirigé
spécifiquement aux véhicules motorisés, et les considérations de chauffage
d'une résidence sont très différentes des considérations de chauffage d'une
voiture.
Le brevet américain no. 5,564,980 de BECKER propose un
système pour faire circuler l'air à l'intérieur d'une pièce sans utiliser la
recirculation d'air. De l'air frais est introduit dans la pièce à travers un
réseau de
distribution qui amène l'air à un ventilateur de plafond. Le système peut
aussi
intégrer des moyens de chauffage ou de climatisation, situés dans le conduit
d'air frais. Cependant, ce système n'adresse pas les exigences du chauffage
d'une pièce au complet, et le système doit être complété d'une chaufferette
indépendante.
D'autres systèmes mélangeant l'air frais sont divulgués dans FR-A-
1 494 090, GB-A-1 038 144 et BE-A-553,798, mais ces systèmes n'ont pas les
mêmes buts et certains ont une structure compliquée.
SOMMAIRE DE L'INVENTION
D'après la présente invention, on fournit une unité de ventilation
destinée à être utilisée avec un système pour chauffer et ventiler un espace
fermé, ladite unité de ventilation incluant un conduit définissant un passage
à air
ayant une première et une deuxième extrémité opposée, la première extrémité
étant près d'un plancher, la deuxième extrémité opposée s'étendant dans une
direction opposée au plancher, des moyens de chauffage localisés à l'intérieur
du conduit près de la première extrémité,
dans laquelle:
- ledit conduit a une portion centrale entre les deux extrémités
opposées qui est substantiellement verticale et où la deuxième extrémité
opposée est dans un plan substantiellement perpendiculaire au plancher; et
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- ladite unité de ventilation inclut de plus un diffuseur d'air frais
localisé derrière le conduit et ayant une sortie à proximité de la deuxième
extrémité opposée, ladite unité de ventilation entraînant l'air ambiant par la
première extrémité opposée dû à un effet de cheminée créé par le conduit, dû
aux moyens de chauffage qui chauffent l'air ambiant et forcent l'air ambiant à
monter, et dû au diffuseur d'air frais qui propulse l'air chauffé à
l'extérieur du
conduit à la deuxième extrémité opposée et à un angle par rapport à la
verticale
à l'intérieur de l'espace et entraîne l'air ambiant à travers le conduit.
De préférence, la façon dont l'air chauffé et frais sont propulsés à
l'intérieur de la pièce améliore la distribution de chaleur dans celle-ci.
Cette
amélioration a pour résultat plus d'énergie économisé et un confort accru.
De préférence, l'unité de ventilation peut faire partie d'un système
de ventilation complet. De plus, parce que le système de ventilation n'a pas à
transporter tout l'air chaud nécessaire pour chauffer mais seulement de l'air
frais
pour la qualité de l'air, des conduits d'air de petites dimensions sont
suffisants
pour transporter les quantités d'air nécessaires, environ 5 à 10 litres par
seconde pour chaque pièce. Cet aspect rend le système plus facile à installer
dans de nouvelles constructions et rend l'installation dans des demeures déjà
existantes plus facile. De plus, puisque chaque unité de ventilation inclut
des
moyens de chauffage, le chauffage fournit par chacune de ces unités de
ventilation peut être contrôlé individuellement pour fournir le degré de
confort
désiré dans n'importe quelle pièce donnée. Les contrôles pourraient être
montés
sur un mur ou intégrés à l'unité de ventilation. Le système proposé combine
ainsi les avantages d'un système à air pulsé pour la diffusion de chaleur sans
nécessiter de conduits larges, l'avantage d'apporter de l'air frais dans
chaque
espace de chauffage et l'avantage du contrôle individuel et sélectif de chaque
unité tel qu'avec le chauffage par plinthe électrique.
D'après un autre aspect de la présente invention, on fournit une
méthode pour chauffer une pièce, comprenant les étapes de:
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- fournir une unité de ventilation dans la pièce, ladite unité de
ventilation incluant un conduit définissant un passage d'air ayant une
première
et une deuxième extrémité opposée, ledit conduit ayant une portion centrale
entre les deux extrémités opposées qui est substantiellement verticale, la
première extrémité opposée étant près d'un plancher, la deuxième extrémité
opposée s'étendant dans une direction opposée au plancher et dans un plan
substantiellement perpendiculaire au plancher, des moyens de chauffage
localisés à l'intérieur du conduit près de la première extrémité opposée, un
diffuseur d'air frais localisé derrière le conduit et ayant une sortie à
proximité de
la deuxième extrémité opposée, ladite unité de ventilation tirant l'air
ambiant à
travers la première extrémité opposée dû à un effet de cheminée créé par le
conduit, dû aux moyens de chauffage qui chauffent l'air ambiant et forcent
l'air
ambiant chauffé à monter, et dû au diffuseur d'air frais qui propulse l'air
chauffé
hors du conduit à la deuxième extrémité et à un angle par rapport à la
verticale
dans l'espace et entraîne l'air ambiant dans le conduit; et
- connecter le diffuseur à une source d'air frais.
Un avantage préférentiel de l'invention est d'offrir un système de
chauffage et de ventilation, qui est décentralisé, satisfait les exigences de
qualité de l'air et ne nécessite pas de conduit large.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
La présente invention et ses avantages seront plus aisément
compris après la lecture de la description qui suit de modes de réalisations
préférés de celle-ci, faite avec références aux dessins suivants, dans
lesquels:
La figure 1 est une vue en coupe transversale d'une unité de
ventilation destinée à être utilisée avec la présente invention;
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La figure 2 est une vue en plan de devant de l'unité de ventilation de la
figure 1;
La figure 3 est une représentation schématique d'un système de ventilation
selon un mode de réalisation préféré de l'invention, pour usage dans une
maison;
et
La figure 4 est une représentation schématique d'une unité centrale.
DESCRIPTION D'UN MODE DE RÉALISATION PRÉFÉRÉ DE L'INVENTION
La présente invention concerne un dispositif intégré d'approvisionnement
en chaleur et en air frais pour usage avec un système décentralisé de
distribution
d'air. Une unité de ventilation 30, montrée en plus de détails dans les
figures 1 et 2
est localisé dans une pièce 3 dans un espace tel qu'une maison ou un édifice à
bureaux, quoi qu'une puisse y avoir plus d'une unité par pièce 3, et inclus un
conduit 31 définissant un passage à air ayant une première 32 et une deuxième
33 extrémité opposée. L'unité de ventilation inclus également un diffuseur
d'air
frais 35, connecté opérationnellement à une admission d'air frais 20 à travers
des
conduits 16 à petit diamètre, pour acheminer de l'air frais dans le conduit
31. Le
diffuseur 35 est préférablement localisé près de la seconde extrémité opposée
33
du conduit, tel que le mieux montré à la figure 2. Le diffuseur 35, en
diffusant l'air
frais dans le conduit 31, entraîne également l'air ambiant depuis la pièce 3
dans le
conduit 31, tel que montré par la flèche 36.
L'unité de ventilation inclus de plus des moyens de chauffage 37, tels qu'un
élément de chauffage électrique commun, situé à l'intérieur du conduit 31 près
de
la première extrémité 32. Ainsi, l'air ambiant est tiré vers les moyens de
chauffage
37 par convection et par un effet de cheminée créé par le conduit 31 et les
moyens de chauffage 37 (les moyens de chauffage créent une force de poussée
qui force l'air vers le haut). L'air chauffé est de plus tiré vers la seconde
extrémité
opposée 33 du conduit 31 par le diffuseur d'air frais 35, qui entraîne l'air
chauffé
hors du conduit 31 et dans la pièce. L'avantage de placer le diffuseur 35 à
cet
endroit est que le mélange d'air frais et chauffé est projeté plus loin dans
la pièce
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par opposition à suivre le mur verticalement, puisque l'air frais plus froid
va
empêcher l'air chauffé de rrionter trop vite. Ceci résulte en une meilleure
distribution d'air dans la pièce et moins d'énergie gaspillée en chauffage du
mur,
qui peut souvent être un mur extérieur.
De plus, la disposition du diffuseur d'air frais à cet endroit résulte en un
échange d'air plus efficace à l'emplacement des moyens de chauffage 37,
puisque
l'air ambiant voyage plus vite au-dessus des moyens de chauffage.
En se référant mainteriant à la figure 3, l'unité de ventilation 30 selon
l'invention est particulièremerit adaptée à être utilisée avec un système de
ventilation complet 10. Le système 10 est conçu pour ventiler un espace 1 qui
a
au moins une pièce 3 et où l'espace 1 a un intérieur 5 et un extérieur 7.
Le système 10 comprend principalement au moins une admission d'air frais
20, des moyens 21 connectés opérationnellement à l'admission d'air frais 20
pour
tirer de l'air de l'extérieur 7 de l'espace 1 dans l'au moins une admission
d'air frais
20, tels qu'un ventilateur, et au moins une unité de ventilation 30.Comme on
peut
le voir à la figure 3, le système 10 tel qu'illustré inclus trois unités de
ventilation 30
dans deux pièces séparées 3. II est à remarquer que le système peut inclure
des
valves 28 qui peuvent être utilisées pour régulariser la quantité d'air frais
envoyé
aux diverses unités 30.
Le système est de plus complémenté par au moins un conduit d'évacuation
d'air 40, également localisé dans la pièce 3, pour évacuer de l'air vicié de
l'intérieur 5 de la pièce vers l'extérieur 7. Préférablement, si l'espace 1
est divisé
en plusieurs pièces 3, chaqiue pièce 3 devrait inclure au moins un conduit
d'évacuation d'air 40. Le conduit d'évacuation d'air 40, même s'il peut
fonctionnement par ventilation naturelle, est préférablement connecté à des
moyens 41 pour extraire l'aiir vicié de la pièce vers l'extérieur, tels qu'un
ventilateur.
Préférablement, les ventilateurs 21, 41 pour tirer l'air de l'extérieur 7 et
pour
extraire l'air de l'intérieur 5 sont inclus dans une unique unité centrale 50,
tel que
montré à la figure 4, où l'unité 50 inclus également un dispositif de
récupération
d'énergie 51, qui est bien connu dans l'art. Ceci offre la possibilité de
préchauffer
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l'air frais avec de la chaleur récupérée de l'air intérieur, avant de
distribuer l'air
frais aux diverses unités de ventilation 30. Ceci réduit la charge de
chauffage
imposée aux moyens de chauffage 37 et fournit un apport de chaleur constant
dans la pièce 3. Il est de plus entendu que le dispositif de récupération
d'énergie
pour également être utilisé pouir pré-refroidir l'air frais, lorsque l'unité
de ventilation
30 est utilisée pour refroidir l'air.
Dans une autre configuration alternative, l'unité 50 contenant les deux
ventilateurs 21, 41 peut de plus inclure des filtres 52, et peut comprendre
des
moyens d'humidification 53. Chacun de ces moyens est bien connu dans le
domaine, particulièrement en rapport avec les systèmes à air pulsé.
Si un utilisateur désire irefroidir de l'air, l'unité centrale 50 peut
également
être munie de moyens de clirriatisation d'air 54. Évidemment, si le système
d'air
climatisé est actif, les moyens de chauffage seront désactivés.
Un des avantages de l'invention est que puisque le contrôle du chauffage
est réalisé à chaque unité de ventilation 30 par des thermostats individuels
qui
peuvent être situés sur un muir de la pièce ou intégrés à l'unité de
ventilation 30,
les conduits 16 qui distribuerit l'air frais aux diverses unités de
ventilation 30
peuvent être de petite dimension. Ceci permet une installation simple dans une
structure existante, et ne compromet pas d'espace dans une nouvelle structure.
Par conduits petits on entenci que les conduits peuvent avoir un diamètre de
l'ordre de quelques centimètres, préférablement entre 5 et 10 centimètres,
quoi
que ces dimensions pour un système de ventilation complet peuvent être
modifiées selon les besoins de ventilation. L'expression petit diamètre est
utilisée
par contraste avec les larges conduits utilisés dans les systèmes à air pulsé.
Un des problèmes associés à la distribution d'air à travers des conduits plus
petits est le bruit ainsi produit à cause de la vitesse relativement élevée de
l'air.
Ceci est dû au fait que les précédents systèmes à "conduits petits"
comprenaient
des moyens de chauffage ceni:raux, résultant en un volume d'air élevé
nécessaire
au chauffage de la pièce ou un très grande température de l'air. L'utilisation
de
conduits petits est un empêchement à de grands volumes d'air puisque les
pertes
augmentent dramatiquement avec la vitesse de l'air. D'un autre côté, l'air à
haute
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température nécessite de l'isolation additionnelle, ce qui augmente le
diamètre des
conduits et réduit l'intérêt d'utiliser des conduits petits. Ce problème
n'existe plus
avec la présente invention, puisque l'air qui voyage dans les conduits petits
n'est
pas chauffé - il s'agit simplement d'air frais. Par conséquent, on n'a pas
besoin
5 d'isolation ou de large conduits.
Le problème du bruit esi: atténué pour la présente invention par l'usage d'un
diffuseur adéquat. Préférablernent, le diffuseur 35 a une sortie 71 ayant une
largeur égale à la largeur du conduit, tel que montré à la figure 2. De plus,
le
diffuseur 35 a une forme généralement triangulaire, également montrée à la
figure
10 2. Dans des tests réalisés pour évaluer l'efficacité du système, l'air a
été remis au
diffuseur à deux taux différents, i.e. 5 litres par seconde et 10 litres par
seconde,
qui sont dans l'intervalle de valeurs recommandé par NBC 95 et ne sont pas des
valeurs qui sont absolument requises par l'invention. A l'un ou l'autre de ces
taux,
le bruit généré par le système de ventilation est similaire, ou plus bas, que
le bruit
produit par un système central à air pulse standard. De plus, puisque le
diffuseur
35 a une coupe de forme telle que montrée à la figure 2, le jet produit par le
système de ventilation est plus fort, et plus éloigné du mur, que celui
produit par
une chaufferette à plinthe électrique ou par une unité de convection,
augmentant
ainsi l'efficacité du chauffage et améliorant le confort des occupants.
Bien qu'un mode de réalisation préféré de l'invention ait été décrit en détail
ci-dessus et illustré dans le dessin annexé, l'invention n'est pas limitée à
ce seul
mode de réalisation et plusieurs changements et modifications peuvent y être
effectués par une personne du métier sans sortir du cadre ni de l'esprit de
l'invention.
