Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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Climatiseur
Obiet de l'invention
[0001] La présente invention se rapporte à un dispositif de
climatisation, et
à une méthode de climatisation d'air d'un milieu confiné.
Etat de la technique
[0002] Les dispositifs de climatisation intégrés au plafond de
pièces
confinées sont bien connus. Parmi ces dispositifs, un premier type concerne
les poutres
froides de type statiques, dans lesquelles l'air passe dans un échangeur
refroidi, le flux
d'air étant engendré par simple convection.
[0003] Un deuxième type de poutres froides concerne des poutres
froides
de type dynamiques dans lesquelles un flux d'air frais provenant de
l'extérieur du lieu
confiné est mélangé à de l'air secondaire provenant de la pièce à climatiser.
Dans ce
type de dispositifs, l'air primaire est injecté à haute pression dans des
buses, induisant
une aspiration d'air secondaire par effet venturi. Ce type de dispositif
présente de
nombreux avantages. Un premier avantage est que l'injection d'air frais permet
un
renouvellement de l'air du milieu confiné. L'air frais primaire peut en outre
être séché de
façon à éviter les phénomènes de condensation. Enfin, l'air secondaire passe
dans un
échangeur thermique refroidi avant mélange, ce qui augmente la capacité de
refroidissement du dispositif complet.
[0004] Par contre, ces poutres froides dynamiques présentent
d'autres
inconvénients que la présente invention cherchera à réduire. Parmi ceux-ci, ce
type de
dispositif est généralement bruyant. En effet, pour un fonctionnement optimum,
le
rapport entre l'apport d'air frais primaire et la recirculation d'air
secondaire devrait-être
d'environs 1:7. Or, pour obtenir un tel rapport par simple effet venturi, la
pression de l'air
primaire, et sa vitesse dans les buses induisent un bruit difficilement
supportable en
continu. Aussi, ces poutres dynamiques fonctionnent-elles généralement avec un
ratio
air primaire/air secondaire inférieur à l'optimum, généralement compris entre
1:2 et 1:6.
Ce faible ratio implique un renouvellement d'air dans le milieu supérieur à ce
qui est
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nécessaire, impliquant une consommation énergétique supérieure à ce qui est
strictement nécessaire.
[0005] La demande de brevet européen EP1319901 divulgue un
dispositif
comprenant deux dispositifs de type Venturi disposés en série permettant de
mélanger
de l'air frais dit primaire avec de l'air recirculé dit secondaire. Néanmoins,
la pression à
l'entrée du second Venturi de dispositif est largement insuffisante, et ne
permet pas
d'atteindre une aspiration suffisante d'air secondaire, et le ratio entre air
secondaire et
air primaire est encore insuffisant.
But de l'invention
[0006] La présente invention vise à proposer un dispositif de
climatisation
à poutre froide dynamique, présentant un bruit réduit tout en offrant un ratio
air
primaire/air secondaire (recirculé) amélioré.
[0007] Selon certains modes préférés de l'invention, elle vise
aussi à
améliorer le confort thermique lié à l'utilisation du dispositif de
l'invention.
Résumé de l'invention
[0008] La présente invention se rapporte à un dispositif de
climatisation de
l'air comprenant un conduit (chambre) d'admission d'air primaire connecté à
l'entrée d'un
premier dispositif de type venturi (inducteur) dont l'aspiration communique
avec un
premier conduit (chambre) d'admission d'air secondaire, la sortie du premier
dispositif
de type venturi communicant avec l'entrée d'un second dispositif de type
venturi
(inducteur) dont l'aspiration est connectée à un second conduit (chambre)
d'admission
d'air secondaire comprenant un premier échangeur thermique.
[0009] La sortie de ce dispositif communique directement ou indirectement
avec la pièce à climatiser.
[0010] De préférence, le premier dispositif du type venturi
comprend une
tuyère d'entrée de l'air primaire comprenant une restriction de diamètre à son
extrémité
libre, ladite extrémité libre débouchant dans une chambre d'aspiration
communiquant
avec le premier conduit d'admission d'air secondaire, ladite chambre
d'aspiration
comprenant un orifice de sortie face à la sortie de ladite tuyère d'entrée,
ledit orifice de
sortie communicant avec l'entrée du second dispositif de type venturi.
[0011] Avantageusement, le second dispositif de type venturi
comprend
une chambre d'admission (ou de mélange), la chambre d'admission présentant une
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section au moins deux fois plus grande que l'orifice de sortie de la chambre
d'aspiration
du premier dispositif de type venturi.
[0012]
Avantageusement, le second dispositif du type venturi comprend
une plaque percée d'orifices ladite plaque séparant la chambre d'admission
communicant avec la sortie du premier dispositif de mélange et une chambre de
mélange communiquant avec le second conduit d'admission d'air secondaire,
lesdits
orifices produisant, en utilisation, un effet venturi aspirant l'air
secondaire depuis le
second conduit d'admission d'air secondaire.
[0013] De
préférence, le dispositif de l'invention comprend un clapet ou
vanne réglable permettant d'injecter de l'air primaire directement à l'entrée
du second
dispositif de type venturi, en aval du premier dispositif venturi, de façon à
pouvoir réguler
le ratio de mélange total entre l'air primaire et l'air secondaire.
[0014]
Avantageusement, le premier conduit d'admission d'air secondaire
comprend un second échangeur thermique permettant en utilisation de refroidir
l'air
secondaire.
[0015] De
préférence, le ou les échangeur(s) thermiques comprennent des
ailettes verticales, et un dispositif d'évacuation de la condensation au bas
de celles-ci.
[0016] Un
second aspect de l'invention concerne une façade, un élément
de façade ou un élément permettant l'accès à la façade d'un bâtiment
comprenant un
dispositif de climatisation selon l'une quelconque des revendications
précédentes.
[0017]
Avantageusement la façade de l'invention comprend deux parois
séparées par un espace de ventilation, les premiers et second conduits
d'admission d'air
secondaire communicant avec ledit espace de ventilation.
[0018] La
seconde paroi pourra être du type rideau ou hélioscreen, ou, de
préférence, la façade sera du type façade active.
[0019] Un
troisième aspect de l'invention concerne une méthode de
climatisation d'air d'un lieu confiné comprenant les étapes suivantes :
a. prélever de l'air extérieur, dit air primaire, et l'amener à une pression
prédéterminée ;
b. injecter ledit air primaire dans un dispositif de type venturi, aspirant et
mélangeant de l'air du lieu confiné, dit air secondaire, à l'air primaire,
l'air
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secondaire passant, avant mélange, dans un premier échangeur
thermique régulé à une température de consigne obtenant ainsi un
premier mélange d'air;
c. injecter le premier mélange d'air dans un second dispositif de type
venturi
aspirant et mélangeant de l'air secondaire audit premier mélange d'air,
l'air secondaire passant, avant mélange, dans un second échangeur
thermique régulé à une température de consigne;
d. réinjecter le mélange d'air obtenu dans le lieu confiné.
[0020]
Selon des modes préférés de l'invention, la méthode de climatisation de
l'invention comprend en outre une ou une combinaison appropriée de plusieurs
des
caractéristiques suivantes:
= le premier mélange d'air est comprimé dans une chambre de mélange
communiquant avec l'orifice de sortie de la chambre d'aspiration, ladite
chambre
d'admission présentant une section au moins deux fois plus grande que
l'orifice
de sortie de la chambre d'aspiration, de façon à induire une compression du
premier mélange d'air;
= ladite pression prédéterminée est comprise entre 100 et 1000 Pa, de
préférence
entre 300 et 500 Pa;
= le rapport entre l'admission d'air primaire et d'air secondaire dans le
premier
dispositif de mélange est compris entre 0,7 et 2,5, de préférence entre 0,9 et
2,5,
avantageusement supérieur à 1,6;
= le rapport de débit entre l'admission du premier mélange d'air et d'air
secondaire
dans le second dispositif de mélange est compris entre 2 et 4;
= la pression du premier mélange d'air à l'entrée du second dispositif
venturi est
comprise entre 50 et 200 Pa, de préférence entre 70 et 150Pa;
= l'air secondaire circule dans un espace ventilé entre deux parois d'une
façade
active avant d'être admis dans les premières et secondes chambres de mélanges
= l'air primaire prélevé à l'étape (a) est amené à une température
prédéterminée
avant d'être injecté dans ledit premier dispositif de type venturi.
Brève description des figures
[0021] La
figure 1 représente une vue écorchée d'un exemple de dispositif
de climatisation selon l'invention.
[0022] La
figure 2 représente une vue latérale en coupe suivant le plan AA"
de la figure 1.
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[0023] La figure 3 représente une vue latérale en coupe suivant
le plan BB'
de la figure 1.
[0024] La figure 4 représente une vue latérale en coupe suivant
le plan BB'
de la figure 1, le dispositif comprenant un clapet de "by-pass" en position
ouverte.
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Description détaillée de l'invention
[0025] La présente invention se rapporte à un dispositif de
climatisation 10
du type poutre froide dynamique comprenant un double module d'induction de
l'air
secondaire, permettant, en utilisation, d'augmenter le rapport entre le débit
d'air primaire
18,22 extérieur injecté dans la pièce à climatiser, et le débit d'air
secondaire recirculé
16,17. L'utilisation de deux modules d'induction du type Venturi, disposés en
série
permet de réduire le bruit, sans augmenter la pression d'air primaire
nécessaire, tout en
permettant d'augmenter le débit d'air secondaire pour un débit d'air primaire
donné.
[0026] Par dispositif de type venturi, ou dispositif
d'induction, on entend
tout type de dispositif dans lequel un premier flux d'air est accéléré par une
restriction
de section du chemin fluide induisant une aspiration d'un second flux d'air
par effet
venturi. Il s'agit typiquement de dispositif du type éjecteur ou éducteur,
soit sous forme
de buses, de diaphragmes, ou de dispositifs plus complexes comprenant une
tuyère
d'entrée, une chambre d'aspiration et une tuyère de sortie. Par entrée d'un
dispositif
venturi, on entend l'entrée du premier flux d'air.
[0027] De préférence le premier dispositif venturi, dans lequel
est injecté
de l'air climatisé 18 en provenance d'une batterie de climatisation externe
comprend une
tuyère d'injection 3 comprenant une restriction à son extrémité libre. Cette
tuyère
débouche dans une chambre d'aspiration 2 communiquant avec un conduit d'air
secondaire 9 (en provenance de la pièce à climatiser). La chambre d'aspiration
2
comprend aussi un orifice de sortie 15 face à la sortie de la tuyère
d'injection 3. Cet
orifice 15 sera avantageusement prolongé par une tuyère d'éjection profilée,
de façon à
réduire les turbulences et le bruit généré par ces turbulences.
[0028] De préférence, le premier dispositif venturi est
dimensionné de
façon à ce que ratio de débit entre l'air primaire 18 et l'air induit 17 par
le premier dispositif
venturi soit compris entre 0,7 et 1,5.
[0029] Avantageusement, le second dispositif de type venturi
comprend
une chambre d'admission, la chambre d'admission présentant une section au
moins
deux fois plus grande que l'orifice de sortie de la chambre d'aspiration.
L'augmentation
de section de la chambre d'admission permet une compression du premier mélange
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d'air, ce qui améliore considérablement l'induction d'air par le second
dispositif de type
Venturi.
[0030] La température de l'air primaire 18 sera de préférence
comprise
entre 14 et 18 C en fonction de la puissance de refroidissement requise. Cet
air primaire
18 aura en outre un taux d'humidité contrôlé de façon à réduire l'humidité
relative de la
pièce, de façon à éviter tout phénomène de condensation. Enfin, la pression de
l'air
primaire 18 sera de préférence comprise entre 300 et 500 Pa, idéalement
environs 400
Pa.
[0031] Les pressions reprises dans cette description sont bien
entendu des
pressions relatives par rapport à la pression atmosphérique ambiante
(différence de
pression par rapport à l'ambiance).
[0032] Le second dispositif d'induction se présentera de
préférence sous
la forme d'une paroi 14 (plaque) séparant la chambre de d'admission ou de
mélange 4
dans laquelle débouche la sortie 15 du premier dispositif venturi d'une
seconde chambre
de mélange 6 dans laquelle débouche un second conduit d'admission d'air
secondaire
11. Ce second conduit d'admission comprend un échangeur thermique principal 8
permettant de refroidir efficacement le flux d'air secondaire 16 induit par le
second
dispositif venturi.
[0033] La paroi 14 comprendra des orifices 5 communiquant entre
la
première chambre de mélange 4 et la seconde chambre de mélange 6. Ces orifices
5
seront soit sous la forme de simples diaphragmes, soit sous forme de buses
induisant
une augmentation de la vitesse de l'air, et par ce fait, un effet venturi
aspirant l'air
secondaire 16 au travers de l'échangeur thermique principal 8.
[0034] La pression dans la première chambre de mélange 4 est de
préférence comprise entre 50 et 100 Pa, de façon à réduire le bruit généré par
le
dispositif.
[0035] Le ratio de débit entre l'admission d'air secondaire 16
du deuxième
dispositif venturi et la sortie 19 du premier dispositif d'induction est de
préférence compris
entre 2 et 4, portant le ratio total entre air primaire et air induit par les
deux dispositifs
venturi à une valeur supérieure à environs 4, de préférence supérieur à 6, et
même
avantageusement supérieur à 7.
[0036] Avantageusement, une vanne de "by-pass" 20,21 entre une
conduite de distribution d'air primaire 12 et la première chambre de mélange
4, de façon
à pouvoir augmenter l'injection d'air primaire 22 (ratio air primaire/air
secondaire), par
exemple lorsque qu'un nombre inhabituel d'occupants se trouvent dans la pièce.
La
figure 4 représente le fonctionnement du dispositif lorsque la vanne 21 est en
position
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ouverte. Dans ce cas, un flux d'air primaire 22 est admis directement dans la
chambre
d'entrée 4. Dans ce cas, de préférence, le premier conduit d'admission d'air
secondaire
comprendra un dispositif anti-retour (non représenté), par exemple sous forme
d'un
clapet empêchant un flux inverse d'air primaire.
[0037] Un échangeur
thermique secondaire 7 peut avantageusement être
placé sur le chemin fluide du flux d'air secondaire 17 en amont de
l'aspiration du premier
dispositif de type venturi. Cet échangeur thermique secondaire 7 permet d'une
part
d'augmenter la puissance totale du dispositif, et d'autre part de réguler
l'humidité du
mélange dans la première chambre de mélange 4.
[0038] De préférence,
la température de consigne des échangeurs
thermiques 7,8 sera maintenue à une température comprise entre 14 et 20 C, de
façon
à éviter la condensation tout en offrant une puissance de refroidissement
suffisante.
Cette température de consigne sera adaptée en fonction de la puissance
nécessaire et
de l'humidité relative de l'air secondaire.
[0039] De
préférence, le module (dispositif) de climatisation de l'invention
est intégré en façade, au-dessus des fenêtres, de façon à induire un flux
d'air secondaire
devant la zone chaude induite par le vitrage du bâtiment. Cette zone chaude
pourra
avantageusement être optimisée par l'utilisation de dispositifs simulant une
façade
active, tel que des rideaux ou des hélioscreens.
[0040]
Avantageusement, le module de climatisation de l'invention est
intégré à une façade active comprenant un vide ventilé compris entre deux
parois, les
conduits d'admission 9,11 d'air secondaire étant connectés audit vide ventilé.
Dans ce
cas, la circulation d'air secondaire climatisé entre les deux parois permet de
refroidir la
paroi interne, et par là, d'améliorer le confort de la pièce climatisée, les
parois de la pièce
présentant une température abaissée, ce qui améliore le confort.
[0041] La
disposition en façade permet d'utiliser des échangeurs verticaux,
ce qui permet une collecte et une évacuation aisée de l'éventuelle
condensation sur les
ailettes de ces échangeurs.
[0042]
L'intégration du module de climatisation de l'invention en façade
permet aussi de
réduire l'encombrement, les canalisations d'air primaire et d'eau froide
pouvant aisément être intégrées à ladite façade, évitant de devoir intégrer
les poutres
dans les plafonds, posant des difficultés d'installation et de maintenance.
[0043] Le
dispositif de l'invention pourra avantageusement intégrer un ou
des filtres à charbons. En outre, les surfaces internes des chambres de
mélanges et des
venturis pourront être couvertes de peinture catalytiques comprenant des ions
Ag ou des
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peintures photocatalytiques à l'oxyde de titane permettant par l'utilisation
de sources de
lumières UV de réduire les composés organiques volatiles présent dans la
pièce.
[0044] L'air frais primaire peut aussi être prélevé directement
en façade au
moyen de ventilateur, la régulation de l'humidité se faisant alors directement
le long des
échangeurs thermiques, au moyen de bac de condensat placé sous les échangeurs
thermiques.
Exemple
[0045] Un exemple de réalisation d'un dispositif 10 selon
l'invention est
représenté aux figures 1 à 4. Ce dispositif est intégré dans une façade active
dans
laquelle l'air est réchauffé par l'action du soleil dans un vide ventilé
compris entre 2
vitrages. L'air dans le vide ventilé communique avec la pièce à climatiser par
le bas de
la fenêtre active, de façon à augmenter la convection naturelle au travers du
dispositif,
améliorant ainsi encore le débit d'air secondaire.
[0046] Dans ce dispositif, un conduit de distribution 12 placé en façade,
apporte de l'air primaire conditionné. L'air dans ce conduit est maintenu à
une pression
de 410 Pa et une température d'environs 14 C. L'humidité de cet air primaire
est
d'environ 90%. Cet air est conditionné au moyen d'une première batterie
centralisée pour
l'ensemble du bâtiment. La consommation énergétique de cette première
batterie, par
module de climatisation est d'environs 283W pour une température extérieur de
32 C et
une humidité relative de 50%.
[0047] Cet air primaire climatisé 18 est amené par une chambre
de
distribution 1 à une tuyère 3 débouchant dans la première chambre d'aspiration
2. Le
débit d'air primaire climatisé dans chaque module de façade est de 25m3/h.
[0048] Le débit d'air primaire climatisé en sortie de la tuyère 3 aspire au
travers d'un orifice 13 de l'air secondaire 17. Cet air secondaire provenant
du conduit
d'admission 9 passe dans un échangeur thermique 7 avant d'être mélangé à l'air
primaire
18 dans la chambre d'aspiration 2. La température de l'eau de refroidissement
dans cet
échangeur est de 12 C en entrée et 14 C en sortie. La puissance consommée par
cette
batterie est d'environs 146W. L'air secondaire 17 provient d'une façade
active, et entre
dans l'échangeur thermique à une température de 34 C et 36% d'humidité
relative. Le
débit d'air secondaire 17 dans ce premier échangeur thermique 7, induit par le
flux d'air
primaire est de 25m3/h.
[0049] Le mélange 19 d'air primaire 18 et secondaire 17 induit
par le
premier venturi, est injecté dans une chambre 4 délimitée par une paroi 14
percée
d'orifices 5 débouchant sur une seconde chambre d'aspiration 6. De l'air
secondaire 16
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entre dans cette seconde chambre d'aspiration 6 au travers d'un second
échangeur
thermique 8. L'air secondaire aspiré par le conduit 11 provient à nouveau de
la façade
active et présente les mêmes caractéristiques d'entrée que l'air admis par le
conduit 9.
Le débit d'air secondaire induit dans ce second venturi est d'environs
150m3/h.
[0050] On obtient donc en sortie du dispositif un débit d'air de 200m3/h,
pour un débit d'air primaire de 25m3/h, soit un facteur multiplicatif de 8 (ou
un ratio 1:7).
L'air en sortie dans cet exemple est de 18 C, pour une température ambiante de
26 C.
Cet air climatisé est éjecté par l'orifice 23.
[0051] Un clapet 20, 21 permet au besoin de by-passer le premier
inducteur (venturi), de façon à augmenter le réduire le facteur multiplicatif
du dispositif.
En fonctionnement avec le clapet ouvert 21, le dépit d'air primaire passe à
50m3/h, tandis
que le débit d'air secondaire induit dans le second inducteur reste constant à
150m3/h,
passant d'un facteur multiplicatif de 8 à 4.
[0052] Le fait d'injecter l'air secondaire de façon forcée dans
le vide ventilé
de la façade active permet d'éviter une augmentation exagérée de la
température des
parois intérieures du local, ce qui améliore le confort sensitif des
occupants.
[0053] Les deux échangeurs thermiques 7,8 étant contigus, en
pratique,
on pourra utiliser un seul échangeur avec une paroi séparant les deux
conduits.
Néanmoins, il peut être intéressant de réguler ces deux échangeurs thermiques
de façon
distincte, de manière à éviter toute condensation dans la première chambre de
mélange.
[0054] Les dimensions du module de l'exemple sont compatibles
avec les
dimensions de fenêtres habituellement utilisées dans le bâtiment, en
l'occurrence, dans
cet exemple, la largeur du second échangeur thermique est de lm, et de 25cm
pour le
premier échangeur. La hauteur des premier et second échangeurs thermiques est
de
29cm, tandis que la hauteur totale du module (y compris le conduit de
distribution 12 de
l'air primaire) est de 60cm.
