LA VMC DOUBLE FLUX A LA LOUPE

 

NOUVEAUTES SUR LE DOSSIER :
05/01/10 : Mise en ligne provisoire

Sommaire

 

• Introduction à la VMC double flux

• Quelques rappels sur la ventilation
• -- Pourquoi ventiler ?
• -- Comment ventiler ?
• -- Ventiler, une perte d'énergie ?
• -- Des parois qui "transpirent"

• Principe de la ventilation double flux
  
• -- Principe de fonctionnement
• -- VMC : investissement rentable ?
• -- Les types d'échangeurs
• -- Quel est le rendement d'une VMC ?

• Dimensionner une VMC double flux

 

 

Introduction à la VMC double flux

La VMC double flux est un investissement adapté aux projets de bâtiments performants. Son rôle est d’assurer une ventilation de confort tout en limitant la dépense énergétique.

Dossier réalisé par Frédéric Loyau & Magalie Mollet

Quelques rappels sur la ventilation

Pourquoi ventiler ?

La première raison de la ventilation est liée à l'évolution de l'utilisation des maisons :

• Elles sont de plus en plus isolées pour conserver la chaleur et de ce fait, sont de plus en plus étanches à l'air (condition de la performance de l'isolation). Ainsi, l'humidité produite par les appareils et métabolismes est confinée dans les pièces chauffées et conduisent à des risques de prolifération bactérienne et fongique (moisissures, champignons...) sur le bâti.

• Les personnes consomment l'air des pièces et doit être renouvelé pour être maintenu sain. La respiration diminue la quantité de dioxygène disponible et augmente le Co2 et l'humidité de la pièce.

La deuxième raison est liée aux pollutions de l'air:

• Liées aux matériaux utilisés pour la construction de la maison (colles, solvants, émanations post séchage... voir dossier « La maison toxique »), aux matériels de production de chauffage (monoxyde de carbone), aux produits dispersés volontairement (pesticides, désodorisants...).

• Liées à l'environnement sur lequel est situé le bâti. Le radon par exemple est un gaz radioactif naturel susceptible de remonter du sol dans la maison par les fuites d'étanchéité et de s'accumuler dans l'air ambiant en cas de déficit de ventilation.

• Pour plus d'informations, consulter notre dossier La maison toxique

Comment ventiler ?

On retrouve dans les maisons deux grandes familles de ventilation :

• La ventilation par pièces séparées : Fenêtres de grande dimension, grilles de ventilation placées en bas et en haut d'une pièce, extracteurs fonctionnant avec un interrupteur, mise en route manuelle ou sur hygrostat, détecteur de présence, minuterie.

Dans ce principe, toutes les pièces de vie et d'eau ont un moyen de renouveler leur volume d'air, soit manuellement (ouverture des fenêtres, extracteurs), soit naturellement par les effets du vent et du tirage thermique (non étanchéité des ouvrants, grilles de ventilation). Ce système n'est plus autorisé sur la construction neuve - il ne permet pas d'assurer des débits de ventilation minimum d'un point de vue sanitaire en toute saison, et génère des consommations d'énergie importantes.

• La ventilation par balayage : L'air neuf pénètre par des entrées d'air dans les pièces de vie, transite dans le logement à travers les passages de transit, l'air vicié est extrait dans les pièces de services par les bouches d'extraction, et est rejeté à l'extérieur. Le débit d'air neuf est proche du débit d'air repris, et est fixé réglementairement. La ventilation peut être naturelle (tirage thermique) ou mécanique (VMC).

Si la VMC (ventilation mécanique contrôlée) est dite à simple flux -un simple réseau d'extraction-, des entrées d'air sont positionnées au dessus des fenêtres, elles sont autoréglables (à débit constant), ou hygroréglables (dépendant de l'hygrométrie des pièces).

Si la ventilation est dite à simple flux par insufflation (VMI) -un simple réseau d'insufflation-, des bouches d'extraction statiques sont positionnées dans les pièces de service (cuisine, salle d'eau, wc).

Si la ventilation est dite à double flux -un réseau d'extraction et un réseau d'amenée d'air centralisé-, l'air est prélevé àl'extérieur par un ventilateur qui va amener l'air dans les pièces de vie, l'air vicié étant extrait par un autre ventilateur, à débit similaire. Les ventilations double flux sont pourvues d'un échangeur de chaleur, système quiva récupérer les calories de l'air évacué pour réchauffer l'air rentrant (avec des rendements de 60% pour des échangeurs à courants croisés et 80-90% pour les échangeurs à contre courant et les échangeurs rotatifs).

La ventilation doit pouvoir satisfaire toutes ses problématiques.

La ventilation est déterminée en volume/heure pour représenter le taux de renouvellement d'air. Le volume considéré est le volume chauffé. Les débits d'air sont mesurés en m3/h.

Ventiler, une perte d'energie ?

La mauvaise étanchéité à l'air d'un logement est sa première source de renouvellement d'air. Pour exemple, le bâti ancien assure un taux de renouvellement d'air d'environ 1 volume/heure naturellement. Un tel taux permet d'assurer une qualité d'air sans ajout de système mécanique mais a pour conséquence des consommations d'énergie importantes.

Une maison neuve construite avec les technologies actuelles présente des défauts d'étanchéité assurant un renouvellement de 0,3 volumes/heure. Ce renouvellement d'air parasite peut être réduit à 0,2 volumes/heure si les entreprises font attention lors de la réalisation. Les bâtiments dits « passifs – voir dossier La maison passive » réduisent les fuites à 0,03 volumes/heure.

Les règlementations thermiques imposent des débits d'extraction minimum dans les pièces de service, permettant une ventilation d'environ 0,50 volumes/heure du bâtiment. Si la ventilation est hygroréglable, le taux moyen de ventilation est abaissé à 0,35 volumes/heure.

La ventilation d'un logement doit permettre de répondre à un besoin minimum d'extraction, calculé selon le nombre et la typologie des pièces de service. Elle doit également répondre à un taux minimum de renouvellement d'air, en application du ratio 35m3/h par personne. Elle doit répondre enfin à un taux minimum et maximum de renouvellement d'air global, compris entre 0,3 et 0,7 volumes/heure.
Il est conseillé de ventiler une maison à 0,5 volumes/heure.

Diffusion de chaleur dans une maison

Le choix du système de ventilation et de la technique constructive est déterminant dans la consommation d'énergie future du bâtiment.

Ainsi, la technologie la plus répandue sur les maisons neuves est la VMC simple flux, généralement autoréglable. Dans ces systèmes, l'air qui entre dans les pièces de vie l'hiver vient directement de l'extérieur, l'air que l'on chauffe est alors aspiré vers les pièces de service et extrait vers l'extérieur. Cette déperdition est une source d'inconfort importante, puisque la température de la maison ne peut être homogène, elle nécessite de prévoir des appareils de chauffage conséquents pour chauffer rapidement cet air neuf. Généralement, le chauffage est assuré par convection (on chauffe l'air), la conservation de chaleur n'est pas possible puisque cet air ne reste pas plus de 2h dans le bâtiment avant d'être évacué.

La ventilation représente entre 20 et 30% des déperditions d'une maison. Cette déperdition est liée au taux de renouvellement d'air et à la qualité de l'étanchéité de l'enveloppe. Elle peut être réduite selon plusieurs stratégies (la pertinence varie selon les climats) :

• Diffuser la chaleur par rayonnement. Ce choix permet de réduire les pertes par convection et donc les déperditions liées à la ventilation. Un plancher chauffant, par exemple diffuse 60% de sa chaleur par radiations infrarouges et 40% par convection. La sensation de confort thermique est obtenue avec une température d'air réduite (19°C généralement). Les calories sont stockées dans la masse du plancher, il y a conservation de la chaleur.

  

• Réduire les pertes de la ventilation. En réduisant les fuites d'étanchéité du bâtiment (par exemple en faisant réaliser un test d'infiltrométrie après la mise hors d'air de la construction, qui permet de visualiser toutes les fuites d'air et les faire corriger avant reception des travaux), en réduisant le taux de renouvelement d'air du bâtiment par la mise en place d'une extraction hygroréglable (mais cela se fait au dépend de la qualité d'air), en récupérant les calories de l'air extrait par la mise en place d'une VMC double flux à récupération de chaleur.

La mise en place d'une ventilation en cascade nécessite de concevoir la maison de manière à créer un flux d'air des chambres vers le séjour vers les pièces d'eau.
Cette technique permet d'augmenter les débits d'aération douce dans les chambres et supprimer l'entrée d'air dans le séjour, en partant du principe que l'air va se vicier soit dans la chambre, soit dans le séjour, parce que les pièces ne sont pas occupées en même temps.

Ex: 4 chambres-1 séjour en cascade
4x30m3/h -> 120m3/h -> air extrait.
Ex: 4 chambres-1 séjour en balayage
4x20+1x60m3/h -> 140m3/h -> air extrait.

Pour un débit global inférieur, toutes les pièces sont ventilées avec des débits supérieurs aux débits sanitaires.

Dans un bâtiment très performant, les pertes par fuites d'étanchéité sont minimes (0,03 volumes/heures) et la récupération de chaleur de 85% sur l'air extrait. Si cette démarche est combinée avec une excellente isolation thermique, on peut envisager de maintenir une ambiance tempérée dans la maison sans système de chauffage dédié. La ventilation n'est plus une contrainte thermique.

Classement des différents systèmes de ventilation pour les économies d'énergie l'hiver, du moins bon au meilleur :

	Cout	Qualité d'air	Déperdition	Avis
Ventilation naturelle	*	**	*****	Débits variables selon le tirage thermique naturel et le vent. Pas d'ajustement selon l'utilisation du bâtiment.
VMC SF Autoréglable	*	****	****	Débits constants réglés en usine, consommation d'énergie importante, très bon marché.
VMC SF hygroréglable	**	**	***	Fait varier les débits d'air en fonction du besoin d'extraction. Soit la VMC est équipée d'une sonde hygro, soit les bouches le sont. Un peu plus cher que la VMC classique. Vous permet d'économiser de 10 à 35% sur vos pertes par ventilation.
VMI autoréglable	**	****	****	La maison est en surpression. Débits constants, consommation d'énergie importante, est généralement accompagné d'une batterie pour chauffer l'air dans les pièces de vie.
Le puits canadien+VMC SF	***	****	**	Vous insufflez de l'air préchauffé dans les pièces de vie. Débits constants. La maison est en légère surpression. Rafraichissement en été.
La VMC Double flux	***	****	*	Son échangeur de chaleur intégré vous permet de récupérer une partie de la chaleur de l'air sortant pour réchauffer l'air entrant. Préferer les échangeurs haut rendement.
puits canadien+VMC DF	****	****	-	Le puits canadien évite le givrage de l'échangeur de la VMC. L'effet du puits canadien l'hiver est anecdotique, sauf fortes amplitudes de températures l'hiver. Rafraichissement en été.
VMC thermodynamique	****	****	*	VMC avec pompe à chaleur sur air extrait. Dans une maison passive, la vmc est le système de chauffage. Rafraichissement en été.

Tous ces systèmes agissent au niveau de la ventilation. Ils ne préchauffent pas, ils diminuent les pertes thermiques causées par le renouvellement d'air

Des parois qui transpirent

Le terme "respirer/perspirer" signifie que la paroi n'est pas étanche à la vapeur d'eau.

Lorsqu'il existe une différence de pression de vapeur entre l'intérieur d'une maison et l'extérieur, la vapeur d'eau va exercer une pression sur le mur pour passer de l'intérieur vers l'extérieur.

La vapeur d'eau n'est pas seulement produite par la cuisine et la douche, les occupants rejettent entre un et cinq litres d'eau par jour par personne, en fonction de leur activité. Les activités ménagères contribuant en moyenne pour 3 litres d'eau par jour par personne. Ces quantités de vapeur vont s'ajouter à l'hygrométrie de l'air intérieur. On considère une ambiance hygrométrique confortable pour un taux de vapeur compris entre 45 et 65%. En deçà, si l'humidité est inférieure à 30%, la muqueuse respiratoire est desséchée, et ne peut plus arrêter les germes pathogènes. Au delà de 80%, il devient impossible de transpirer, d'ou inconfort.

• Le problème posé par les parois étanches : Dans les maisons conçues sur le principe de l'isolation par l'intérieur, un pare vapeur est disposé en face intérieure de l'isolant pour empêcher cette migration de vapeur et protéger l'isolant. Par exemple, dans le cas d'un mur monté en parpaing avec un doublage intérieur en laine minérale, le mur en parpaing est étanche à la vapeur d'eau. Si la vapeur d'eau migre à travers l'isolant, il est bloqué en face intérieure du parpaing. Comme en hiver ce matériau est froid, la vapeur d'eau condense. L'eau formée annule le pouvoir isolant de la laine minérale qui va progressivement se dégrader. D'ou le pare vapeur. Toutefois, le pare vapeur ne peut être parfaitement jointif sur tout le pourtour de l'isolation (problème de l'isolation par l'intérieur). La migration de vapeur se produit toujours mais seulement dans ces points localisés que sont les ponts thermiques. La vapeur d'eau condense en ces points et abîme l'isolant, créant une zone favorable au développement de moisissures. La seule réponse apportée à ce problème est de ventiler, pour ne pas avoir d'importantes différences de pression de vapeur, ou de ne pas mettre l'isolation à l'intérieur mais à l'extérieur pour ne pas avoir de ponts thermiques.

• Le problème posé par les parois à ossature bois : On peut empêcher la vapeur d'eau de migrer à travers le mur mais que faire de l'humidité présente dans les parois ? Les bois des constructions en ossature bois, et des charpentes ne sont jamais parfaitement secs lorsqu'ils sont mis en oeuvre. Ils vont sécher progressivement et si la paroi est étanche, la vapeur d'eau est confinée dans l'isolant. D'ou la nécessité de mettre en place un pare pluie étanche à l'eau mais perméable à la vapeur d'eau, et un freine vapeur hygrovariable coté intérieur.

Différents matériaux intérieurs, comme la terre crue par exemple, ont une possibilité d'absorption de vapeur d'eau. La cloison peut faire office de régulation passive des surplus de vapeur d'eau et amortir les variations du taux d'hygrométrie de l'air intérieur, limitant considérablement la pression de vapeur sur la paroi extérieure.

Les parois perspirantes permettent l'évacuation des surplus de vapeur vers l'extérieur naturellement. Pour cela, les différents matériaux composant la paroi doivent opposer une résistance de plus en plus faible au passage de la vapeur de l'intérieur vers l'extérieur. Il est nécessaire que le matériau isolant puisse accepter le passage de vapeur sans perte de pouvoir isolant.

Mettre en place une stratégie de paroi perspirante sur un projet fait qu'il n'est plus absolument nécessaire de mettre en place une VMC pour assurer l'évacuation de vapeur d'eau, sous peine de voir sa maison moisir en une semaine. Toutefois, si l'objectif est de faire une maison performante, celle ci doit être impérativement étanche à l'air. Il faut donc mettre en place une ventilation sur son projet, qui doit permettre d'assurer des débits d'aération de confort équivalents à ceux nécessaires pour la vapeur d'eau. Une paroi respirante est un non sens, elle peut être perméable à la vapeur d'eau, mais ne peut évacuer toutes les autre pollutions de l'air ambiant.

 

Principe de la VMC double-flux

Principe de fonctionnement

Dans une maison peu performante (c’est à dire à peu près la totalité de ce qui se construit actuellement), la ventilation est assurée pour partie par les fuites d’étanchéité et par une extraction mécanique qui jette en permanence la chaleur à l’extérieur.
Dans la mesure où l’on recherche la performance énergétique, un travail sera effectué sur l’isolation de l’enveloppe du bâti mais également sur son étanchéité à l’air. De ce fait, les systèmes de ventilation traditionnels posent des problèmes car ils sont trop déperditifs.
L’idée de la VMC double flux est de récupérer les calories de l’air extrait pour réchauffer l’air neuf. Pour cela, on croise les flux dans un échangeur de chaleur. L’air neuf peut donc être insufflé à température quasi ambiante.

La VMC double flux est un investissement de confort. La logique qui a toujours présidé depuis la mise en place des ventilations mécaniques a été de réduire les débits d’extraction pour réduire les déperditions. De ce fait, les maisons sont insuffisament ventilées, alors que dans le même temps, les sources de pollutions se sont multipliées. L’air neuf est filtré en amont donc l’air est propre et les débits plus importants en font une aération de confort.

VMC : investissement rentable ?

La VMC est également, contrairement aux apparences, un investissement économique dans la mesure où la logique est de faire une maison performante. En effet, dans les maisons classiques, on pense au système de chauffage avant de penser à la ventilation. Ce qui conduit à généraliser des solutions peu adaptées à la solution de chauffage.

Ici, la VMC double flux permet de réduire les besoins de chauffe, et peut permettre d’envisager d’utiliser un petit poêle à bois pour le chauffage. Dans ce cadre, l’ensemble chauffage+ventilation est MOINS coûteux qu’un ensemble chauffage central avec réseau de plancher chauffant. Dans les maisons passives, qui peuvent maintenir une ambiance tempérée sans système de chauffage conventionnel, la VMC double flux est souvent l’équipement qui distribue la chaleur dans la maison, par le biais d’un petit chauffage à eau chaude connecté sur l’air insufflé.

 

Les types d’échangeurs

Les fabricants de VMC annoncent des rendements de récupération de chaleur qui vont varier selon la technologie de leur échangeur. On peut les classer selon 4 technologies :
- Le courant croisé

Fonctionnement d’une VMC double flux avec échangeur à courants croisés
L’échangeur fait simplement croiser les flux d’air neuf avec l’air extrait, le rendement de récupération de chaleur est donc proche de 50-60%. On voit sur le schéma que la température de l’air soufflé dans les pièces de vie culmine à 10°C en cas de température négative extérieure.

- Le contre courant

Fonctionnement d’une VMC double flux avec échangeur à contre courants (sur l’exemple échangeur de surface 15 m²)
Les flux ne sont ici pas simplement croisés. Sur une partie du trajet de l’air, les flux sont croisés à contre courant, ce qui permet d’augmenter le rendement d’échange par rapport à l’échangeur à courants croisés. La température de soufflage est donc plus élevée : ici 16.2°C contre 10°C précédement.

- Le rotatif. Surtout utilisé sur des grands volumes et dans les pays scandinaves en maison individuelle.
- Le contre courant à enthalpie. En plus de la récupération de chaleur par l’échangeur à contre courant, une membrane récupère transfère l’humidité de l’air extrait à l’air neuf.

Le rôle d’un puits canadien est de protéger l’échangeur d’un éventuel givrage en cas de température négative. Il augmente également le rendement d’échange de la VMC. Il apporte surtout un rafraîchissement estival appréciable.

 

Quel est le rendement d’une VMC ?

Comprendre pourquoi le rendement d’une installation de ventilation peut varier en fonction de différents facteurs.

1 - Le rendement annoncé

Le rendement présent sur les documentations constructeur est un degré de disponibilité thermique, c’est à dire qu’il est constitué sur une base d’air humide, sur un différentiel air neuf/air vicié de 20°C. Le rendement est influencé par l’isolation du caisson (si un caisson est peu isolé, il récupère la chaleur de la pièce), et le dégagement de chaleur des entrainements des ventilateurs.
Le rendement est mesuré aux entrées et sorties de l’appareil.

On voit sur le schéma que plus le trajet de l’air neuf est important et plus l’air neuf peut potentiellement récupérer les calories du local pour se réchauffer. Il faut aussi voir que le phénomène inverse se produit sur le rejet de la VMC, puisque l’air froid avant de sortir capte les calories du local.

2 - Le rendement réel de l’échangeur

Le rendement réel prend en compte les calories récupérées uniquement par l’échangeur de chaleur. Il est généralement 10% plus faible que le rendement annoncé. C’est sur cette base que sont donnés les rendements de notre documentation.

Prendre en compte le rendement réel de la VMC est fondamental : les différences d’environ 10% constatées induisent des consommations énergétiques différentes. Il est donc usuellement conseillé de tenir compte soit d’un certificat du Passiv Haus Institut lorsqu’il existe, soit retirer forfaitairement 12% au rendement annoncé par le fabricant.

Certificat passif d’une VMC de Zenhder
Les certificats réalisés par le Passiv Haus Institut sont téléchargeables sur le site www.passiv.de. On voit notamment que le rendement de la ConfoD350 de Zenhder est créditée de 84% de rendement réel.

3 - Le rendement thermique de l’installation

Le rendement de l’installation dépend de la conception et la réalisation du système de ventilation. Ce paramètre peut sembler secondairemais il sera essentiel de limiter les déperditions du réseau pour obtenir un rendement d’installation proche du rendement échangeur :

- en isolant les conduits air neuf et rejet extérieur, car ces conduits font circuler un air froid. S’ils étaient insuffisament isolés, ils refroidiraient le local technique. L’air neuf se réchauffe en amont de l’échangeur : le rendement baisse.

- en utilisant des conduits de distribution (air extrait et air neuf) étanches à l’air. Toutes les connexions si elles ne sont pas parfaitement étanches, ou si le conduit est fragile (peut se percer) créent des fuites d’air et conduisent à dissiper une partie des calories et une baisse de débits au niveau des bouches.

4 - L’étanchéité à l’air, facteur essentiel

Le rendement global est influencé par les fuites d’air de la maison. Pour résumer, l’objectif de renouvelement d’air est d’insuffler dans la pièce de vie et récupérer l’air qui se sera vicié entre temps dans la pièce d’eau. Mais chaque fuite crée une possibilité pour cet air neuf (à température) de sortir de la maison. De même que l’extraction de la pièce d’eau crée une depression qui va attirer l’air extérieur (c’est le chemin le plus court).
Dans ce cadre, la réalisation d’un test d’étanchéité à l’air est fortement recommandée pour valider avant livraison du chantier la bonne qualité de l’enveloppe et indirectement le bon fonctionnement de la VMC double flux.

Alors qu’avec une VMC simple flux, l’augmentation des déperditions est minime, pour une VMC double flux, l’impact est considérable. Les déperditions liées au renouvellement de l’air sont réduite à 4% si la maison est bien étanche. Si l’étanchéité est mauvaise, ces déperditions peuvent aller jusqu’à 18%. En tenant compte de la consommation électrique supérieure de la VMC double flux, cette solution n’a plus aucun intêret.

Le diagramme a été réalisé à partir des abaques issus du document “perméabilité à l’air des bâtiments”, réalisé par le CETE de Lyon en 2007. On y voit notamment que sur une maison existante, peu étanche à l’air, l’installation d’une VMC double flux n’est pas pertinente, car l’échange est parasité par les fuites.

Les niveaux d’étanchéité requis pour le BBC-Effinergie (Q4 < 0.6 m3/h.m2) sont insuffisants également : il convient lorsqu’une installation double flux est installée de se rapprocher du zéro fuites, necessitant la mise en oeuvre d’une démarche Qualité sur l’étanchéité à l’air.

 

Exemple de chute de rendement lié à des défauts de conception et réalisation

Le bon fonctionnement d’une VMC double flux ne dépend pas que du bon choix du caisson. Son rendement théorique ne donne qu’une première indication sur la performance de l’installation.
Une bonne conception de réseau (limiter les longueurs, diamètres adaptés, conduits adaptés et isolés) permet de limiter les déperditions du réseau qui peuvent être considérables.
Une bonne réalisation est essentielle. Le réseau de distribution d’air doit être étanche à l’air. Si celui ci est réalisé par un professionnel, il doit être formé à la ventilation double flux (qui n’a que peu à voir avec la ventilation simple flux !)
Enfin, une bonne étanchéité à l’air du bâtiment est essentielle au bon fonctionnement de l’ensemble.
Ici, on voit que sur une installation “classique”, le rendement annoncé (97%) et la réalité (65%) sont très différents. Cela se traduit par une température de soufflage plus basse, et une consommation de chauffage plus importante.

 

Dimmensionner une VMC double flux

A suivre

 

Pour toute question sur ce dossier : contact@fiabitat.com