Concevoir une Centrale de Traitement d'Air (CTA) ne s'improvise pas : chaque paramètre — débit, température, pression — découle logiquement du précédent.
Ce guide déroule l'enchaînement complet à partir d'un cas concret : un local tertiaire de 100 m² (hauteur sous plafond 2,70 m, soit 270 m³), accueillant jusqu'à 20 personnes en usage bureau ou salle de réunion. Les méthodes exposées s'appuient sur les référentiels européens (EN 16798, EN 13053, EN 1886, EN 308) et français (RE2020, DTU, RSDT). Il s'agit ici d'un prédimensionnement manuel simplifié !.
▣ Sommaire
Calcul des charges thermiques
Hypothèses climatiques : 32 °C/26 °C en été et −5 °C/20 °C en hiver . Températures de soufflage (16 °C froid, 35 °C chaud) et débit hygiénique (25 m³/h/pers., référence bureaux) .
Le bilan thermique détermine la puissance que la CTA doit fournir ou extraire. On distingue deux natures de charges : les charges sensibles, qui font varier la température sans modifier l'humidité, et les charges latentes, liées à la vapeur d'eau émise par les occupants, qui font varier l'humidité sans changer la température.
La charge sensible par transmission à travers une paroi s'écrit :
Φ = U × A × ΔT
où Φ est la puissance échangée (W), U le coefficient de transmission thermique de la paroi (W/m²·K), A sa surface (m²) et ΔT l'écart de température entre intérieur et extérieur (K). À cela s'ajoutent les apports solaires (vitrages), les charges internes (occupants, éclairage, bureautique) et le renouvellement d'air, traité en point 4.
Pour un occupant en activité bureau assise, l'EN 16798-1 retient environ 70 W de chaleur sensible et 50 W de chaleur latente par personne.
| Poste (été, 32 °C ext. / 26 °C int.) | Sensible (W) | Latent (W) |
|---|---|---|
| Occupants (20 pers. × 70/50 W) | 1400 | 1000 |
| Éclairage (10 W/m²) | 1000 | – |
| Bureautique (15 W/m²) | 1500 | – |
| Parois + apports solaires | 2500 | – |
| Total | 6400 W | 1000 W |
Charge totale été = 6400 + 1000 = 7400 W (7,4 kW). En hiver, on retient prudemment la seule charge de déperdition (transmission + renouvellement d'air), sans compter les apports internes qui offrent une marge de sécurité.
Détermination des débits d'air
Le débit hygiénique réglementaire (Code du travail / RSDT) impose un minimum de 25 m³/h par occupant en bureau : Qv_hyg = 20 × 25 = 500 m³/h.
Le débit de soufflage se déduit de la charge sensible à évacuer :
Qv = Φsensible / (0,34 × ΔTsoufflage)
où Qv est en m³/h, Φsensible en W, et 0,34 Wh/(m³·K) la constante ρ×Cp de l'air (masse volumique × chaleur massique). Avec un ΔT de soufflage de 10 K (confort, évite les courants d'air) : Qv = 6400 / (0,34 × 10) ≈ 1900 m³/h.
| Débit | Définition | Valeur retenue |
|---|---|---|
| Hygiénique/réglementaire | Minimum sanitaire par occupant | 500 m³/h |
| Soufflage | Évacue la charge sensible | 1900 m³/h |
| Reprise | Soufflage moins extractions locales | 1800 m³/h |
| Extraction | Locaux annexes (sanitaires…) | 100 m³/h |
| Air neuf | Max(hygiénique, calculé) | 500 m³/h |
Choix du mélange air neuf / air repris
Le taux d'air neuf est ici de 500/1900 ≈ 26 % ; les 74 % restants sont recyclés via le caisson de mélange (section normalisée EN 13053), équipé de registres opposés motorisés. Ce taux se module selon la stratégie retenue : free-cooling en mi-saison (augmentation du taux d'air neuf quand il est plus favorable que l'air repris), ou pilotage par sonde CO2 pour ajuster le renouvellement à l'occupation réelle. Le débit hygiénique minimal doit néanmoins toujours être garanti, même en cycle recyclage maximal.
Dimensionnement de la batterie chaude
La température d'air après mélange se calcule par pondération des débits :
Tmélange = (Qan × Text + Qrec × Tint) / Qsoufflage
En hiver (Text = −5 °C, Tint = 20 °C, Qan = 500, Qrec = 1400) : Tmélange = (500×(−5) + 1400×20) / 1900 ≈ 13,4 °C. La température de soufflage visée pour compenser les déperditions est fixée à 35 °C, soit ΔT = 21,6 K (arrondi 22 K).
Puissance de la batterie : P = 0,34 × Qv × ΔT = 0,34 × 1900 × 22 ≈ 14,2 kW.
Côté eau, avec un régime 70/50 °C (ΔTeau = 20 K) :
Qw (m³/h) = P (kW) / (1,163 × ΔTeau)
1,163 Wh/(L·K) est la constante ρ×Cp de l'eau. Qw = 14,2 / (1,163×20) ≈ 0,61 m³/h (610 L/h). Dans un tube DN20 (section ≈ 3,14 cm²), la vitesse d'eau v = Qw / (3600 × A) ≈ 0,54 m/s, conforme à la plage recommandée (0,5 à 1,5 m/s).
| Paramètre batterie chaude | Valeur |
|---|---|
| Puissance | 14,2 kW |
| T entrée / sortie air | 13,4 °C / 35 °C |
| Régime d'eau | 70/50 °C |
| Débit d'eau | 0,61 m³/h |
| Vitesse d'eau | 0,54 m/s |
| Perte de charge eau (ordre de grandeur) | 10 à 20 kPa |
| Rendement d'échange (2-3 rangs) | 90 à 95 % |
Dimensionnement de la batterie froide
Même logique côté été (Text = 32 °C, Tint = 26 °C) : Tmélange = (500×32 + 1400×26) / 1900 ≈ 27,6 °C. Avec une température de soufflage de 16 °C, la puissance sensible vaut : Psens = 0,34 × 1900 × (27,6−16) ≈ 7,5 kW.
Pour la puissance latente, on utilise l'humidité absolue (g d'eau/kg d'air sec) et la relation approchée :
Plat (W) = 0,68 × Qv (m³/h) × Δr (g/kg)
Avec une humidité de mélange r_mel ≈ 11,4 g/kg et une humidité de soufflage nécessaire pour absorber la charge latente locale d'environ 9,7 g/kg, Δr ≈ 1,7 g/kg, soit Plat = 0,68 × 1900 × 1,7 ≈ 2,2 kW. Puissance totale = 7,5 + 2,2 ≈ 9,7 kW.
Le point de rosée batterie (température apparente de surface, ADP) est estimé ici à 9 °C. Le facteur de bypass mesure la fraction d'air qui traverse la batterie sans contact complet avec les ailettes :
BF = (Tsoufflage − TADP) / (Tmélange − TADP)
Batterie froide = (16−9) / (27,6−9) ≈ 0,38. supérieur à 0,3 indique généralement une batterie sous-dimensionnée en nombre de rangs.
Le facteur de bypass calculé (0,38) est volontairement un peu élevé pour illustrer le point de vigilance sur le nombre de rangs !
Pour un système à eau glacée, régime 7/12 °C (ΔTeau = 5 K) : Qw = 9,7 / (1,163×5) ≈ 1,67 m³/h. En DN25, vitesse ≈ 0,95 m/s (plage recommandée : 0,5 à 2 m/s). En détente directe, la température d'évaporation se situe environ 5 à 8 K sous l'ADP, soit 2 à 4 °C. Le débit de condensats généré (déshumidification) avoisine 3,9 kg/h ; la perte de charge air d'une batterie froide humide se situe typiquement entre 100 et 150 Pa.
| Paramètre batterie froide | Valeur |
|---|---|
| Puissance sensible / latente / totale | 7,5 / 2,2 / 9,7 kW |
| Point de rosée (ADP) | 9 °C |
| Facteur de bypass | 0,38 |
| Régime eau glacée | 7/12 °C |
| Débit / vitesse eau glacée | 1,67 m³/h / 0,95 m/s |
| Condensats | ≈ 3,9 kg/h |
Calcul des pertes de charge
Les pertes de charge singulières (filtres, batteries, registres, coudes, tés) suivent la relation :
ΔP = ζ × 0,5 × ρ × v²
où ζ est un coefficient adimensionnel propre à l'élément, ρ = 1,2 kg/m³ (masse volumique de l'air) et v la vitesse (m/s). Les pertes linéiques en gaine dépendent du régime d'écoulement (formule de Darcy-Weisbach) et sont généralement lues sur abaque plutôt que calculées à la main.
| Élément | Perte de charge typique |
|---|---|
| Filtre grossier (ePM10/G4) | 50 à 150 Pa |
| Filtre fin (ePM1/F7-F9) | 100 à 250 Pa |
| Batterie (chaude ou froide) | 80 à 150 Pa |
| Registres | 10 à 30 Pa |
| Silencieux | 20 à 50 Pa |
| Gaines (perte linéique) | 0,5 à 1,5 Pa/m |
| Coudes / tés | ζ = 0,2 à 1,5 |
| Diffuseurs / grilles / clapets | 10 à 30 Pa |
Pour notre cas, la somme de ces pertes (filtration double étage, batteries, réseau moyen) atteint typiquement 650 Pa, valeur retenue pour le choix du ventilateur.
Dimensionnement du ventilateur
Débit à véhiculer : Qv = 1900 m³/h = 0,528 m³/s. Pression totale à vaincre : ΔPt ≈ 650 Pa (issue du point 6). La puissance aéraulique absorbée par le ventilateur s'écrit :
Pabs (W) = Qv (m³/s) × ΔPt (Pa) / ηvent
Avec un rendement de ventilateur centrifuge ηvent = 0,65 : Pabs = 0,528 × 650 / 0,65 ≈ 528 W. En intégrant le rendement moteur (ηmoteur = 0,85), la puissance électrique absorbée atteint 528/0,85 ≈ 621 W. Sur une base de 2500 heures de fonctionnement annuel (bureaux), la consommation annuelle s'élève à 0,621 × 2500 ≈ 1550 kWh/an.
| Paramètre ventilateur | Valeur |
|---|---|
| Débit | 1900 m³/h (0,528 m³/s) |
| Pression totale | 650 Pa |
| Pression statique (≈ Pt − Pdyn) | ≈ 610 Pa |
| Puissance absorbée (aéraulique) | 528 W |
| Puissance électrique (avec moteur) | 621 W |
Calcul des vitesses d'air
La vitesse conditionne à la fois le bruit et les pertes de charge (qui varient au carré de la vitesse). Une vitesse excessive génère un niveau sonore qui croît très rapidement (le bruit aéraulique varie environ avec la puissance 5 à 6 de la vitesse), augmente la perte de charge (donc la consommation du ventilateur) et peut provoquer un inconfort par courant d'air en zone occupée dès que la vitesse résiduelle dépasse 0,2 à 0,3 m/s.
| Emplacement | Vitesse recommandée |
|---|---|
| Gaine principale | 5 à 8 m/s |
| Gaine secondaire | 3 à 5 m/s |
| Face batterie | 2 à 3 m/s |
| Face filtre | < 2,5 m/s |
| Diffuseur de soufflage | 1,5 à 3 m/s |
| Grille de reprise | < 3 m/s |
Choix des filtres
La norme ISO 16890, qui a remplacé l'EN 779, classe les filtres selon leur efficacité sur les particules fines (ePM1, ePM2.5, ePM10, Coarse). Une filtration étagée est recommandée : un préfiltre (ePM10, équivalent ancien G4) protège les batteries de l'encrassement grossier, suivi d'un filtre fin (ePM1, équivalent F7-F9) qui assure la qualité d'air visée. La perte de charge du filtre augmente avec le colmatage : un manomètre différentiel permet de suivre cette dérive et de déclencher le remplacement, généralement au double de la perte de charge initiale à l'état neuf.
Limites de la méthode
Les calculs présentés constituent une méthode manuelle simplifiée, suffisante pour un prédimensionnement ou une vérification d'ordre de grandeur. La sélection définitive des composants (nombre exact de rangs de batterie, choix du ventilateur à commutation électronique, courbes de perte de charge réelles) doit être validée par le logiciel de sélection du fabricant, qui s'appuie sur des données d'essai certifiées Eurovent conformément à l'EN 1886 (classes de caisson) et l'EN 308 (efficacité des échangeurs). Cette étape reste indispensable avant toute commande.
