FR2728331A1 - Procede et dispositif de modulation de la ventilation de locaux - Google Patents
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Abstract
L'invention a pour objet un procédé et un dispositif de modulation de la ventilation de locaux dont l'occupation est variable. On compte le nombre de mouvements des occupants de chaque local pendant un temps donné, on en déduit une information reliée à l'activité des occupants et à leur nombre, on compare cette information à une information préalable sur le type d'occupation du local, et on utilise le signal obtenu pour moduler le débit de ventilation du local considéré. Sur la figure 1, les ordonnées à gauche représentent l'activité mesurée, les abscisses représentent le temps, et les ordonnées à droite représentent le taux de ventilation; le régime de fonctionnement tracé suivant (5) comporte une hystérésis de 3 unités de temps par rapport au régime tracé suivant (4)
Description
La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de
modulation de la ventilation de locaux; I'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; après les crises 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).
Il existe aussi des systèmes de comptage des personnes 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 C02 n'est économiquement possible que dans les grandes pièces et, de plus, ce type de régulation entraîne un taux de C02 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 l'occupation, c'est-àdire
le nombre d'occupants et leur taux d'activité, est variable.
Le procédé de modulation de la ventilation de locaux suivant l'invention est caractérisé en ce que l'on compte le nombre de mouvements des occupants de chaque local pendant un temps donné, on en déduit une information reliée à l'activité des occupants et à leur nombre, on compare cette information à une information préalable sur le type d'occupation du local, et on utilise le signal obtenu pour moduler le débit de ventilation du
local considéré.
Le comptage du nombre de mouvements est obtenu par un détecteur pyroélectrique, 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.
L'information sur le type d'occupation du local permet de traiter différemment des locaux dans lesquels les activités sont différentes: à nombre d'occupants égal, il faut un débit d'air plus élevé dans un gymnase
que dans une salle de réunion.
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 décroît, 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 en decà 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; I'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.
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, +
= 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 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 " i 5 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 dispositif suivant l'invention est associé à un terminal de ventilation qui 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 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.
On va décrire, à titre non limitatif, plusieurs exemples de mise en oeuvre du procédé et du dispositif de modulation de la ventilation de locaux, objet de l'invention, en se référant au dessin annexé, dans lequel: Figure 1 est un diagramme illustrant le principe du procédé 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); I'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.
1 5 Le signal électrique module le débit de ventilation du local considéré.
Ce débit est représenté par les diagrammes en trait plein, 4, ou tireté, 5: ces diagrammes donnent le taux d'ouverture d'un volet dans une veine d'air, porté en ordonnées à droite (de O 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 10 par un moteur électrique 1 1 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 arrête le moteur quand la position
prévue est atteinte.
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.
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, I'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, I'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
Pascals.
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 o 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 retard en diminution de débit pour évacuer les pollutions restantes après occupation du local (exemple
de la salle de restaurant o les convives fument à la fin du repas).
1 5 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.
Claims (10)
1. Procédé de modulation de la ventilation de locaux, caractérisé en ce que l'on compte le nombre de mouvements des occupants de chaque local pendant un temps donné, on en déduit une information reliée à l'activité des occupants et à leur nombre, on compare cette information à une information préalable sur le type d'occupation du local, et on utilise le signal obtenu pour
moduler le débit de ventilation du local considéré.
2. Procédé de modulation de la ventilation de locaux, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le comptage du nombre de mouvements est obtenu par un détecteur pyro-électrique tel qu'un capteur passif de rayonnement infrarouge, une lentille multiple de découpage du local
en zones, et une électronique de traitement de type connu.
3. Procédé de modulation de la ventilation de locaux, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les mouvements sont comptés de façon cyclique, avec une période inférieure à trente secondes, ce comptage
étant utilisé pour incrémenter un compteur.
4. Procédé de modulation de la ventilation de locaux suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit compteur est lu à intervalles réguliers inférieurs à trente minutes, la valeur lue étant comparée à une valeur préenregistrée fonction du type d'occupation du local, pour délivrer un signal
de sortie, et le compteur est remis à zéro après chaque lecture.
5. Procédé de modulation de la ventilation de locaux suivant les
revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le signal de sortie prend en
compte plus d'une lecture du compteur (moyenne sur un nombre donné de
lectures, suppression de lectures non significatives, introduction d'un retard).
6. Procédé de modulation de la ventilation de locaux suivant les
revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le signal de sortie est traité en
fonction des caractéristiques du local à ventiler et du matériel de modulation
associé (linéarité, continuité, taux de variation).
7. Dispositif de modulation de la ventilation de locaux, pour la mise en
oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce
qu'il comprend 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 raport de 1 à 4.
8. Dispositif de modulation de la ventilation de locaux, selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'organe de réduction de la section de ventilation, placé dans le conduit ou en terminal, possède un volet dont la
position variable est commandé par un moteur.
9. Dispositif de modulation de la ventilation de locaux, selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'organe de réduction de la section de ventilation, placé dans le conduit ou en terminal, possède une poche déformable dont la pression intérieure est variable, associée ou non à un volet.
10. Dispositif de modulation de la ventilation de locaux selon les
revendications 7 à 9, caractérisé en ce que ledit organe de réduction de la
section de ventilation délivre un débit maximum de 100 à 500 m3/h par pas
fixes de 15 à 50 m3/h, respectivement 10 à 20 % du débit maximum.
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