Chauffage des halls de grande hauteur : étude comparative

Par Francis BRUNN - Société HOVAL - Décembre 2020

La problématique

60% des salariés estiment que leur environnement de travail influence leur plaisir à venir travailler. Le confort thermique ressenti par les salariés sur leur lieu de travail est une dimension importante du bien-être au travail. Cependant, il n'est pas toujours facile d'assurer un niveau satisfaisant de confort thermique, notamment au sein d'un hall industriel, de stockage ou de maintenance. En plus de leur hauteur sous plafond élevée, les ouvertures vers l'extérieur sont souvent nombreuses, sans oublier les obstacles potentiels à une diffusion de l'air (hauts rayonnages, machines etc.).

halls de grande hauteur

Une simulation réalisée par le bureau d'études SOLSI-CAD sur le logiciel CFD permet d'apporter des éléments objectifs quant à la comparaison de l'efficacité de deux types de systèmes de chauffage pour hall de grande hauteur. Cette étude compare le niveau de confort thermique des opérateurs d’un hall de production aéronautique obtenu avec deux systèmes de chauffage : une première solution avec panneaux rayonnants et une seconde solution avec aérochauffeurs Hoval TopVent® équipés du diffuseur Air-Injector.

Après une rapide présentation des deux systèmes de chauffage testés, cette parole d'expert vous propose un aperçu des conclusions de cette étude comparative en termes de gestion de température du volume d'air et du confort thermique ressenti par les opérateurs travaillant dans le hall.

Les solutions produits étudiées

Voici un résumé des données communes aux deux configurations qui ont servi de base à la réalisation des simulations à l'aide du logiciel CFD par le bureau d'études SOLCI-CAD :

- Objectif : obtenir une température de consigne de 18°C dans le hangar.
Nature et dimensions du bâtiment : hangar aéronautique, longueur 144 m, largeur 83 m, hauteur sous plafond 30 m (12 000 m²) .
- Un avion de type A321 est placé au milieu du bâtiment.
Déperditions thermiques appliquées : 450 kW.
- Régime d'eau chaude : 80 – 60°C.

Voyons maintenant les caractéristiques générales des deux solutions de chauffage pour hangar.

Solution N°1 : système de chauffage avec panneaux rayonnants

hoval panneaux rayonnants chauffage

Figure 1: bâtiment étudié – Vue iso

  • Hangar équipé de 10 panneaux rayonnants de 136m de longueur et 0,9m de large.
  • Température moyenne des panneaux rayonnants : 75°C
  • Objectif : obtenir une température moyenne de 18°C dans le hangar.

Caractéristiques techniques des panneaux rayonnants :

  • Plaque rayonnante en acier d'épaisseur 1,2 mm
  • Tubes en acier électro soudé diamètre 28 mm
  • Emissivité de la surface rayonnante ε = 0,96

Solution n°2 : système de chauffage avec aérochauffeurs TopVent® équipés du diffuseur Air-Injector

Aérochauffeurs Topvent chauffage Hoval

Figure 2 : bâtiment étudié en intégrant un avion de type A 321 – Vue iso du système de chauffage avec aérochauffeurs Hoval TopVent® équipés du diffuseur Air-Injector

Le hangar industriel est équipé de :

  • 12 aérochauffeurs Hoval TopVent® TH-9 situés au plafond pulsent de l’air à 31,5°C pour un débit total de 108 000 m3/h,
  • 6 bouches d’extraction sont placées à 20m de haut et mesurant chacune 1590 x 1600mm.

Caractéristiques techniques du diffuseur à pulsion giratoire Air-Injector équipant les aérochauffeurs TopVent® :

  • Température de pulsion : 31,5°C
  • Débit d’air : 9000 m3/h
  • Vitesse de rotation du ventilateur : 1041 tr/min

Dans ces conditions de soufflage, les déperditions thermiques appliquées aux locaux sont de 450 kW pour obtenir une température moyenne d’environ 18°C.

Air-Injector Hoval TopVent

Figure 3 : diffuseur à pulsion giratoire Air-Injector équipant les aérochauffeurs Hoval TopVent®

Le système d’introduction et de distribution d’air breveté via l’Air-Injector de Hoval limite la stratification thermique dans les halls. L’écart entre la température ambiante sous toiture et la température extérieure reste faible, tout comme les pertes d’énergie par le toit. L'efficacité et la performance de la diffusion d'air de l'Air-Injector permettent une grande portée des composants, ce qui réduit considérablement le débit d'air requis à l'installation, comparé aux autres systèmes. Les économies se font non seulement à l'investissement, mais aussi sur les besoins énergétiques et les coûts d'exploitation.

Conclusions de l'étude concernant la gestion de température

1) Système de chauffage industriel avec panneaux rayonnants

D'après l'étude réalisée par SOLSI-CAD, on observe un phénomène de stratification : la température en partie haute du hangar est de 20-22°C, alors qu'elle est de 17°C au sol et surtout sous l'avion. Cela signifie qu’une part importante de l’énergie fournie par les panneaux rayonnant n’est pas efficace et chauffe une partie non utile du volume. C'est pourquoi la puissance installée en panneaux rayonnant doit être nécessairement plus élevée que celle pour les aérochauffeurs Hoval TopVent® pour obtenir la même température au niveau du sol. Ainsi, cela génère un surcoût d'investissement, ainsi que des charges d'exploitation plus élevées en raison des déperditions occasionnées par la stratification.

On observe également une zone de plus faible température correspond à une zone plus ombragée, située en dessous de l'avion qui fait figure d'obstacle à une diffusion homogène de la chaleur. C'est le phénomène d’ombrage.

température chauffage industriel Hoval

Figure 4 : contours de température dans un plan vertical [°C] – Vue de face - Système de chauffage industriel avec panneaux rayonnants

2) Système de ventilation industriel avec aérochauffeurs Hoval TopVent®

On observe que la température de l'air pulsé par les aérothermes Hoval TopVent® équipés du diffuseur à pulsion giratoire Air-Injector s'homogénéise progressivement dans le volume d'air global, y compris sous l'avion. En effet, le brassage d'air qui s'opère avec une technologie de soufflage permet d'atteindre une température confortable, même sous un obstacle.

température aérochauffeurs Hoval TopVent

Figure 5 : contours de température dans un plan vertical [°C] – Vue de face - Système de chauffage industriel avec aérochauffeurs Hoval TopVent®

Conclusions de l'étude concernant le confort thermique

 panneaux rayonnants aérochauffeurs Hoval

Figure 6 : pourcentage d'insatisfaction dans un plan à 1,75m du sol – à gauche avec panneaux rayonnants, à droite avec aérochauffeurs Hoval TopVent®

Selon l'étude comparative réalisée par SOLCI-CAD, le pourcentage de personnes insatisfaites est de 13% pour le système de chauffage avec panneaux rayonnants (figure de gauche), alors que ce taux est de seulement 6% avec les aérochauffeurs TopVent® équipés du diffuseur Air-Injector (figure de droite). La figure 6 modélise un confort thermique beaucoup plus homogène dans tout le hangar pour la solution de ventilation décentralisée avec technologie de soufflage.

Quels enseignements retenir de cette étude ?

Du point de vue des puissances des systèmes installés, la puissance en panneaux rayonnants devra être nécessairement plus élevée que celle pour les aérochauffeurs Hoval TopVent® afin d'obtenir la même température au niveau du sol. Par conséquent, un surcoût d'investissement, ainsi que des charges d'exploitation plus élevées sont à prévoir dans le cadre d'une installation avec panneaux rayonnants.

Concernant le confort thermique, pour les deux technologies, les vitesses d’air sont très faibles. Il n'y a donc pas d'effet de courant d'air perçu dans le hall, malgré la hauteur élevée sous plafond (30m). Cependant, la différence entre la température de l'air et la température rayonnée ou soufflée peut être une source importante d'inconfort. En effet, avec les panneaux rayonnants, on peut se trouver dans la situation où la température de l’air est de 10 °C et la température rayonnée de 25°C. Un système de chauffage avec soufflage est plus réactif : la montée en température est plus homogène plus rapidement, même sous un obstacle tel qu'un avion. Le système de chauffage avec aérochauffeurs Hoval TopVent® équipés de l'Air-Injector présente un avantage indéniable au niveau du confort thermique.
 

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