Tours aéroréfrigérantes (TAR) – ICPE
Analyse thermo-aéraulique d'une toiture de bureaux
L’étude porte sur les tours aéroréfrigérantes situées en toiture d’un bâtiment de bureaux. Ces systèmes de refroidissement sont essentiels pour assurer la climatisation des personnes et des locaux techniques des espaces informatiques. C’est pourquoi il est nécessaire qu’ils fonctionnent de manière optimale. Lors de cette étude, le principe de bouclage des systèmes a été étudié et des solutions ont été conseillées afin d’y remédier.
Etudes de tours aéroréfrigérantes dans le cadre d'un projet ICPE
Année
2024
Client
SETEC
Localisation
France
Typologie
Air & Vent
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Etude des tours aéroréfrigérantes de bureaux ICPE
Le refroidissement de bureaux
L’étude réalisée par la société EOLIOS porte sur le dimensionnement et l’implémentation des systèmes de tours aéroréfrigérantes (TAR) en toiture de bureaux ICPE (Installations classées protection de l’environnement).
Les tours aérofrigérantes sont une solution efficace pour les bâtiments nécessitant une évacuation importante de chaleur. Elles tirent parti de l’air extérieur pour refroidir l’eau, offrant ainsi une alternative économe en énergie par rapport aux systèmes de climatisation traditionnels. Grâce à leur moindre consommation énergétique, elles contribuent à réduire l’impact environnemental.
Les tours aéroréfrigérantes : Principe de fonctionnement
Les tours aéroréfrigérantes sont des systèmes de refroidissement utilisant l’air ambiant pour dissiper la chaleur. Leur fonctionnement repose sur le principe de l’évaporation de l’eau. Une TAR est généralement constituée d’une structure en forme de tour contenant des panneaux ou des rembourrages. L’eau chaude provenant des systèmes de refroidissement est pompée vers le sommet de la tour, où elle est distribuée uniformément sur les panneaux ou rembourrages. Simultanément, de l’air extérieur est aspiré dans la tour à travers des ventilateurs. Lorsque l’air entre en contact avec l’eau répandue sur les panneaux ou rembourrages, elle s’évapore partiellement, ce qui provoque un échange thermique. Cette évaporation de l’eau absorbe la chaleur de l’air et, par conséquent, refroidit l’eau circulant dans la tour.
L’air maintenant chargé d’humidité s’échappe de la tour par des ventilateurs situés au sommet. L’eau refroidie, quant à elle, est recueillie dans un réservoir en bas de la tour, puis pompée de nouveau vers le système de refroidissement. Ce processus se déroule en continu, assurant ainsi un refroidissement efficace et le maintien d’une température stable à l’intérieur du bâtiment. L’objectif principal est d’assurer un refroidissement efficace des bureaux en validant le dimensionnement et l’implantation des systèmes TAR présents en toiture. Il s’agit également d’améliorer la performance globale et l’efficacité énergétique des TAR afin de minimiser la consommation d’énergie. L’objectif de cette étude est de valider le dimensionnement et l’implémentation des systèmes TAR sur le toit du bâtiment. Pour cela trois paramètres seront utilisés : les températures, vitesses et humidités autour des TAR.
Simulation numérique des conditions autour des TAR
Modélisation du bâtiment ICPE
L’étude a été réalisée en utilisant la simulation CFD. Cette méthode permet de modéliser et d’analyser les flux de fluides entrant et sortant des TAR. Dans le cadre de cette étude, un modèle 3D du bâtiment concerné a été développé. Ce modèle représente en détail la structure du bâtiment ainsi que son environnement dans un rayon de 400 mètres. Il a été réalisé à partir de plan de coupe du projet ainsi que d’une maquette 3D fournies.
La prise en compte des bâtiments environnants permet une plus grande précision sur l’évolution du vent sur site. En effet, le site étant dense en infrastructure, ceux-ci constituent un grand nombre de masques aérauliques influençant grandement l’évolution de l’air. Le bâtiment d’étude a été modélisé avec précision. Les TAR présents sur la toiture ont été modélisés selon les fiches techniques fournies par le client. Il y a 6 TAR présents sur la toiture.
Simulation CFD : Outil précis pour l'analyse des conditions environnementales des TAR
La simulation CFD permet d’obtenir des résultats précis et détaillés, en prenant en compte de nombreux facteurs tels que la géométrie du bâtiment, les conditions environnementales, ou encore les propriétés des matériaux utilisés. Grâce à la simulation CFD, les ingénieurs d’EOLIOS peuvent apporter des solutions techniques et des recommandations adaptées à ce projet. Cela permet aux clients de prendre des décisions éclairées et d’optimiser le dimensionnement et l’implantation des TAR sur la toiture du bâtiment.
Modèle 3D des TAR
Résultats de l’étude thermo-aéraulique
Influence du vent sur le bâtiment
Le vent est un phénomène extrêmement changeant, que ce soit en termes de direction ou de vitesse. Alors que les valeurs maximales de vitesse du vent sont essentielles pour les calculs de la stabilité des structures, les valeurs moyennes de vitesse et de direction sont plus appropriées pour les études thermo-aérauliques. Dans notre étude, le vent est considéré comme étant constant avec une direction perpendiculaire au site.
Les premiers résultats permettent de montrer que le vent influence fortement les courants d’air autour du bâtiment, créant trois zones de perturbation, à l’avant du bâtiment, à l’arrière et plus loin dans le sillage du bâtiment. Les rejets des TAR sont dirigés vers le haut et suivent le vent. Un mur en amont limite l’apport d’air sur les TAR, créant des zones de faibles vitesses en amont et en aval.
Phénomène de bouclage des TAR : Un enjeu pour un refroidissement optimal
Les résultats en températures mettent en évidence des variations au niveau des entrées d’air des TAR. On distingue nettement le phénomène de bouclage affectant ces appareils, notamment avec les deux TAR centrales (A) et les deux à droite (B et C) qui captent de l’air à une température plus élevée que celle de l’environnement, ce qui est également le cas pour les TAR sur les côtés (D et E).
Les TAR en position A rencontrent une zone où la température est plus haute, due à une réduction de l’apport en air frais provoquée par la proximité des points d’aspiration. Entre les TAR en position B et E, un phénomène analogue est observé à une température un peu plus faible, grâce à une distance plus grande entre ces unités. Plus particulièrement, les TAR en position B et surtout C, en raison de leur proximité avec les murs des locaux où se trouvent les prises d’air, captent de l’air à une température sensiblement plus élevée que l’air ambiant. Ces TAR sont confinées entre deux murs, ce qui réduit l’arrivée d’air frais. Cette analyse souligne l’importance de concevoir de manière optimale les entrées d’air des TAR pour garantir un approvisionnement suffisant en air frais et éviter des problèmes de surchauffe.
Le plan montre les conditions d’humidité au niveau des entrées d’air des TAR. On note le phénomène de bouclage où plusieurs TAR (A, B, C, D et E) aspirent de l’air avec un taux d’humidité important. Les TAR centrales (A) et celles situées à droite (B et C) attirent de l’air particulièrement humide, alors que celles placées sur les côtés (D et E) captent également de l’air humide, bien que dans une moindre mesure. Ce schéma de bouclage en matière d’humidité correspond à celui observé pour les températures et est dû à des facteurs similaires. Des niveaux d’humidité plus élevés sont également observés entre les TAR en A, ainsi qu’entre celles en B et E.
La simulation effectuée montre que les TAR expulsent l’air humide, qui est ensuite réaspiré, créant un phénomène de bouclage. Ce problème est exacerbé quand les entrées d’air d’une TAR se trouvent face à une autre TAR ou à un obstacle comme un mur. Ceci empêche l’accès à de l’air neuf à température ambiante et à un taux d’humidité modéré. En conséquence, les TAR ont tendance à aspirer l’air situé en partie haute, qui est plus chaud et plus humide.
L’ampleur des bouclages et l’effet des obstacles sur l’évacuation de l’humidité nuisent à l’efficacité des systèmes. La disposition actuelle des systèmes de ventilation sur le toit semble inadéquate. Ces observations mettent en évidence la nécessité de revoir la conception et d’apporter des modifications pour améliorer les performances des TAR et assurer une efficacité optimale.
Améliorer l'efficacité des TAR : recommandations d'EOLIOS pour limiter le bouclage
Suite à ces observations, EOLIOS propose différentes solutions afin de réduire le bouclage des TAR.
Une des propositions clés, basée sur les résultats de l’étude, serait d’installer des ventelles à la place du mur autour des TAR. Cette mesure vise à atténuer l’effet de masque aéraulique créé par le mur, qui limite l’apport d’air neuf et crée des zones de faible vitesse d’air en partie basse des TAR. Les ventelles permettront de favoriser un meilleur flux d’air, favorisant ainsi un apport d’air neuf plus efficace et réduisant les problèmes de stagnation de l’air.
Dans le cas où l’installation de ventelles s’avérerait insuffisante et que les bouclages des systèmes sur eux-mêmes persisteraient, nous conseillons l’installation de capotages horizontaux à hauteur des rejets des systèmes limitant la redescente des panaches vers l’aspiration.
Si l’installation d’un capotage horizontal intégral s’avère trop compliquée à mettre en œuvre, une possibilité est d’installer plusieurs capotages horizontaux au niveau de l’aspiration des TAR.
L’installation de capotages verticaux au niveau des sorties des TAR permettrait également d’augmenter la distance entre le rejet et l’aspiration des TAR et ainsi de limiter les effets de bouclage. Cette solution sera tout de même moins efficace qu’un capotage horizontal.
Cette étude démontre l’importance du recours à la simulation CFD pour comprendre et optimiser les performances des TAR. Grâce à cette méthode, nous avons pu analyser en détail les flux d’air, les températures et l’humidité autour des TAR, révélant des zones de perturbation et des phénomènes tels que le bouclage des flux d’air. La simulation CFD offre des avantages tels que des résultats précis, des économies de coûts et de temps, ainsi qu’une meilleure compréhension des facteurs qui influencent le fonctionnement des TAR. En utilisant ces connaissances, des recommandations telles que l’installation de ventelles à la place des murs ont été formulées pour favoriser un meilleur apport d’air neuf et améliorer la performance des TAR.
Réduire la propagation de la légionellose grâce à la CFD
L’étude de la propagation de la légionellose dans les installations de refroidissement par évaporation, telles que les TAR, est essentielle pour prévenir la transmission de cette maladie respiratoire potentiellement mortelle. La bactérie Legionella, responsable de la légionellose, se développe dans les environnements aquatiques chauds, tels que les TAR.
Lorsque l’eau contaminée par la bactérie est pulvérisée dans l’air par les ventilateurs des TAR, cela crée un panache humide qui peut contenir des gouttelettes infectées. Lorsque ces gouttelettes sont inhalées par les personnes se trouvant à proximité des TAR, elles peuvent causer des infections respiratoires, y compris la légionellose.
Les études CFD jouent un rôle crucial dans la compréhension et la gestion de la propagation de la légionellose. Les études CFD permettent de visualiser l’écoulement de l’air et la dispersion des panaches humides générés par les TAR. Grâce aux résultats des simulations CFD, il est possible d’identifier les zones à risque et de prendre des mesures pour prévenir la propagation de Legionella. Ces mesures peuvent comprendre l’adaptation de la conception des TAR, la modification du fonctionnement des ventilateurs, l’ajustement des paramètres de pulvérisation d’eau, ou encore la mise en place de systèmes de surveillance et de traitement de l’eau plus efficaces. Les études CFD contribuent ainsi à améliorer la sécurité et la fiabilité des installations de refroidissement par évaporation, en minimisant les risques de propagation de la légionellose. Elles permettent d’évaluer l’efficacité des mesures préventives mises en place et d’optimiser la conception et le fonctionnement des TAR afin de réduire les risques pour la santé publique.
Synthèse vidéo de l'étude
Résumé de l'étude
L’étude réalisée par la société EOLIOS porte sur le dimensionnement et l’implémentation des tours aéroréfrigérantes (TAR) en toiture de bureaux ICPE. Les TAR sont des systèmes de refroidissement utilisant l’air extérieur pour dissiper la chaleur, offrant ainsi une alternative plus économe en énergie par rapport aux climatisations traditionnelles. L’étude utilise la simulation CFD pour modéliser et analyser les flux de fluides entrant et sortant des TAR.
Les résultats de l’étude mettent en évidence l’influence du vent sur les courants d’air autour du bâtiment et montrent le phénomène de bouclage des TAR, qui affecte la température et l’humidité de l’air aspiré. Ces résultats permettent d’optimiser le dimensionnement et l’implantation des TAR pour assurer un refroidissement efficace des bureaux.
