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Chauffage et traitement d’air des bâtiments logistiques : un problème complexe dans une construction basique

Traiter l’air d’un bâtiment logistique dans une optique de renouvellement durable est un paradoxe : en effet, les parois extérieures, de très grande surface, ne présentent souvent en revanche qu’une faible résistance thermique.

© Lennox

En revanche, le volume des locaux étant important, il y a de grandes quantités d'air à brasser, avec l'impératif de températures plutôt basses à maintenir. Par ailleurs, les marchandises contenues représentent 2/3 du volume à traiter et représentent donc une masse inertielle importante, alors même que l'enveloppe extérieure est légère et ne présente souvent qu'une faible résistance thermique tandis que les hauteurs considérables et que le problème de l'empoussièrement est récurrent. Il est clair dans ce cadre que la problématique est plus complexe que celle de chauffer simplement quatre murs et un plafond !

Des atouts pour une production économique

Les surfaces extérieures périphériques engazonnées souvent importantes permettent d'envisager la pose de réseaux enterrés nécessaires au fonctionnement de pompes à chaleur eau/eau. Et les condenseurs indispensables au fonctionnement de pompes à chaleur air/eau peuvent facilement être implantés en bordure des bardages ou en toiture. Autre argument pour l'emploi de ce dernier type de pompe à chaleur : le faible différentiel entre la température de l'air intérieur et de l'air extérieur comme source de chaleur.

© Manutan

Les grandes surfaces de toiture permettent sans difficulté la pose de "champs" de capteurs solaires. Ils seront soit à eau, et seront alors destinés à venir en relève des chaudières ou en appoint d'une pompe à chaleur via un ballon tampon de volume conséquent, soit photovoltaïques pour une production d'électricité qui peut alors être revendue, apportant un appoint intéressant au ratio Energie fournie/énergie dépensée/mètre carré du gestionnaire des locaux. Ce point interviendra aussi de manière positive dans le bilan RT kW/h/m²/an du maître d'ouvrage.

A cet égard, il est permis de penser que les impératifs de consommation nécessaires des différentes RT passées et à venir et que les impératifs d'obtention du label HQE vont modifier la configuration des parois extérieures des bâtis futurs, le choix des différents systèmes de chauffage et de traitement d'air étant par ailleurs plus complexe à traiter.

Première contrainte : l'énergie disponible

La problématique est complexe et les clés d'entrée sont multiples. Certaines contraintes permettent cependant de faire le choix d'un système de traitement de l'ambiance (Il n'est en effet là plus question de parler de chauffage ou de traitement d'air pour un entrepôt). La source d'énergie disponible dans la zone industrielle ou logistique est en général le gaz ou l'électricité. Les puissances à prévoir pour une enveloppe ordinaire sont de l'ordre de 45 W/m² pour 12 degrés intérieur, et de 30 W/m² pour 5 degrés intérieurs de stockage, dans des volumes zonés de 5.000 m² en moyenne. A noter que des entrepôts de nouvelle génération sont conçus avec des enveloppes double peau qui atteignent 75 mm d'épaisseur.

© Lennox

Autre contrainte : les produits stockés

Les conditions à maintenir en température ne sont pas les mêmes pour des marchandises ordinaires ou pour du stockage de denrées alimentaires ou pharmaceutiques. De même, le facteur hygrométrique intervient pour du stockage de papier. Ainsi dès qu'il s'agira de respecter certains seuils de températures précis et de respecter également des conditions d'hygrométries, le choix d'une centrale de traitement d'air se fera de manière logique. Il permet aussi de résoudre le problème de la filtration de l'air neuf, des poussières et de leur cantonnement mais seulement en cas d'air repris, car lui aussi filtré. Enfin, la souplesse et la modularité de ces centrales permet de résoudre facilement tout impératif imposé par un nouveau type de produits stocké, encore que les entrepôts soient dédiés au départ de manière relativement précise et classifiée.

© France Air

Pour finir, ce n'est pas forcément le choix le plus économique qui prévaut mais celui qui permettra de résoudre toutes contingences particulières de température ou d'hygrométrie immédiate ou future. Enfin, en l'équipant de batteries à détente directe et de pompes à chaleur, (ce qui a un coût) il est malgré tout possible d'obtenir une installation à excellent rendement.

Des centrales d'air de configuration basique

Ces centrales seront équipées de batteries électriques de chauffage ou de batteries à eau chaude (et eau glacées, ou encore à détente directe si il faut traiter en rafraîchissement). La production de chaud peut être également faite par une chaudière à eau chaude, ce qui nécessite un local spécifique à l'intérieur ou l'extérieur de l'entrepôt. Si une déshumidification est nécessaire, elle sera effectuée à l'aide d'une batterie froide. A contrario si il faut humidifier, on privilégiera un type d'humidification à vapeur, média souvent disponible en réseau à proximité en zone industrielle ou encore par de la vapeur produite électriquement à poste.

© Gea-Happel

Ces centrales seront en général disposées sur le sol même de l'entrepôt, plutôt qu'en terrasse, à cause de leur poids. Elles reposeront sur des silent-blocks afin de limiter les vibrations. Même si elles sont carrossées, un local spécifique est toujours préférable à leur implantation. La filtration, en général de type F7 - mais en tout cas au minimum impérativement de type G4 pour protéger les batteries d'échange - devra être supportée par une maintenance sans faille en cas d'air repris, à cause de l'empoussièrement récurrent dont nous avons déjà parlé dans ce genre de locaux.

Le taux de brassage sera faible, de l'ordre de 2 à 3 volumes/heure, car les volumes sont importants. De ce fait, on prévoit 20 degrés de température de soufflage (Ts) pour une ambiance à 5 degrés (Ti), 35 degrés de Ts pour une ambiance à 20.

Soigner l'implantation

Le tracé des gaines devra être soigneusement étudié, d'une part à cause de la position des racks de stockage, imposant une géométrie précise des gaines de soufflage et des gaines de reprise, mais aussi à cause de leur hauteur d'implantation. Dans des locaux de 12 mètres de hauteur en moyenne, celles-ci devront être installées au premier tiers de la hauteur, et des déstratificateurs d'air à hélices seront installés en partie haute afin de rejeter l'air chaud qui monte naturellement. Le soufflage se fera avec des bouches à induction longue portée, soufflant l'air de manière dynamique, à des distances de plus d'une dizaine de mètres.

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Autre méthode, à utiliser pour une diffusion homogène et confortable sans courant d'air, par exemple quand le déplacement de poussières est proscrit : la gaine textile micro-perforée. Celle-ci permet également un meilleur mélange de l'air soufflé avec l'ambiance. Les gaines de soufflage ordinaires seront sinon en tôle d'acier galvanisé ordinaire.

Les gaines rayonnantes

Solution plus économique que les centrales et leur réseau gainé, les gaines rayonnantes autonomes. Elles sont posées en un réseau étanche dont l'extrémité débouche en façade. Un brûleur atmosphérique est situé à l'entrée et produit à l'entrée de la gaine de l'air et des fumées qu'il a fortement chauffés. Un ventilateur sur l'orifice de sortie aspire les fumées qui chauffent les gaines et les rejette à l'extérieur. L'ensemble de la gaine est en dépression, ce qui empêche les fumées de se répandre dans le local. Ces gaines radiantes en tôle sont portées à 250 degrés et, d'un diamètre de 300 mm de moyenne, peuvent être déployées à plusieurs et parallèlement sur des longueurs de plus de 100 mètres dans l'axe du bâtiment, avec des écarts moyens de 5 à 10 mètres entre elles. Chaque réseau de gaine a son propre brûleur et son propre ventilateur d'extraction. Les écarts et la longueur sont variables suivant la température souhaitée. Le brûleur est situé en ambiance ou, au mieux en extérieur de l'enveloppe du bâtiment, (accroché en façade) ce qui facilite sa maintenance et améliore la sécurité. La pression de gaz pour ces matériels est de l'ordre de 20 ou 37 mbar (brûleurs atmosphériques au propane). C'est le mode idéal de traitement en chaud ou simplement anti-gel pour des zones importantes de stockage, pour autant que l'énergie gaz soit disponible. Il faut simplement veiller à l'accrochage de ces gaines et à la distance entre celles-ci et les produits stockés.

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Le plafond à eau chaude

Autre moyen utilisé pour chauffer ou "dégourdir" les locaux, le plafond chauffant à eau chaude, constitué de plaques creuses rectangulaires, comme de grands radiateurs plats et allongés, dans lesquelles circule de l'eau à basse température (30-35 degrés), régime de température idéal en le couplant avec une pompe à chaleur eau - eau ou air - eau à la production. Ce type de chauffage assure une chaleur plus douce. Plus la température d'eau qui circule à l'intérieur est élevée, plus les plaques doivent être accrochées haut. Inconvénient : le poids, d'où un système et des armatures de suspension particulièrement étudiés. Cependant, son grand avantage reste de fonctionner constamment à basse température, ce qui permet l'emploi total (ou partiel, avec relève de chaudière) de pompes à chaleur, moyen le plus économique pour produire de l'eau chaude à basse température même par des ambiances extérieures basses ou même très basses (- 15 °C). C'est un avantage considérable en termes de coût d'exploitation d'un local. Leur régulation est simple et la circulation de l'eau se fait au moyen d'une pompe simple de type "à rotor noyé" (accélérateur), comme sur une installation de chauffage central.

Attention aux réseaux armés !

Sous cette boutade se pose un sérieux problème : comme pour les gaines de soufflage ou les gaines radiantes, l'implantation des plafonds rayonnants à eau chaude doit être soigneusement étudiée. En effet, pour tout ces matériels, en plus de leur efficacité qui résultent de la géométrie de leur tracé et de par leur implantation en hauteur, se pose le cas des locaux classifiés ESFR, c'est à dire "Early Suppression Fast Response", en d'autres termes, les locaux sprinklés.
Leur législation particulière impose des écarts variables, déterminés en bureau d'études par des tables, entre les têtes de ces réseaux de tubes d'eau d'incendie armés et tout matériel se trouvant dans leur zone d'implantation, en hauteur et en site. C'est un impératif à respecter absolument, pour des raisons d'assurance et surtout de sécurité.

Aérothermes tous azimuts

Autre champion de la solution basique : l'aérotherme. Les taux de brassage seront faibles, de l'ordre de 2 à 3 volumes heures, et il faudra choisir des modèles hélicoïdes à longue portée, qui peuvent, avec des grilles ou des volets à doubles déflexion motorisés, assurer un balayage. Ils seront électriques, avec un faible coût de pose, (mais au détriment des coûts d'exploitation) ou à batteries à eau chaude, plus économiques en exploitation mais plus onéreux à la pose, en particulier à cause des régulations par aérotherme sur la partie eau (V3V). Encore mieux : l'aérotherme à brûleur gaz intégré, qui cumule les deux avantages. Là encore, ils seront implantés à un tiers de la hauteur. Et là aussi, il faudra utiliser en parallèle des déstratificateurs d'air au plafond. Côté supportage, ils sont en général accrochés latéralement aux parois ou posés sur des supports tubulaires appelés chaises. Leur poids est en général plutôt faible. A noter : quelques fabricants proposent des aérothermes à longue portée de soufflage, pouvant être installés au plafond à des hauteurs d'une dizaine de mètres ou plus encore. L'un de ces systèmes est même breveté (GEA Happel).
Toutes ces solutions concernent plutôt les zones de stockage.

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Les locaux annexes

Demeurent les zones de conditionnement et les quais de chargement. Si ces derniers ne sont en général pas chauffés, ils peuvent pour des besoins ponctuels nécessiter un renfort en chaud qui sera alors sous forme de chauffage rayonnant, à céramique ou lumineux, localisé. Ce qui sera aussi le cas dans les zones de conditionnement, souvent dans la même ambiance que le stockage. Là encore, le chauffage par rayonnement infra-rouge localisé sera préférable, et le plus confortable et le plus efficient. Il permettra un renfort en chaleur sur des zones précises (au dessus des postes du personnel). Celui-ci pourra alors ressentir des températures ressenties de 20- 22 ° C dans une ambiance à 16, voire 12 ° C. C'est là un des avantages surprenants du chauffage par rayonnement infra-rouge.

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Les zones de vie

Enfin les zones de vie, bureaux, réfectoire, cuisine, toilettes, vestiaires. Celles-ci représentent en moyenne 3 à 5 % des surfaces globales. Si l'on dispose d'un système de chauffage à eau pour l'entrepôt, (qui alimente donc des aérothermes ou des plafonds chauffants) la solution sera de les équiper de radiateurs fonctionnant avec la même loi d'eau, raccordés avec un circuit hydraulique parallèle.

Ils seront cependant la plupart du temps munis de simples convecteurs électriques. Electricité qui sera alors aussi l'énergie utilisée pour la production d'eau chaude sanitaire. Une raison de plus pour soigner séparément en la renforçant l'isolation thermique de ces locaux de vie. Si l'on désire monter en qualité, le choix d'un système VRV (A volume de réfrigérant variable) avec un réseau de climatiseurs dans les différentes pièces s'impose, particulièrement pour le confort d'été. Quant à la ventilation, les volumes d'extraction seront soigneusement respectés, et la pose d'un matériel type "double flux" avec ou sans pompe à chaleur intégrée est devenu de nos jours incontournable en collectivité.

Jean-Charles Terrier

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