Le calcul d'un ventilateur de ventilation consiste à dimensionner une hélice carénée qui fournit une augmentation de pression égale à la perte de charge du réseau, au débit du cahier des charges. La même démarche vaut pour un ventilateur de climatisation, une soufflerie aéraulique ou un ventilateur de PC. L'enjeu est d'abord économique : un système bien adapté peut atteindre un rendement d'hélice de 0,8, alors qu'un rendement de 0,2 n'est pas rare.

Une hélice de ventilateur carénée vue dans Heliciel, avec ses résultats de poussée, de couple et de puissance. Pour le calcul détaillé, voir le calcul de ventilateur aéraulique axial dans Heliciel.

Au sommaire :

• Rendement d'un ventilateur : l'enjeu économique
• Dimensionner un ventilateur de ventilation ou de climatisation
• Le logiciel de calcul de ventilateurs axiaux
• Quelle forme de ventilateur choisir : tourelle ou pied de pale à 0,5 R
• Ventilateur de PC : refroidissement et rendement

1 : Rendement d'un ventilateur : l'enjeu économique

Avant d'aborder les spécificités techniques du ventilateur de climatisation, de la soufflerie aéraulique ou des ventilations, rappelons l'enjeu économique et financier du bon dimensionnement des hélices de ventilation. Le potentiel de marché des systèmes à rendement énergétique élevé est considérable, et pourtant sous-exploité.

Une hélice de ventilateur peut tourner 24 h sur 24. Son rendement peut être catastrophique si son point de fonctionnement n'est pas adapté au débit ou à la pression du tronçon de réseau qu'elle alimente. Bien souvent, par précaution, le ventilateur est surdimensionné, et le débit est ensuite régulé par des vannes dont le degré d'ouverture génère une perte de charge. Nous payons alors deux fois : le moteur fournit plus que nécessaire, et la vanne dissipe l'excédent.

Un système de ventilation optimal peut atteindre un rendement de 0,8 au niveau de l'hélice, avec une hélice adaptée à son moteur, au débit et à la différence de pression souhaités. Malheureusement, le bureau d'études dispose rarement d'outils logiciels de conception d'hélice et du temps pour soigner le rendement, et un rendement d'hélice de 0,2 n'est pas rare. Les systèmes de ventilation de nos bâtiments, usines, commerces et administrations sont autant de gisements d'économies. Une économie d'énergie est un revenu : elle participe au bénéfice en diminuant les charges d'exploitation.

Le rapport sur la consommation des moteurs électriques dans l'industrie en donne la mesure. Sur la durée de vie d'un moteur électrique, l'énergie représente 96 % du coût global, contre 2,5 % pour l'achat et 1,5 % pour la maintenance.

Coût global de l'utilisation d'un moteur électrique, d'après le rapport de consommation des moteurs dans l'industrie : l'énergie pèse 96 %.

Les consommateurs, décideurs et acheteurs sont de plus en plus formés, informés et compétents en matière d'économie d'énergie. Si nous achetions autrefois un lave-linge sans nous soucier de sa consommation, nous jugeons aujourd'hui sa qualité de conception en priorité sur son rendement énergétique. Nul besoin d'avancer l'argument écologique, évident, pour vendre un système dont le rendement a été soigné : un bureau d'études se démarque aisément d'un autre, dans un appel d'offres, avec l'argument économique clair du coût d'exploitation.

Pour une pompe, la répartition est comparable : l'énergie consommée représente 85 % du coût global (même rapport).

Le rendement est donc un produit à part entière, et les hélices sont souvent le maillon faible de ce rendement. Nous allons y remédier et produire de la valeur ajoutée.

2 : Dimensionner un ventilateur de ventilation ou de climatisation

Comme pour les pompes axiales pour liquide, le rôle du ventilateur est de générer une augmentation de pression à un débit donné. Les réseaux aérauliques de climatisation et de ventilation doivent transférer de l'air à travers des gaines et des conduites, au débit stipulé dans le cahier des charges.

Ce débit est imposé par le volume des pièces à ventiler ou à climatiser. Les vitesses de fluide dans les conduites aérauliques sont généralement limitées par la nuisance sonore. Un logiciel de calcul de pertes de charge, comme Mecaflux, partenaire d'Heliciel, permet au technicien de déterminer la perte de charge générée par le déplacement de l'air au débit voulu. Le ventilateur doit alors produire une augmentation de pression égale à cette perte de charge, au débit du cahier des charges.

Exemple de schéma de cahier des charges de ventilation : un ventilateur dans une gaine traverse une paroi, avec une différence de pression statique de 250 Pa, un débit maximal de 15 m³/s et une masse volumique de l'air de 1,2 kg/m³. D'après les références « Climatisation et conditionnement d'air, distribution des fluides » de J. Bouteloup, M. Le Gay et J. Ligen.

Un ordre de grandeur sur cet exemple. La puissance transmise à l'air vaut la différence de pression multipliée par le débit : 250 Pa × 15 m³/s = 3 750 W. La puissance à fournir sur l'arbre dépend du rendement de l'hélice : à titre d'illustration arithmétique, 3 750 W / 0,8 donne environ 4 700 W, et 3 750 W / 0,2 donne 18 750 W. C'est cet écart qui fait la valeur d'un dimensionnement soigné.

La méthode de dimensionnement est celle d'une hélice propulsive avec un carénage. Le paramètre de pression est l'objectif majeur : l'hélice sera fortement chargée.

3 : Le logiciel de calcul de ventilateurs axiaux

Heliciel intègre un assistant de conception d'hélices de ventilateurs axiaux. Vous y saisissez le débit, la différence de pression et les vitesses admissibles ; l'assistant propose une première hélice, que vous pouvez ensuite affiner. La conception et le calcul des hélices de ventilateurs axiaux sont détaillés sur la page ventilateur axial aéraulique.

L'assistant de conception de ventilateurs aérauliques, pour un débit de 54 000 m³/h (15 m³/s) et une différence de pression de 250 Pa : il propose un diamètre, une vitesse de rotation et la puissance moteur correspondante.

4 : Quelle forme de ventilateur choisir : tourelle ou pied de pale à 0,5 R

La forme de l'hélice fixe le compromis entre débit et pression. Voici quelques exemples de formes de ventilateurs.

• Le ventilateur de type tourelle est adapté au fort débit, mais ne peut pas réaliser une très forte différence de pression avec un bon rendement. La zone de pied de pale est moins efficace que la zone située au rayon 0,75. Les fortes différences de pression entre l'amont et l'aval de l'hélice, générées dans la zone la plus efficace, subissent des pertes au niveau des pieds de pale.

 

• La configuration à pied de pale élevé a des pales dont le pied commence à 0,5 fois le rayon en bout de pale. La vitesse tangentielle au pied de pale vaut alors la moitié de celle du bout de pale, bien plus que pour un petit moyeu. La zone efficace recouvre toute la pale, et la différence de pression générée peut être plus importante. En revanche, la section de passage se rétrécit : le débit doit rester faible, sous peine d'une forte perte de charge qui nous ferait perdre le bénéfice de pression escompté.

 

5 : Ventilateur de PC : refroidissement et rendement

• Les ventilateurs de PC, destinés à générer un fort débit pour refroidir l'unité centrale, n'ont pas besoin de beaucoup de pression. Pourtant, leurs hélices sont souvent du second type. Comme pour l'hélice carénée de bateau, le rendement est souvent sacrifié pour des raisons d'encombrement, mais aussi de prix de revient. Il est étonnant qu'un ordinateur, dont le refroidissement consomme de l'énergie, soit équipé de ventilateurs de PC au rendement médiocre. Le bruit du ventilateur serait-il un plaisir pour les constructeurs ? Nous pensons plutôt que les acheteurs ne s'en préoccupent pas, davantage concentrés sur la taille de l'écran ou de la mémoire ; le ventilateur est pourtant un maillon important de la consommation d'énergie et du refroidissement de l'unité centrale.

Ce boîtier de PC a été conçu pour assurer un refroidissement optimal :

Une unité centrale a un fonctionnement optimal pour une température donnée. Le bruit du ventilateur et la consommation du PC ne sont donc pas les seules nuisances d'un ventilateur de PC au mauvais rendement : les performances de l'unité centrale diminuent aussi. Le ventilateur de la carte graphique, lui, refroidit le processeur graphique, dont les performances baissent également s'il est mal adapté.

Un petit parcours des forums sur les ventilateurs de PC et de carte graphique donne vite le ton : « comment diminuer le bruit du ventilateur de PC » est une question récurrente. Les constructeurs masquent souvent, derrière des performances mesurées à température de fonctionnement optimale, un refroidissement de mauvais rendement. Les utilisateurs avertis savent que les performances de leur PC tiennent à un bon refroidissement, et n'hésitent pas à investir dans des ventilateurs plus performants que ceux fournis d'origine.

Une hélice de ventilateur de PC est donc comme une hélice de propulsion : son rendement est lié à sa taille. Les bons ventilateurs de PC sont donc… grands !

Ventilateur et radiateur dans la même gaine : le cas concret ventilateur CFD simule l'ensemble et donne le débit qui passe réellement.

Pour aller plus loin, nous pouvons voir le calcul détaillé d'un ventilateur axial aéraulique, la façon dont les pompes axiales reprennent la même méthode pour les liquides, ou comment choisir le nombre de pales d'une hélice carénée.