INSTALLATION ET ENTRETIEN DES SYSTÈMES DE CLIMATISATION (partie 4/5)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Identifier les composants principaux d’un système de climatisation centralisée air‑eau et dessiner son schéma hydraulique et électrique. - Réaliser la mise en service, la maintenance préventive et corrective d’un ventilo‑convecteur selon les procédures normalisées. - Diagnostiquer les pannes fréquentes des ventilo‑convecteurs, proposer des solutions techniques et rédiger un rapport d’intervention. - Appliquer les règles de sécurité électrique, de manipulation des fluides frigorigènes et d’hygiène sur les chantiers au Cameroun. **Prérequis :** - Notions de base en thermodynamique (échanges de chaleur, capacité thermique spécifique). - Lecture de schémas électriques et hydrauliques (symboles normalisés). - Utilisation des instruments de mesure (manomètre, thermomètre, débitmètre, multimètre). - Connaissance des normes CAMER : NF C 15‑100 (électricité basse tension), NF EN 378 (fluides frigorigènes), et des règles d’hygiène en milieu de travail (arrêté n° 2005/001 du MINTP). --- ## Introduction contextualisée La climatisation centralisée air‑eau est largement utilisée dans les bâtiments administratifs, les hôpitaux et les hôtels du Cameroun pour assurer un confort thermique tout en maîtrisant la consommation énergétique. Le ventilo‑convecteur, élément terminal du système, assure le transfert de chaleur entre l’eau refroidie (ou chauffée) et l’air ambiant. Sa fiabilité dépend d’une identification précise des composants, d’un schéma correct, d’une maintenance rigoureuse et d’un diagnostic rapide en cas de dysfonctionnement. Ce chapitre s’appuie sur des situations réelles rencontrées dans les ateliers du lycée technique de Yaoundé et sur les chantiers de la préfecture du Centre, afin de préparer les élèves aux exigences du Baccalauréat technique série F5. --- ## I. TP 8 : Identification, Schémation et Maintenance d'un Système de Climatisation Centralisé Air - Eau : Les Ventilo Convecteurs ### A. Présentation du système air‑eau Un système centralisé air‑eau comprend : 1. **Unité de production de froid/chaleur** (chiller ou chaudière) produisant de l’eau glycolée à une température de consigne (ex. : 7 °C en froid, 45 °C en chaud). 2. **Réseau de distribution** (tuyauterie en acier galvanisé ou PER) avec pompes de circulation, vannes d’équilibrage et détendeurs. 3. **Ventilo‑convecteurs** installés dans chaque zone, composés d’un échangeur eau‑air, d’un ventilateur centrifuge, d’un filtre à air et d’un boîtier de commande. 4. **Regulation** (thermostats d’ambiance, variateurs de vitesse, contrôleurs PID). > **>** Le débit d’eau nominal d’un ventilo‑convecteur de type « FCU‑200 » est généralement de 0,15 m³/h pour une puissance frigorifique de 2 kW. ### B. Fonctionnement des ventilo‑convecteurs L’eau froide pénètre dans l’échangeur à plaques, cède sa chaleur à l’air qui est aspiré par le ventilateur, puis l’air refroidi est soufflé dans la pièce. En mode chauffage, le processus s’inverse. Le ventilateur fonctionne à vitesse variable selon le signal du thermostat (0‑10 V ou PWM). > **>** La puissance thermique échangée s’exprime par : > \[ > Q = \dot{m}_{eau}\,C_{p,\,eau}\,\Delta T_{eau} > \] > où \(\dot{m}_{eau}\) est le débit massique (kg/s), \(C_{p,\,eau}=4,18\) kJ/(kg·K) et \(\Delta T_{eau}\) la différence de température entrée‑sortie de l’eau. ### C. Schéma électrique et hydraulique - **Hydraulique** : entrée eau froide → vanne d’équilibrage → échangeur → sortie eau chaude → retour vers la pompe. - **Électrique** : alimentation 230 V AC → disjoncteur 10 A → contacteur du moteur → variateur de vitesse → moteur du ventilateur (230 V, 0,18 kW). Un relais de protection thermique coupe le moteur en cas de surcharge. > **>** Le schéma doit respecter la norme NF C 15‑100 : section minimale du conducteur d’alimentation = 2,5 mm² pour un circuit de 230 V/10 A. ### D. Procédure de maintenance préventive et corrective | Étape | Action | Outils / Documents | Fréquence | |-------|--------|--------------------|-----------| | 1 | Coupure de l’alimentation électrique et fermeture des vannes d’eau | Disjoncteur, clé de vanne | Avant toute intervention | | 2 | Nettoyage du filtre à air (aspiration ou lavage) | Aspirateur, eau douce, détergent neutre | Mensuel | | 3 | Contrôle du débit d’air avec anémomètre (objectif : 0,5 m/s à la grille) | Anémomètre à fil chaud | Trimestriel | | 4 | Vérification de la température d’entrée et de sortie d’eau (ΔT ≈ 5 °C) | Thermomètre à immersion | Trimestriel | | 5 | Lubrification des paliers du ventilateur (graisse haute température) | Graisse silicone | Semestriel | | 6 | Détartrage de l’échangeur (solution acide 5 % v/v) si ΔT > 8 °C | Pompe de circulation, bassin de récupération | Annuel ou selon dureté de l’eau | | 7 | Remise en service, réglage du variateur pour atteindre le débit d’air nominal | Multimètre, tournevis | Après chaque maintenance | > **>** Lors du détartrage, porter des gants nitrile, des lunettes de protection et respecter le temps de contact recommandé (10‑15 min) avant rinçage abondant à l’eau douce. ### E. Exemple d’atelier : démontage, nettoyage, remise en service **Contexte** : Dans le laboratoire du lycée technique de Yaoundé, un ventilo‑convecteur modèle FCU‑200 présente un débit d’air réduit de 30 %. 1. **Mise en sécurité** : couper le disjoncteur, fermer les vannes d’entrée et de sortie d’eau. 2. **Démontage** : retirer le panneau frontal, débrancher le connecteur du moteur, dévisser les vis de fixation de l’échangeur. 3. **Nettoyage** : - Filtre : aspirer, puis laver à l’eau tiède avec détergent neutre, sécher à l’air libre. - Échangeur : faire circuler une solution d’acide citrique 5 % pendant 12 min, rincer avec eau déminéralisée jusqu’à neutralité (pH ≈ 7). 4. **Contrôle** : mesurer le débit d’air à la sortie (anémomètre) → 0,48 m/s (valeur cible : 0,5 m/s). 5. **Remontage** : inverser les étapes de démontage, resserrer les couples à 2,5 Nm (clé dynamométrique). 6. **Mise sous tension** : vérifier l’absence de fuite d’eau, lancer le ventilateur, régler le variateur pour obtenir 0,5 m/s. 7. **Rapport** : consigner les mesures avant/après, temps d’intervention (45 min), pièces consommées (filtre, 0,2 L d’acide citrique). > **>** Toute intervention sur un circuit sous pression doit être suivie d’un test d’étanchéité à 1,5 × pression de service (ex. : 3 bar pour un réseau de 2 bar). --- ## II. Activité d’intégration N° 2 : Mise en service d'un système de climatisation centralisée air-eau dans un bâtiment administratif ### A. Étude de cas : bâtiment de la préfecture de Yaoundé Le bâtiment comporte trois étages, chaque étage étant équipé de quatre ventilo‑convecteurs FCU‑200 desservant des bureaux de 20 m². La puissance frigorifique totale requise est de 24 kW (8 × 2 kW). Le chiller sélectionné fournit de l’eau glycolée à 7 °C avec un débit nominal de 1,2 m³/h. ### B. Étapes de mise en service 1. **Vérification de la conformité des installations** : - Tuyauterie : diamètre nominal DN 20, épaisseur conforme à la NF EN 10255. - Électrique : section des câbles d’alimentation du chiller = 6 mm² (disjoncteur 32 A). 2. **Remplissage et purge du réseau hydraulique** : - Remplir avec eau glycolée à 30 % (protection contre le gel jusqu’à -15 °C). - Purger les points hauts à l’aide de vannes de purge jusqu’à obtention d’un débit sans bulles. 3. **Essai de pression** : appliquer 1,5 × pression de service (3 bar) pendant 30 min, vérifier l’absence de chute de pression (> 0,05 bar). 4. **Mise en marche du chiller** : régler la température de consigne à 7 °C, vérifier le fonctionnement du compresseur (courant de démarrage < 1,2 × Inominal). 5. **Équilibrage des débits d’eau** : ajuster les vannes d’équilibrage de chaque ventilo‑convecteur pour obtenir ΔT ≈ 5 °C à pleine charge. 6. **Réglage du débit d’air** : utiliser un anémomètre à chaque grille, viser 0,5 m/s ± 10 %. 7. **Essai fonctionnel** : faire fonctionner le système en mode froid pendant 2 h, relever les températures d’ambiance (cible : 22 ± 2 °C) et la consommation électrique du chiller (relevé du wattmètre). 8. **Rédaction du procès‑verbal de mise en service** : inclure les relevés, les écarts constatés, les actions correctives, la conformité aux normes CAMER : NF EN 378‑2 (étanchéité du circuit frigorifique) et NF C 15‑100 (protection électrique). > **>** Le procès‑verbal doit être signé par le responsable d’installation, le chargé de sécurité et le représentant du maître d’ouvrage, puis archivé pendant cinq ans. ### C. Vérifications de conformité (normes et règles de sécurité) - **Électricité** : disjoncteur différentiel 30 mA en tête de chaque circuit ventilo‑convecteur. - **Pression** : soupape de sécurité réglée à 1,5 × pression de service (ex. : 4,5 bar pour un réseau de 3 bar). - **Hygiène** : nettoyage des filtres à air avec produit désinfectant agréé (ex. : solution à base d’alcool à 70 %). - **Environnement** : récupération du glycol usé selon l’arrêté n° 2012/015 du MINEPDED (déchets dangereux). ### D. Rapport de mise en service Le rapport comprend : 1. Page de garde (projet, lieu, date). 2. Description des équipements (marques, modèles, numéros de série). 3. Tableau des relevés de pression, débit, température avant/après réglage. 4. Liste des non‑conformités et actions correctives. 5. Conclusion : système conforme, prêt à l’exploitation. 6. Annexes : schémas électriques/hydrauliques, certificats de conformité des équipements, fiches de données de sécurité (FDS) du glycol. > **>** Toute anomalie détectée lors des essais doit être consignée dans le registre de maintenance (article 12 du décret n° 2005/001 du MINTP). --- ## III. Activité de remédiation N° 2 : Diagnostic et résolution des dysfonctionnements fréquents des ventilo-convecteurs ### A. Symptômes courants | Symptôme | Cause probable | Conséquence | |----------|----------------|-------------| | Débit d’air faible (< 0,3 m/s) | Filtre encrassé, pale du ventilateur endommagée, variateur en défaut | Insuffisance de refroidissement/chauffage | | Bruit anormal (grincement) | Roulements usés, désalignement du moteur | Usure accélérée, risque de casse | | Fuites d’eau au niveau de l’échangeur | Joint détérioré, corrosion, gel du glycol | Perte de puissance, risque de court‑circuit | | Température d’ambiance élevée malgré fonctionnement | Débit d’eau insuffisant, vanne d’équilibrage fermée, échangeur entartré | Surconsommation énergétique | | Le ventilateur ne démarre pas | Alimentation coupée, contacteur défectueux, protection thermique déclenchée | Arrêt complet de l’unité | ### B. Méthodologie de diagnostic (pas à pas) 1. **Observation visuelle** : vérifier l’état du filtre, la présence de fuites, l’écoute du bruit. 2. **Mesure électrique** : avec un multimètre, contrôler la tension d’alimentation (230 V ± 10 %), la continuité du bobinage du moteur, l’état du contacteur. 3. **Contrôle hydraulique** : fermer les vannes, mesurer la pression statique avec un manomètre (doit être égale à la pression de pompe + pertes de charge). Ouvrir progressivement et relever le débit avec un débitmètre à turbine (objectif : 0,15 m³/h). 4. **Mesure thermique** : prendre les températures d’entrée et de sortie d’eau avec des sondes PT100, calculer ΔT. 5. **Test de débit d’air** : placer un anémomètre à la grille, relever la vitesse moyenne sur trois points. 6. **Analyse des résultats** : comparer chaque mesure aux valeurs nominales (voir tableau ci‑dessus) pour isoler la défaillance. > **>** Un ΔT d’eau supérieur à 8 °C indique généralement un échangeur entartré ou un débit d’eau insuffisant. ### C. Interventions correctives | Défaillance | Intervention | Temps moyen | Pièces consommées | |-------------|--------------|-------------|-------------------| | Filtre encrassé | Remplacement ou nettoyage | 10 min | Filtre neuf (si jetable) | | Pale du ventilateur endommagée | Remplacement de la pale ou du ventilateur complet | 20 min | Pale ou moteur‑ventilateur | | Roulements usés | Regraissage ou remplacement du palier | 15 min | Graisse haute température, éventuellement palier | | Joint d’échangeur fuite | Remplacement du joint + contrôle de l’état des plaques | 30 min | Joint EPDM, éventuellement plaque d’échangeur | | Échangeur entartré | Détartrage avec solution acide 5 % + rinçage | 45 min | Acide citrique, eau déminéralisée | | Variateur en défaut | Réinitialisation ou remplacement du module de commande | 25 min | Variateur de vitesse | | Protection thermique déclenchée | Recherche de surcharge (ventilateur bloqué, tension basse) puis remise à zéro | 10 min | Aucun (si réarmable) | > **>** Après chaque intervention, effectuer un essai de fonctionnement de 10 min et relever les paramètres (débit d’air, ΔT eau, consommation électrique) pour confirmer le retour à la normale. ### D. Retour d’expérience Dans un lycée de Garoua, une série de cinq ventilo‑convecteurs présentait des débits d’air faibles à cause de filtres non remplacés pendant six mois. Après remplacement des filtres et nettoyage des échangeurs, le débit moyen est passé de 0,28 m/s à 0,52 m/s, réduisant la consommation électrique du chiller de 12 %. Cette opération a montré l’importance d’un planning de maintenance préventive affiché dans chaque local technique. > **>** Un planning de maintenance affiché réduit de 30 % le nombre d’interventions correctives sur une année (observation sur 12 mois dans trois établissements du Cameroun). --- ## Synthèse du chapitre - **Identification** : reconnaître les éléments d’un système air‑eau (chiller, réseau, ventilo‑convecteur, régulation). - **Schémas** : dessiner le schéma hydraulique (eau froide → échangeur → retour) et le schéma électrique (alimentation → disjoncteur → contacteur → variateur → moteur). - **Maintenance préventive** : nettoyage mensuel du filtre, contrôle trimestriel du débit d’air et ΔT eau, détartrage annuel selon dureté de l’eau. - **Mise en service** : remplissage, purge, essai de pression, réglage du chiller, équilibrage des débits, vérification des conformités (NF C 15‑100, NF EN 378, arrêtés MINTP/MINEPDED). - **Diagnostic** : suivre la procédure observation → mesures électriques → hydrauliques → thermiques → débit d’air → analyse des écarts. - **Interventions correctives** : remplacer/nettoyer filtre, pale, joint, roulements ; détartrer l’échangeur ; réparer ou remplacer le variateur ; remettre en marche après vérification. - **Sécurité** : couper l’alimentation, purger le réseau, porter EPI (gants, lunettes, chaussures de sécurité), respecter les consignes de manipulation du glycol et des produits de détartrage. - **Documentation** : remplir un rapport d’intervention ou un procès‑verbal de mise en service avec relevés, écarts, actions et signatures. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Ventilo‑convecteur (FCU) | Unité terminale d’un système air‑eau comprenant un échangeur eau‑air, un ventilateur centrifuge, un filtre à air et un boîtier de commande. | | Chiller | Machine produisant de l’eau glycolée froide (ou chaude) par compression de vapeur ou absorption, utilisée comme source de froid/chaleur dans un système centralisé. | | Débit massique (\(\dot{m}\)) | Masse de fluide passant par une section donnée par unité de temps (kg/s). | | ΔT eau | Différence de température entre l’entrée et la sortie de l’eau dans l’échangeur (°C ou K). | | Anémomètre | Instrument mesurant la vitesse de l’air (m/s). | | Variateur de vitesse | Dispositif électronique permettant de faire varier la tension et la fréquence alimentant un moteur asynchrone pour régler sa vitesse de rotation. | | Détartrage | Opération chimique visant à éliminer les dépôts de calcaire ou de corrosion sur les surfaces d’échange de chaleur. | | Purge | Opération consistant à évacuer l’air emprisonné dans un circuit hydraulique afin d’assurer un écoulement continu du fluide. | | EPI | Équipement de Protection Individuelle (gants, lunettes, casque, chaussures de sécurité). | | FDS | Fiche de Données de Sécurité, document décrivant les dangers, les précautions d’emploi et les mesures d’urgence d’une substance chimique. | | NF C 15‑100 | Norme française relative aux installations électriques à basse tension, appliquée au Cameroun pour la sécurité des installations. | | NF EN 378 | Norme européenne concernant la sécurité et l’impact environnemental des systèmes de réfrigération, de climatisation et de pompes à chaleur. | | Arrêté MINTP 2005/001 | Texte réglementaire camerounais fixant les règles d’hygiène et de sécurité sur les chantiers de travaux publics. | | Arrêté MINEPDED 2012/015 | Réglementation camerounaise relative à la gestion des déchets dangereux, incluant les glycol usés. | | Pompe de circulation | Dispositif assurant le mouvement de l’eau glycolée dans le réseau fermé d’un système air‑eau. | | Vanne d’équilibrage | Dispositif permettant de régler le débit d’eau dans chaque branche d’un réseau hydraulique pour obtenir des charges thermiques uniformes. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Calcul du débit d’eau nécessaire **Données** : Un ventilo‑convecteur doit fournir une puissance frigorifique de 2,5 kW. L’eau glycolée entre à 7 °C et sort à 12 °C. La capacité thermique spécifique de l’eau glycolée est approximativement celle de l’eau pure : \(C_{p}=4,18\) kJ/(kg·K). **Demande** : Calculer le débit massique d’eau nécessaire (\(\dot{m}\)) en kg/h. **Corrigé** : \[ Q = \dot{m}\,C_{p}\,\Delta T \quad\Rightarrow\quad \dot{m}= \frac{Q}{C_{p}\,\Delta T} \] \[ \Delta T = 12-7 = 5\;K \] \[ \dot{m}= \frac{2,5\ \text{kW}}{4,18\ \text{kJ/(kg·K)}\times 5\ \text{K}} = \frac{2,5}{20,9}\ \text{kg/s}=0,1196\ \text{kg/s} \] Convertir en kg/h : \(0,1196 \times 3600 = 430,6\) kg/h ≈ **431 kg/h**. Comme la densité de l’eau glycolée ≈ 1000 kg/m³, le débit volumétrique est ≈ 0,431 m³/h. > **>** Le résultat doit être comparé au débit nominal du ventilo‑convecteur (souvent 0,15 m³/h) ; si le débit calculé dépasse largement cette valeur, il faut vérifier les hypothèses (puissance demandée, ΔT réel). ### Exercice 2 – Vérification de la conformité électrique **Données** : Un ventilo‑convecteur possède un moteur de 0,18 kW alimenté en monophasé 230 V. Le disjoncteur de protection est réglé à 10 A. **Demande** : Vérifier si la section du conducteur d’alimentation (cuivre) est suffisante selon la norme NF C 15‑100 (tableau de correspondance courant/section). **Corrigé** : Courant nominal du moteur : \[ I = \frac{P}{U \times \cos\phi} \approx \frac{0,18\ \text{kW}}{230\ \text{V}\times 0,8}=0,98\ \text{A} \] Le disjoncteur de 10 A protège le circuit ; la norme exige que la section du conducteur supporte au moins le courant du disjoncteur. D’après le tableau NF C 15‑100, pour un courant de 10 A en cuivre isolé PVC, la section minimale est **1,5 mm²**. Si l’installation utilise du 2,5 mm², elle est conforme. > **>** Toujours vérifier que la chute de tension sur le câble ne dépasse pas 3 % de la tension nominale (ici ≤ 6,9 V). Avec 2,5 mm² sur 20 m, la chute est négligeable (< 1 V). ### Exercice 3 – Diagnostic d’un débit d’air faible **Situation** : Lors d’une ronde de maintenance, le technicien mesure un débit d’air de 0,22 m/s à la grille d’un ventilo‑convecteur alors que la valeur nominale est 0,5 m/s. Le filtre apparaît légèrement sale, le ventilateur tourne sans bruit particulier. **Demande** : Proposer un plan d’intervention en trois étapes pour rétablir le débit d’air nominal. **Corrigé** : 1. **Nettoyer le filtre** : le retirer, le secouer pour éliminer les poussières, le laver à l’eau tiède avec détergent neutre, le sécher complètement puis le remettre. 2. **Vérifier l’obstruction du conduit d’air** : inspecter les gaines d’admission et de retour pour détecter tout objet étranger ou écrasement ; éliminer toute obstruction. 3. **Mesurer à nouveau le débit d’air** : si après ces deux étapes le débit reste < 0,4 m/s, contrôler l’alimentation du moteur (tension, continuité) et le variateur de vitesse ; éventuellement remplacer le variateur ou le moteur si une défaillance électrique est détectée. > **>** Après chaque étape, relever le débit d’air afin de quantifier l’amélioration obtenue. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de couper l’alimentation avant de démonter le ventilo‑convecteur | Risque de choc électrique, déclenchement du disjoncteur | Toujours verrouiller le disjoncteur (LO/TO) et vérifier l’absence de tension avec un multimètre avant toute intervention. | | 2 | Utiliser un produit de détartrage acide sans EPI approprié | Brûlures cutanées, lésions oculaires, inhalation de vapeurs toxiques | Porter gants nitrile, lunettes de protection, masque à cartouche acide ; travailler dans un espace ventilé ; respecter le temps de contact et rincer abondamment. | | 3 | Négliger la purge d’air après remplissage du réseau hydraulique | Formation de poches d’air → réduction du débit, cavitation de la pompe, bruit | Ouvrir systématiquement les vannes de purge situées aux points hauts jusqu’à écoulement sans bulles ; refermer après purge. | | 4 | Serrer excessivement les vis de fixation de l’échangeur | Déformation des plaques, fuite d’eau, réduction de l’efficacité d’échange | Utiliser une clé dynamométrique réglée au couple préconisé par le fabricant (souvent 2,5 Nm pour les vis M4). | | 5 | Remettre en service un ventilo‑convecteur sans vérifier le débit d’air après maintenance | Sous‑refroidissement ou sur‑chauffage, consommation énergétique excessive | Mesurer le débit d’air à l’anémomètre après chaque intervention ; ajuster le variateur ou nettoyer le filtre si nécessaire. | | 6 | Jeter le glycol usé dans les égouts ordinaires | Pollution des eaux superficielles, sanction légale | Stocker le glycol usé dans un récipient étiqueté, le faire collecter par une entreprise agréée de traitement des déchets dangereux conformément à l’arrêté MINEPDED 2012/015. | --- *Fin du cours.*