dimensionnement des équipements : synthèse master 2 – st luc – 09-09-22 1

Dimensionnement des équipements : synthèse

Master 2 – St Luc – 09-09-22

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Le choix des techniques HVAC

• Chauffer ? …C’est juste apporter un appoint en façade !

• C’est donc la gestion de l’été qui sera le point de départ du choix !

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Le choix des techniques HVAC

• Climatiser ou refroidir naturellement ?

On ne peut refroidir naturellement que si la charge thermique maximale ne dépasse pas 50 W/m²…

Remarques : ratio clim classique : 100 W/m²…si la charge est de 60 W/m², possibilité de pulser en

appoint de l’air hygiénique refroidi mécaniquement.

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Charge thermique maximale ?

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Refroidissement direct.

3 stratégies pour le refroidissement naturel :

• Stratégie 1 : perméabilité variable de l’enveloppe = free-cooling

• Stratégie 2 : circulation d'eau froide dans les planchers, eau refroidie "de manière naturelle = slab cooling

• Stratégie 3 : intégration d’air frais extérieur dans la climatisation, conçue pour ne donner qu’un complément frigorifique en période de canicule

Refroidissement indirect.

Climat33

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Dimensionnement si refroidissement naturel par free-cooling nocturne?

L’air des locaux doit être refroidi par de l’air extérieur de nuit à raison de 6 renouvellements d’air par heure !

Donc si volume = 1.200 m³, il faut assurer 7.200 m³/h, ou 2m³/s !

Puisque la vitesse de l’air en déplacement naturel = 1 m/s,

La section (des grilles de fenêtres, de cheminée, …) = 2m³/s / 1m/s = 2 m² !

A noter que l’inertie de ces bâtiments doit être élevée : le froid de la nuit doit encore se ressentir à 4 h de l’après-midi !

Le refroidissement naturel, c’est un choix architectural de départ…

Si charge > 50 W/m², refroidir mécaniquement

1 "Tout air"

2 "Air + eau"

3 « DRV"

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Climatisation

Ventilos-convecteurs

Choix du système de climatisation

• Si densité d’occupation élevée (salle conférences, salle réunions, paysagers à forte densité, …)

Système "tout air", idéalement à débit d’air variable !

(voir fichier « salle de spectacles.ppt »)

• Si transferts de chaleur internes (locaux informatiques fonctionnant en hiver, locaux à charge très variable, …)

Système « DRV« (Débit de Réfrigérant Variable) = pompe à chaleur interne au bâtiment

• Tous les autres cas (locaux de bureaux, chambres d’hôtel, …)

Système "Air + Eau", idéalement par plafonds refroidissants ! 8

Climatisation

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Organisation des équipements

• Les gaines d’air sont coûteuses et encombrantes, il faut limiter la longueur des prise et rejet d’air.

Les groupes de traitement d’air seront placés à proximité des locaux utilisateurs et près des façades.

• L’eau chaude et l’eau glacée peuvent être préparées à distance… Mais l’air est traité localement !

• Une seule chaufferie et une seule machine frigorifique, même pour plusieurs bâtiments.

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0° - Point commun de tout dimensionnement

Débit = Section x Vitesse

Vitesse = 1 m/s en déplacement naturel (cheminée de ventilation, par exemple)…2… m/s au droit d’une bouche de pulsion d’air…5… m/s dans un conduit avec déplacement forcé par ventilateur

Ex : un conduit de 40 sur 40 cm transporte de l’air issu d’un caisson de traitement d’air. Débit approximatif transporté (en m³/h) ?

Débit = 0,4 x 0,4 m² x 5 m/s x 3.600 s /h = 2.880 m³/h

Ex : un conduit circulaire doit transporter 7.200 m³/h. Quelle diamètre ?

________ Section = débit/vitesse = 7.200 m³/h / 3.600 s/h / 5 m/s = 0,4 m² --> Diamètre = √(0,4 x 4/π) = 0,71 m

Ex : une grille de ventilation naturelle doit laisser passer 180 m³/h. Quelle longueur de grille au–dessus des fenêtres ? (sur base de 1cm de hauteur d’ouverture)

Section = débit/vitesse = 180 m³/h / 3.600 s/h / 1 m/s = 0,05 m² --> longueur = 0,05/0,01 = 5 m

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1° Ventilation hygiéniqueDe l’air frais est apporté aux personnes à une température neutre : 20°C.

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1° Ventilation hygiéniqueDe l’air frais est apporté aux personnes à une température neutre : 20°C.

Débit ?Si nombre de personnes connu : débit = 30 m³/h/pers x Nbre pers Sinon, ratios de la Réglementation Wallonne Exemple : 2,9 m³/h/m² dans un bureau.

Chauffage ?

Puissance = Débit x 4,8 Wh/m³

Où 4,8 Wh/m³ = différence d’enthalpie (= d’énergie) entre air entrant à 30°C 50% HR et sortant à 25°C 50% HR

Puissance de chauffe = Débit x 0,34 Wh/m³.K x (20° - (- 8°)) K

Refroidissement et déshumidification ?

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4,8

Wh/

m³

enth

alpi

e

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Remarque : si un récupérateur de chaleur est présent, il peut préchauffer l’air neuf et diminuer d’autant la puissance de la batterie de chauffe.

20° 14,4° -8°

20° -2,4°

Exemple : soit un récupérateur avec un rendement de 80%. L’air extérieur entre à -8° et l’air intérieur sort à 20 °C.

Après passage dans le récupérateur, l’air arrive -8° + 80% (20 – (-8°)) = 14,4° C dans la batterie de chauffe.

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2° Chauffage des locauxDe la chaleur est fournie aux locaux pour vaincre les déperditions du local et conserver la température de consigne hivernale de 20°C.

Situation 1 - La ventilation est centralisée (= l’air neuf hygiénique arrive déjà chaud )

Le chauffage du local ne doit fournir que la somme des pertes par les parois .Ex : Puissance radiateur = ai Ui Si T°

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Situation 2 - La ventilation est organisée dans le local

Le chauffage doit compenser les pertes par les parois + le chauffage de l’air de ventilation.Ex : Puissance radiateur =[ ai Ui Si + 0,34 Wh/m³.K x Débit vent.] x (20 - (-8°C))

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3° Climatisation des locauxDu froid est fourni aux locaux pour vaincre les apports de chaleur du local et conserver la température de consigne estivale de 25°C maximum.

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3° Climatisation des locauxDu froid est fourni aux locaux pour vaincre les apports de chaleur du local et conserver la température de consigne estivale de 25°C.

Situation 1 : La ventilation est centralisée (= l’air neuf arrive déjà refroidi )La climatisation du local doit vaincre les apports : Exemple pour un bureau :

• des personnes : 70 W / pers • des équipements de bureautique : 25 W/m² au sol• de l’éclairage 10 W/m² au sol• du soleil par les fenêtres et par les murs 400 W/m² de vitrage S,E,O 600 W/m² de vitrage Hor

Valeurs à multiplier par le facteur solaire !! 200 W/m² de vitrage N

Situation 2 : La ventilation est organisée dans le local La climatisation doit compenser en + le refroidissement de l’air de ventilation.

Ex : Puissance climatiseur = tous les apports ci-dessus + Débit x 4,8 Wh/m³ Où 4,8 Wh/m³ = différence d’enthalpie entre air entrant à 30°C 50% HR et sortant à 25°C 50% HR

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3° Climatisation des locauxAstuce 1 :

L’homme humidifie l’air ambiant…

Si l’appareil frigorifique (climatiseur, batterie de ventilo-convecteur, …) est très froid, la vapeur produite par l’homme va condenser sur la batterie de froid.

Il faut compter 60 Watts/pers. de puissance frigorifique en + .

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3° Climatisation des locauxAstuce 2 :

Le soleil peut entrer par les fenêtres de plusieurs façades …

Il faudra cumuler les apports solaires … et voir quand ils sont maximaux !

+ 0 6 12 18 24 0 6 12 18 24 apports vitrage Est apports vitrage Sud

= apports totaux : 0 6 12 18 24

4° Application 1

Données : soit :• une salle de réunion de 15 personnes• des déperditions des parois par -8°C de 4.000 Watts• des apports de chaleur par +30°C de 8.000 Watts (y compris la chaleur latente des occupants)

Quels débits pulsés ?Ventilation :Chauffage, si air pulsé à 35° C : > Débit d’air chaud = Climatisation, si air pulsé à 15°C > Débit d’air froid = =

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D’où choix des débits d’air ?

Débit d’air pulsé : 2.350 m³/h Débit d’air neuf : 450 m³/hDébit d’air extrait : 2.350 m³/h Débit d’air recyclé : 1.900 m³/h

15 x 30 = 450 m³/h

Puissance/cair x T° = 4.000 W / (0,34 x (35°-20°)) = 785 m³/h

Puissance/cair x = 8.000 W / (0,34 x (25°-15°)) = 2.350 m³/h

4° Application 1

Données : • une salle de réunion de 15 personnes• des déperditions par -8°C de 4.000 Watts• des apports de chaleur par +30°C de 8.000 Watts

Quelles puissances des batteries dans le caisson ?

Puissance batterie de chauffe :

Puissance batterie de refroidissement :

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Déperditions de parois + chauffage air neuf = 4.000 + 0,34 x 450 x (20 – (-8) ) = 8.285 W

Apports + refroidissement et déshumidification de l’air neuf = 8.000 + 4,8 Wh/m³ x 450 = 10.160 W

Un ventilateur souffle sur 2 échangeurs, alimentés en eau chaude ou en eau glacée.

4° Application 2

4° Application 2Données : soit :• une salle de réunion de 15 personnes• des déperditions par -8°C de 4.000 Watts• des apports de chaleur par +30°C de 8.000 Watts

(y compris la chaleur latente des occupants)

Quels débits pulsés ?

Ventilation : 15 x 30 = 450 m³/h

Chauffage, si régime d’eau 60°C – 45°C :

Climatisation, si régime d’eau 6°C – 11°C :

> Débit d’eau chaude = Puissance/ceau x T° = 4.000 W / (1163 x (60°-45°)) = 0,23 m³/h

> Débit d’air froid = = Puissance/ceau x = 8.000 W / (1163 x (11°-6°)) = 1,38 m³/h

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Section = Débit / vitesse = 1,38 m³/h / 3.600 s/h /0,6 m/s = 0,00064 m² = 6,4 cm²

--> Diamètre = √(6,4 x 4/π) = 2,9 cm = 29 mm

Choix d’un tuyau de diamètre nominal : 32 mm

Diamètre extérieur : 42 mm

épaisseur de l’isolant thermique autour du conduit : 15 mm

Diamètre extérieur du conduit avec isolant : 72 mm

DIMENSIONS DE MISE EN OEUVRE du conduit : DMO mm 140

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Il existe un formulaire qui vous fournit ce type d’info :

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26 m

9,5

m

18 m

Résumé ...Résumé ...

Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC - Formulaire.

Utilisation du Formulaire....

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A.1. Présentation de la salle.

26 m

9,5

m

18 m

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1°

Vu la densité d’occupation (1,2 m²/personne), le débit de ventilation hygiénique est important :sur base de 30 m³/h.personne, on apportera 25 m³ d’air neuf par h et m².

Choix d’un système de climatisation « tout air » : la chaleur et/ou le froid utiliseront l’air comme fluide caloporteur.

A.2. Les techniques.Choix du système de climatisation

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2°

Les gaines d’air sont coûteuses et encombrantes, il faut limiter la longueur des prise et rejet d’air.

Le groupe de traitement d’air sera placé à proximité de la salle et près des façades.

L’eau chaude et l’eau glacée peuvent être préparée à distance…Mais l’air est traité localement !

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Solution meilleure car • l’air frais arrive directement aux personnes,• la charge thermique des spots ne perturbe pas les spectateurs.

Solution : Pulsion en bas et reprise en haut :

Choix du mode de diffusion de l’air

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Exemple 1 : Palais de Justice d’Anvers

bouchesde pulsion

bouches d’extraction

Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC.

A.2. Les techniques.Choix du mode de diffusion de l’air

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Exemple 2 : Flagey

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Vue du silence(*) sous le studio 4

(*) espace tampon acoustique entre les 2 salles



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Ces bouches provoquent un mélange d’air très rapide avec l’air ambiant (on parle de bouches à « haute induction »)

De plus, ces grandes sections de bouche permettent une faible vitesse d’air, et donc une absence de bruit !

Choix du mode de diffusion de l’air

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Si récupérateur, l’énergie des spectateurs et des spots préchauffe l’air neuf !

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Bilan thermique d’une personne si on pulse de l’air frais sous elle :

20oC

24oC

La puissance sensible à évacuer est de 70 Watts par spectateur

On ne peut pulser moins de 4K (idéal) sous la température ambiante,sous peine de courants d’air froid…

Pour obtenir 24°C à l’équilibre :

70 W = débit d’air x 0,34 Wh/m³.K x (24 – 20) K

débit = 70/(0,34 x 4) = 50 m³/h.personne soit un débit total de 300 pers x 50 m³/h.pers = 15.000 m³/h


A.2. Les techniques.L’air hygiénique comme air de refroidissement ?

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Bilan thermique d’été :

Une fois arrivé au plafond, l’air atteint les équipements divers (± 6 kW) et les parois chauffées par le soleil (± 3,5 kW). La charge thermique totale est donc de ± 9,5 kW.

La température de l’air devient : 24°+ 9.500 /(0,34 x 9000) = ± 27,1°C

20°

27,1°

24°


A.2. Les techniques.L’air hygiénique comme air de refroidissement ?

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En regime hivernal, la relance (= le réchauffage) de l’installation,le lundi à 3h du matin par exemple, se fera avec de l’air frais extérieur chauffé à 35o C…

Et regime estival, le passage dans le récupérateur est plutôt à éviter, autant ne pas préchauffer l’air frais !

Avez-vous une meilleure solution à proposer ?

Problèmes…

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Amélioration 1 - installer un by-pass pour un recyclage complet.

Un by-pass du récupérateur permet de relancer l’installation en la bouclant sur elle-même au matin (pas d’apport d’air neuf lorsque les occupants ne sont pas présents).

20°

28°

24°

Fonctionnement en régime hivernal

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Amélioration 2 : évacuer l’air sans passer par le récupérateur

20°

28°

24°

Fonctionnement en régime estival

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Fonctionnement Fonctionnement avant l’arrivée des occupantsavant l’arrivée des occupants

35°

20°

20°

Fonctionnement en régime hivernal - recyclage complet

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Fonctionnement Fonctionnement hivernal si rendement récupérateur = 60%hivernal si rendement récupérateur = 60%

20°

27°

24°

9°

20°

Fonctionnement en régime hivernal - recyclage partiel

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26 m

9,5

m

18 m

UTILSATION UTILSATION DU DU FORMULAIREFORMULAIRE


B. Utilisation du formulaire

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Données de base de la salle RésultatsUmoyen

(W/m2K)

G(-)

Longueur 18 mLargeur 26 m

Hauteur moyenne Haut. 1 = 9,5 m, Haut. 2 = 3 m = 5,9 m

Volume (m3)

Volume (V) ± 2.800 m³

Surfaces (m2);

Surface toiture 18 m x 26 m = 468 m2 0,3Surface mur (9,5 m + 3 m ) x 18 m / 2 = 112,5 m2 0,3

Surface fenêtres Sudavec un verre «pare-soleil »

3 m x 18 m = 54 m2 1,6 0,4Surface fenêtres Ouest

avec un verre pare-soleil(5 m x 9,5 m) + (3 m x 3 m) = 56,5 m2 1,6 0,4

Nombre de WC

WC 300 personnes x 120% / 15 pers par WC 24(60% pour femmes et 60% pour hommes)


B.1. Données de la salle .

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B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’Schéma fonctionnel et éléments à dimensionner.

Les dimensions du local pour les groupes d’air ?

Les dimensions des conduits d’air ?Les dimensions des conduits d’air ?

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B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’Estimation des débits de pulsion et extraction d’air.

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B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’Le débit maximal et les dimensions du local ‘air’.

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Rejet d’air2,5 m3/s

Prise d’air2,5 m3/s

CondenseurTour de refroidissement

P= 87 kW A= 17 m2

EvaporateurGroupe de refroidissementP= 87 kW A= 8 m2 - H=3m

Production de ChaleurChaudière

Ti = 25°C

Te = 30°C

6,3 m3/s à Ts = 20°CAir recyclé3,8 m3/s

Groupes pulsion et extraction d’airA = 54 m2 – H = 3,5 m


B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’Situation en période estivale....

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B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’Les dimensions des canalisations.

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Une salle pour 300 personnes. - Une approche de dimensionnement - HVAC - Formulaire..

B.3. L’installation de ventilation hygiénique.DMO (Dimension de mise en oeuvre), C’est quoi ?

IDIDIDID EDEDEDED

ISODISODISODISOD

DMODMODMODMO

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Les canalisations d’extraction d’airLes canalisations d’extraction d’air6 canalisations DN 6306 canalisations DN 630

Les canalisations de pulsion d’airLes canalisations de pulsion d’air9 canalisations DN 7109 canalisations DN 710

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Ti = 25°CTs = 20°C

(6,3 m³/s à 2 m/s (6,3 m³/s à 2 m/s par 9 conduits de DN 710 - DMO 830 par 9 conduits de DN 710 - DMO 830 ayant chacun un débit de 2520 m3/hayant chacun un débit de 2520 m3/h

6,3 m³/s à 6 m/s 6,3 m³/s à 6 m/s par 1 conduit de DN 1250 - DMO 1370 par 1 conduit de DN 1250 - DMO 1370

6,3 m³/s à une vit. 0,25 m/s 6,3 m³/s à une vit. 0,25 m/s par 320 grilles par 320 grilles de diamètre 32cmde diamètre 32cm

6,3 m³/s à 3,4 m/s 6,3 m³/s à 3,4 m/s par 6 conduits de DN 630 par 6 conduits de DN 630 DMO 750DMO 750

6,3 m³/s à 1 m/s 6,3 m³/s à 1 m/s par 6 grilles linéairespar 6 grilles linéairesde 15 m de long et ± 7 cm de largede 15 m de long et ± 7 cm de large



3,8 m³/s à 6 m/s 3,8 m³/s à 6 m/s par 1 conduit de DN 900 - DMO 1020 par 1 conduit de DN 900 - DMO 1020

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Une nappe à la partie supérieureUne nappe à la partie supérieurede ± 80 cm d’épaisseur de ± 80 cm d’épaisseur

Une nappe à la partie inférieureUne nappe à la partie inférieurede ± 88 cm d’épaisseurde ± 88 cm d’épaisseur

Une nappe à la partie inférieureUne nappe à la partie inférieurede 150 cm d’épaisseurde 150 cm d’épaisseur


B.6. L’installation de climatisation ‘tout-air’Les dimensions nappes inférieures et supérieures.

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Salle de 300 personnes

LOCAL « REGIE » (Eclairage, projection et sonorisation)

P= 4m; L = 5m; H = 3m

LOCAL « GROUPES DE VENTILATION » Débit de base = 6,3 m3/sA = ± 54 m2;

H = 3,5 mLOCAL « CHAUFFERIE » Puis. de base = ± 107,5 kW

A = ± 30 m2; H = 3,5 m

LOCAL « FROID » Puis. de base = ± 87 kW

A évaporateur = ± 8 m2; H évaporateur = 3 m

A condenseur = ±17 m2LOCAL « EAU » 1,8 m x 3,6 m

sanitaires : 12 H et 12 FLOCAL « ELECTRICITE H.T. » 2,4 m x 6 m

LOCAL « ELECTRICITE B.T. et COMMUNICATIONS

2,4 m x 6 m

LOCAL « GAZ - M.P. » 2,4 m x 3,6 m


B.7. Les dimensions des locaux techniques

dimensionnement des équipements : synthèse master 2 – st luc – 09-09-22 1

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