Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Climatisation

L'élévation du niveau de vie dans les pays industrialisés s'est accompagnée d'exigences de plus en plus grandes en matière de maîtrise des conditions de confort thermique dans les bâtiments résidentiels et tertiaires. La climatisation s'est ainsi progressivement développée au cours des dernières décennies, induisant des progrès continus dans les différentes disciplines qui composent ce que l'on appelle le génie climatique.

Pour pouvoir dimensionner un système de climatisation, il faut tout d'abord être capable d'évaluer les charges thermiques et hydriques à apporter ou évacuer. Ces charges dépendent du climat et des conditions d'occupation des locaux. Elles varient tout au long de l'année et la conception d'une installation de climatisation ne peut être faite qu'en tenant compte de ces facteurs.

Dans ce portail, nous n'aborderons ces questions que superficiellement, non pas qu'elles soient sans importance, bien au contraire, mais parce qu'elles relèvent de la thermique du bâtiment et qu'il existe de très bons traités en la matière, comme par exemple les Guides de l'AICVF indiqués en bibliographie.

ÉLÉMENTS DE BASE D'UNE INSTALLATION DE CLIMATISATION

Une installation de climatisation met en jeu les traitements élémentaires qui sont présentés dans la fiche sur les propriétés des gaz humides, à laquelle nous renvoyons le lecteur pour de plus amples développements :

  • des mélanges ;

  • des chauffages ;

  • des refroidissements, avec ou sans condensation de l'eau ;

  • des humidifications, par de l'eau ou de la vapeur ;

  • des déshumidifications.

ASPECTS TECHNOLOGIQUES

La figure ci-dessous montre comment se présente une installation de climatisation et comment elle s'intègre dans un bâtiment.

Le local est représenté dans la partie inférieure droite. Il possède deux ensembles de veines de circulation d'air, l'une pour l'extraction, l'autre pour le soufflage. Pour climatiser le local, on "souffle" un certain débit d'air par des bouches d'aération. Cet air soufflé se mélangeant avec l'air du local, un équilibre thermique et hydrique est réalisé.

Les conditions de soufflage sont déterminées de telle sorte que cet équilibre corresponde aux conditions de confort souhaitées.

L'air extrait est pour partie rejeté à l'extérieur, et pour partie recyclé, le taux de recirculation dépendant des normes hygiéniques en vigueur. L'air recyclé est mélangé à de l'air neuf, éventuellement préchauffé, puis le mélange est "traité" pour que son état corresponde aux conditions de soufflage désirées.

La figure ci-dessous montre l'éclaté d'une veine de traitement de l'air faisant apparaître différents caissons comprenant un ventilateur de reprise, un mélangeur, des filtres, un humidificateur, des batteries et un ventilateur de soufflage.

CONCEPTION D'UNE INSTALLATION

La conception d'une installation de climatisation comporte une série d'étapes distinctes :

  • il faut tout d'abord déterminer les conditions climatiques de référence qui seront utilisées pour calculer les charges enthalpiques et hydriques. En pratique, on se base sur les données climatiques publiées par les services météorologiques nationaux, que l'on corrige éventuellement comme indiqué ci-dessous. Les valeurs à prendre en considération ne sont pas les conditions extrêmes mais celles susceptibles d'être atteintes ou dépassées quelques jours par an en moyenne. Pour l'hiver, des corrections doivent être apportées aux températures pour les sites en altitude (- 1 °C tous les 200 m) et pour les villes (+ 1 à 2 °C selon la taille de l'agglomération), et une estimation des humidités relatives peut être obtenue simplement (100 % au bord du littoral ou d'un lac, 90 % ailleurs) ;

  • les conditions d'ambiance doivent ensuite être définies. Pour les applications industrielles ou spécifiques, on se reportera aux indications des Guides de l'AICVF. Pour la climatisation de confort, on notera que la plupart des personnes en bonne santé ne ressentent pas de différence notable tant que l'humidité relative reste comprise entre 30 et 60 % et que la température est inférieure à 25 °C. En première approximation on pourra donc choisir pour l'été une température de 25 °C et une humidité relative de 60 %, et pour l'hiver une température de 19 ou 20 °C et une humidité relative de 30 % ;

  • une fois ces valeurs choisies, il devient possible de calculer les charges enthalpiques et hydriques (on se référera aux Guides de l'AICVF ou aux méthodes proposées par le CSTB pour le calcul détaillé des déperditions thermiques d'un bâtiment) ;

  • la droite de soufflage peut alors être déterminée, en effectuant les bilans appropriés ; dans le diagramme psychrométrique, la droite de soufflage est la droite de pente g qui passe par le point représentatif de l'ambiance désirée. Chacun des points de cette droite correspond à un débit de soufflage différent ; le choix de ce débit dépend de différents facteurs, comme par exemple l'écart de température maximal admissible pour éviter tout désagrément (généralement de 6 à 12 °C selon la technique employée), ou le taux de brassage requis (généralement compris entre 3 et 20 volumes/heure) pour assurer une bonne homogénéité sans faire de courants d'air ;

  • une fois le point de soufflage déterminé, il reste à choisir un traitement d'air permettant d'amener un mélange d'air extérieur et d'air intérieur dans cet état. Le taux de recirculation de l'air dépend des contraintes d'hygiène. Plus il est important, plus la dépense énergétique le sera aussi. Les exemples qui suivent montrent comment les traitements élémentaires peuvent être combinés pour former une gaine de traitement d'air convenable. On notera qu'en première approximation le ventilateur réchauffe d'environ 1 °C l'air véhiculé. En hiver cela se traduit par un moindre besoin de chauffage, et en été par un besoin de refroidissement plus important.

EXEMPLES DE CYCLES

Il existe de nombreux cycles de climatisation possibles. Nous nous contentons dans une fiche-guide de TD de présenter deux exemples correspondant à des installations typiques de refroidissement d'été et de chauffage hivernal, dont les tracés sur diagramme psychrométrique sont donnés ci-dessous.

Liens vers la Fiche-guide FG14 Climatisation : sujet seul, complet avec corrigé.

Climatisation d'été
Climatisation d'hiver

RÉFÉRENCES

M. DUMINIL Air Humide, Techniques de l'Ingénieur, Traité Mécanique et chaleur, B 2 220.

AICVF Conception des installations de climatisation, et de conditionnement de l'air, Collection des guides de l'AICVF, PYC Edition, Paris, octobre 1999.

R. CASARI Cahier Technique, données théoriques et technologiques, conduite de projets, mallette pédagogique Conditionnement d'air, septembre 1992, Paris, Documentation interne, École des Mines de Paris.

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