Climatisation - Définition

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Fonctionnement et utilisation

La climatisation est un mode de confort thermique adapté lorsque la température extérieure est élevée. En été et en intersaisons, le besoin de climatisation est dû aux apports externes (solaire notamment) mais également aux apports internes (nombre important d'occupants, exemple salle de réunion, appareils électriques tels que l'éclairage, la micro-informatique, ...). La climatisation apporte le confort thermique d'été, d'intersaisons, mais également en hiver par utilisation du même système pour chauffer les locaux. Le confort en hygrométrie est également pris en compte pour apporter une humidité ambiante contrôlée par les actions d'humidification et de déshumidification. Une climatisation est essentiellement une pompe à chaleur d'une taille adaptée à l'usage (comparable à un réfrigérateur pour climatiser une voiture, mais beaucoup plus gros pour un bâtiment)

Systèmes

Le principe de fonctionnement d'un climatiseur est expliqué sur le schéma suivant:

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Un système de climatisation doit non seulement contrer les charges thermiques et hydriques d'un local, mais il doit aussi assurer la qualité de l'air par le renouvellement d'air neuf hygiénique (maintien de la teneur en CO2 et des odeurs à un niveau acceptable défini par les normes en vigueur), et bien sûr la filtration de l'air soufflé.

  • Les charges thermiques sont les apports ou les déperditions de chaleur externes et internes qui sont exprimés en kilowatts [kW],
  • Les charges hydriques sont généralement des apports d'humidité internes exprimés quant à eux en kilowatts [kW] ou en kilogrammes par heures (débit massique).

Les différents systèmes de climatisation

Il existe dans le domaine du génie climatique plusieurs types de systèmes que l'on peut classer en trois catégories:

  • les systèmes tout air :
    • les centrales unizones (voir exemple ci-dessus),
    • les centrales multizones,
    • les systèmes autonomes.

Le renouvellement d'air

Il existe plusieurs solutions technologiques concernant le renouvellement de l'air au sein d'un local :

  1. L'air neuf est mélangé aux conditions extérieures, avec une partie de l'air repris du local par le biais d'un caisson de mélange (voir schéma ci-dessus),
  2. L'air neuf est préparé aux conditions spécifiques du local (température, hygrométrie) par une autre centrale, appelé généralement centrale de traitement d'air neuf.

Les systèmes tout air

Dans ce type de système, afin d'éviter que l'air extérieur ne vienne polluer celui du local, on augmente légèrement la pression intérieure par rapport à la pression atmosphérique. L'intérêt du caisson de mélange est de réaliser des économies importantes d'énergies (respect de l'environnement).

On a donc dans ce cas un débit massique d'air soufflé supérieur au débit massique d'air repris.

Ce type de procédé est généralement utilisé dans les bureaux, les salles de cinéma, ...

Systèmes utilisés en recyclage total

Dans ce type de procédé, le renouvellement d'air neuf sera obtenu soit par un système de ventilation mécanique contrôlée ou le mélange d'air s'effectuera directement dans le local, soit l'air neuf sera préparé dans une centrale dite "centrale d'air neuf". Cet air est directement soufflé aux conditions intérieures du local. Un circuit d'air neuf particulier assure le renouvellement d'air neuf, et on aura un débit d'air rejeté égal au débit d'air neuf apporté.

Système fonctionnant en tout air neuf

Dans ce type de procédé, il n'y a pas de recyclage de l'air du local. En fonction du type de local il sera soit en surpression afin d'éviter toute pollution de l'air intérieur (blocs opératoires, laboratoires de produits pharmaceutiques, ...), soit à la pression atmosphérique.

L'inconvénient de ce type d'installation est qu'il est générateur de puissances thermiques très élevées, donc peu économiques. Toutefois, afin de diminuer les coûts énergétiques, on peut installer un récupérateur de chaleur (à plaques par exemples) sur ces centrales.

Système fonctionnant avec récupérateur d'énergie

a revoir

Conditions de base

Dans une cour ou un environnement fermé ou peu aéré, par temps chaud, les climatiseurs peuvent créer une bulle de chaleur auto-entretenue, contribuant au phénomène d'ilot de chaleur urbain

Avant d'installer un système de climatisation, il est important de définir les conditions de température et d'hygrométrie intérieures et extérieures.

Définition des conditions extérieures

Ces valeurs dépendent de la saison et de la situation géographique où seront situés les locaux à climatiser. Les données météorologiques déjà classifiées permettront de fixer les températures sèches et les hygrométries. Ces données vont nous permettre de calculer les charges maximales à combattre dans nos locaux.

Définition des conditions intérieures

Les températures et hygrométries intérieures dépendent du type de local :

  • pour les locaux comme les habitations individuelles, les bureaux, les grands magasins, .... (climatisation dite de « confort »), la température et l'hygrométrie dépendront des saisons.
  • pour les locaux de types industriels, la température et l'hygrométrie dépendront de l'usage que l'on fait des locaux. Elles peuvent rester constantes toute l'année (local informatique par exemple).

Charges d'un local

Lors de l'étude d'un projet de climatisation, il est important afin de pouvoir dimensionner correctement la centrale de traitement d'air, d'étudier au préalable les charges que devra supporter la centrale. Il faudra tenir compte des charges dites sensibles et des charges dites latentes.

Charges sensibles

Les charges sensibles venant de l'extérieur sont positives en été (à cause de l’ensoleillement, par exemple) et négatives en hiver (à causes des déperditions).

Les charges sensibles venant de l'intérieur du local proviennent essentiellement :

  • des occupants,
  • des machines à l'intérieur du local,
  • de l'éclairage.

Charges latentes

Les apports de chaleur latente (dégagement d'humidité sous forme de vapeur d'eau) viennent essentiellement :

  • des locaux (comme les piscines par exemple),
  • du matériel à l'intérieur des locaux,
  • des occupants (odeurs et de humidité).

Charges hydriques

La relation mathématique suivante donne les charges hydriques nommé [øL] :

  • øL = M x Lv [kW]
    • M = masse d'eau dégagée par heure
    • Lv = chaleur latente de vaporisation de l'eau.

Charges totales

Les charges totales sont la somme algébrique des charges sensibles et latentes nommé '[øT].' Elle peut être positive ou négative et est donnée par la relation mathématique suivante :

  • øT = øS + øL [kW]

Bilan énergétique d'un local

Si la température et l'hygrométrie du local sont constantes, le bilan énergétique de celui-ci peut être expliqué de la façon suivante :

  1. La puissance apportée au local (air soufflé et apports internes) est égale à la puissance perdue par celui-ci (air repris ou perdu),
  2. L'humidité apportée au local par l'air soufflé et les apports d'humidités intérieur est égale à l'humidité perdue sous forme de condensation ou d'extraction d'air.

Bilan enthalpique

Pour cela on supposera que le débit massique d'air sec soufflé est égal au débit massique d'air repris :

  • øair soufflé = øair repris

La puissance apportée au local est la somme de la puissance apportée par l'air dans le local, c'est-à-dire à øT (voir au chapitre précédent).

  • øT= qmas x has-harp

Sachant cela, on peut déterminer les conditions de soufflage.

Conditions de soufflage

Pour déterminer les conditions de soufflage de l'air dans un local, il faut connaître :

  • le débit massique d'air sec au soufflage (qmas [kgas/s],
  • le taux de brassage τ ,
  • l'écart de température Δθ entre le soufflage et le local,
  • le point de soufflage, dont les coordonnées sont déterminées en reportant sur un diagramme psychométrique deux valeurs comme l'enthalpie et la teneur en eau, par exemple.

Les conditions du point de soufflage (plus précisément les conditions de confort) permettront de dimensionner les éléments de l'installation :

  • le débit massique permettra de calculer les puissances des batteries et le débit d'eau piégé par celle-ci (batterie froide humide), le débit d'eau à injecter (humidificateur vapeur),
  • l'enthalpie, la température sèche et l'humidité absolue permettront de placer le point sur le diagramme.

Positionnement du point de soufflage

Le positionnement du point de soufflage par rapport à celui du local dépend des charges sensibles et latentes (apports ou déperditions).

Les conditions à maintenir dans le local sont : θL, rL

Les conditions du point de soufflage sont : θs, rs

Les charges sensibles peuvent être: =0; <0 ou >0

Les charges latentes peuvent être: =0; <0 ou >0

Suivant les valeurs des charges, on peut considérer 9 positions significatives du point de soufflage par rapport à celui du local.

En fonction du bilan thermique (apports ou déperditions), on peut donc prévoir à l’avance la position du point de soufflage par rapport à celui du local.

Écart au soufflage et du taux de brassage

L'écart de température au soufflage représente la différence algébrique entre la température de soufflage et la température du local :

  • Δθ = θs - θL ou Δθ = θL - θs

Cet écart est toujours positif quelle que soit la position du point de soufflage par rapport à celui du local. Il dépend du type de bouches utilisées.

On peut prendre en première approximation les valeurs suivantes :

  • Soufflage été : Δθ = de 5 à 15 K
  • Soufflage hiver : Δθ = de 5 à 20 K

Le taux de brassage représente le volume d'air traité renouvelé dans le local pendant une heure :

  • τ =qv/V
    • τ = taux de brassage en h-1
    • V = volume du local en m³
    • qv = débit volumique de soufflage en m³/h.

Le taux de brassage dépend du type de bouches de soufflage installées. Il ne dépasse pas 15 en climatisation de confort et peut aller jusqu'à 30 en climatisation industrielle.

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