Air conditioning

La climatisation est la technique qui consiste à modifier, contrôler et réguler les conditions climatiques (température, humidité, niveau de poussières, etc.) d’un local pour des raisons de confort (bureaux, maisons individuelles) ou pour des raisons techniques (laboratoires médicaux, locaux de fabrication de composants électroniques, blocs opératoires, salles informatiques).

Les principales caractéristiques modifiées, contrôlées ou régulées sont :

• le degré de pollution de l'air ambiant (local à traiter) : renouvellement, soit par extraction forcée de l’air hors du local, soit par introduction forcée d'air neuf (air extérieur) dans le local, soit par renouvellement partiel de l'air ambiant pollué (adjonction d'un caisson de mélange).
• la température de l'air : modification en fonction des saisons (chauffer ou refroidir),
• le degré d'hygrométrie de l’air traité : humidification ou déshumidification,
• la teneur en poussières de l’air : traitement par filtration de l'air soufflé ou repris,
• le maintien permanent des conditions intérieurs (la régulation).

Comme le chauffage et l'élévation du degré d'humidité relèvent de techniques élémentaires, alors que rafraîchir et déshumidifier l'air nécessite des techniques élaborées, en pratique, on parle de climatisation surtout pour ces deux derniers objectifs.

La climatisation relève essentiellement de la technique des pompes à chaleur et se trouve de plus en plus associé dans un même appareil, un "climatiseur réversible" (rafraîchissement l'été, chauffage l'hiver).

La climatisation moderne a été inventée par Willis H. Carrier en 1911.

Technique

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.

Principe de fonctionnement d'un climatiseur

Exemple d'une centrale de traitement d'air

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 hygénique (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 égale 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. Toute fois, 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

Durant les trois dernières décennies, les constructeurs automobiles ont réalisé d’importants progrès sur la consommation spécifique de carburant et les émissions de polluants du moteur. Cependant, l’impact de ces améliorations sur la consommation des véhicules a été limité par l’accroissement des performances dynamiques (vitesse maximale, couple), des prestations de sécurité (direction et freinage assisté ou intelligent) ou de confort (réduction desbruits et vibrations, lève-vitres et confort thermique). De ce fait, le niveau réel de rejets de CO₂ des véhicules est encore élevé, dans un contexte où les transports routiers ont une grande responsabilité dans le bilan des émissions de gaz à effet de serre, et donc dans le respect de la convention internationale sur le climat. Bien que les constructeurs européens, japonais et coréens aient signé un accord important avec la Commission européenne sur la réduction volontaire des émissions de CO₂ de leurs véhicules, avec un objectif d’émission moyenne pondérée par les ventes de 140 grammes par km sur le cycle d’homologation MVEG en 2008, il convient de noter que les procédures européennes de mesure des consommations et des rejets de CO 2 ne prennent pas en compte le fonctionnement des auxiliaires, notamment celui de la climatisation. L’essor de cet équipement, reconnu comme étant très consommateur d’énergie et employant un fluide frigorigène à fort potentiel de réchauffement de l’atmosphère, a conduit l’ADEME à mettre en place une série d’actions d’évaluation de son impact énergétique et environnemental. Elles comportent notamment l’étude du taux d’équipement des véhicules, l’analyse des effets sur la consommation de carburant, ainsi que sur les rejets de polluants réglementés à l’échappement, la caractérisation des niveaux de fuite en fluide frigorigène, puis l’estimation des rejets de gaz à effet de serre de l’ensemble des véhicules climatisés.

Conditions de base

Dans une cour ou un environnement fermé ou peu aéré, par temps chaud, les climatiseurs peuvent entretenir 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 psychrométrique 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.

Inconvénients et polémiques

La climatisation assistée présente des avantages et des inconvénients sanitaires, mais aussi des risques pour la santé et l'environnement.

Pour la santé

• Certains climatiseurs ou systèmes extérieurs de refroidissement produisent des eaux où peuvent proliférer des organismes pathogènes s'ils sont mal entretenus. L'exemple le plus cité est celui de la Légionellose.
  L'injection de désinfectants dans ces systèmes (produits chlorés en général) peut aussi poser des problèmes de santé, et d'apparition de pathogènes chloro-résistants.
• Presque tous les systèmes de climatisation comportent des filtres, qui doivent être soit nettoyés, soit changés périodiquement, ce qui n'est pas toujours le cas.
• Une climatisation n'a de sens que dans un espace relativement « fermé », où divers polluants et contaminants biologiques (microbes) peuvent se concentrer, même s'ils se développent moins grâce à une moindre chaleur (dans le cas où la climatisation rafraîchit l'air).
• Une climatisation excessive expose à un choc thermique lorsqu'on retourne dans l'espace non climatisé. D'après l'Ademe ^[1] il est recommandé de ne pas descendre en dessous de 26 °C et de garder une différence de température compris entre 5 °C à 7 °C. De plus la consommation d'énergie augmente aussi avec ce différentiel.

Pour l'environnement

La climatisation est critiquée pour les raisons suivantes :

• Elle dépense de l'énergie, augmente la consommation énergétique des bâtiments ou véhicules qui en sont équipés. L'ADEME estime à 5% le surcoût annuel de la climatisation des automobiles (1 litre/100 km lorsqu'elle est en fonctionnement).
• La consommation énergétique est telle que par exemple la consommation électrique en été atteint et dépasse en France la consommation électrique faite en hiver, notamment depuis la canicule de 2003 qui a entraîné l'équipement d'un nombre élevé de foyers en climatiseurs. Alors que, dans un même temps, le parc énergétique Français (Notamment Nucléaire) ne peut fournir toute l'energie car devant fonctionner à régime réduit à cause des difficultés de refroidissement rencontrées^[2].
• Elle fait souvent appel à des dispositifs frigorigènes utilisant des gaz à effet de serre (HFC dont le pouvoir en termes d'effet de serre est 2.000 fois plus fort que celui du CO₂), et dont une partie s'échappe inévitablement dans l'atmosphère (accidents, fuites, mauvaise gestion de la fin de vie du matériel). Toujours selon l'ADEME, cet effet équivaut à une augmentation de 10% de l'impact d'un véhicule sur l'effet de serre.
• Trop de climatiseurs fuient. Les ruptures de circuit de climatisation de maisons, hôtels et lieux publics sont fréquentes dans les pays très chauds en raison des chocs thermiques.
  50 % des fluides frigorigènes vendus le sont pour compenser des fuites. Les fuites sont fréquentes sur les véhicules (deux bouchons sont destinés à compenser les pertes du circuit), et on trouve dans les garages des publicités pour des recharges de gaz fréon ou mélange gaz-lubrifiant)^[3].
• Le circuit de la récupération/recyclage des gaz dans les appareils et véhicules en fin de vie reste opaque.
• Enfin, la climatisation par un gaz pourrait souvent être remplacée par une climatisation mécanique, des bâtiments ou véhicules mieux conçus (isolation, pare-soleil), et des dispositifs plus "naturels" utilisés par exemple par l'architecture bioclimatique (murs épais à inertie thermique élevée, puits provençal, etc.).

Pour la santé et pour l'environnement

Certains produits tels que le Bromure de lithium (LiBr) sont à la fois dangereux pour la santé et pour l'environnement. Utilisé dans les machines à absorption (climatisation utilisant de l'eau, de l'ammoniac et le gaz naturel comme source d'énergie, dans une machine à absorption produisant de l'eau chaude et glacée utilisable simultanément) à raison de centaines de litres (plus de 1000 litres souvent dans les climatiseurs industriels), il peut fuir et doit être vidangé par des professionnels qualifiés en fin de vie de la machine. Après les faillites ou cessations d'activité, il est parfois difficile de savoir ce que sont devenus ces produits.

Législation

Outre les normes concernant les appareils, leur consommation électrique, la légionellose ou le recyclage des matériaux qui les composent, la législation évolue pour mieux appliquer les protocoles de Montréal (protection de la couche d'ozone, qui a justifié l'interdiction de certains gaz) et de Kyoto, mais souvent en permettant l'utilisation des stocks d'anciens produits et avec une certaine lenteur.

Réglementation française

En France, le décret n°2007-363 du 19 mars 2007^[4], Art. R. 131-29, interdit le fonctionnement des climatiseurs lorsque la température des locaux est inférieure ou égale à 26 °C. Le décret n'est encore qu'une recommandation dont la non application n'est pas poursuivie par la loi. Le but est simplement de pousser les utilisateurs à modérer leur utilisation de ce type d'équipement.

À partir du 4 juillet 2009, les spécialistes de la climatisation et/ou réfrigération devront :

• présenter une « attestation de capacité » fournie par un organisme agréé, certifiant que son personnel est compétent et qu'il dispose de l'outillage adéquat.
• déclarer à l'Ademe, annuellement, la quantité de fluides utilisée et récupérés (Cf. statistiques et « traçabilité » de ces produits soumis à réglementation).

Qualiclimafroid, association de professionnels s'est porté candidat^[5] pour être organisme agréé et délivrer des attestations de capacité.

Voir aussi

Liens externes

• Climatisation.com http://climatisation.online.fr Le portail du génie climatique.

Articles connexes

• climatiseur pour automobile
• puits provençal ;
• habitat passif ;
• arcologie ;
• construction de Haute Qualité Environnementale (HQE) ;
• construction bioclimatique ;
• fluide frigorigène ;
• Sadi Carnot (physicien) ;
• canicule.

Bibliographie

• Allan Cain et al., La climatisation naturelle, article dans L'Ecologiste n°20, sept-oct-nov. 2006, p. 42-43.
• Philippe Nunes Climatisation douce, article dans Climamaison [1] revue de presse environnement mai 2008.

Notes et références

• Portail de l’énergie
• Portail de l’architecture et de l’urbanisme

Climatisation et canicule, article de Roger Cadiergues