Climatisation

La climatisation ou le conditionnement de l'air 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 suivant les 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, tandis que rafraîchir et déshumidifier l'air nécessite des techniques élaborées, en pratique, on parle de climatisation en particulier pour ces deux derniers objectifs.

La climatisation relève principalement 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 découverte par Willis H.Carrier en 1911.

La climatisation est un mode de confort thermique adapté quand la température extérieure est élevée. En été et en intersaisons, le besoin de climatisation est dû aux apports externes (solaire surtout) ainsi qu'aux apports interne (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 dispositif pour chauffer les locaux. Le confort en hygrométrie est aussi pris en compte pour apporter une humidité ambiante contrôlée par les actions d'humidification et de déshumidification. Une climatisation est principalement une pompe à chaleur d'une taille adaptée à l'usage (comparable à un réfrigérateur pour climatiser une voiture, mais bien plus gros pour un bâtiment)

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 dispositif 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 évidemment 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 le plus souvent des apports d'humidité internes exprimés lorsque à eux en kilowatts [kW] ou en kilogrammes par heures (débit massique).

Les différents dispositifs de climatisation

Il existe dans le domaine du génie climatique plusieurs types de dispositifs qu'on peut classer en trois catégories :

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

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, nommé le plus souvent centrale de traitement d'air neuf.

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

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

Ce type de procédé est le plus souvent utilisé dans les bureaux, les salles de cinéma, ...

Dispositifs utilisés en recyclage total

Dans ce type de procédé, le renouvellement d'air neuf sera obtenu soit par un dispositif 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 spécifique assure le renouvellement d'air neuf, et on aura un débit d'air rejeté égale au débit d'air neuf apporté.

Dispositif fonctionnant en tout air neuf

Dans ce type de procédé, il n'y a pas de recyclage de l'air du local. Selon le 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 particulièrement élevées, par conséquent peu économiques. Toute fois, pour diminuer les coûts énergétiques, on peut installer un récupérateur de chaleur (à plaques par exemples) sur ces centrales.

Dispositif 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). Par conséquent, le niveau réel de rejets de CO₂ des véhicules est toujours élevé, dans un contexte où les transports routiers ont une grande responsabilité dans le bilan des émissions de gaz à effet de serre, et par conséquent dans le respect de la convention internationale sur le climat. Quoique 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, surtout celui de la climatisation. L'essor de cet équipement, reconnu comme étant particulièrement 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 surtout l'étude du taux d'équipement des véhicules, l'analyse des effets sur la consommation de carburant, mais aussi 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 la totalité des véhicules climatisés.

Avant d'installer un dispositif 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 localisés 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 qu'on fait des locaux. Elles peuvent rester constantes toute l'année (local informatique par exemple).

Lors de l'étude d'un projet de climatisation, il est important pour 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.

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 principalement :

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

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

• des locaux (comme les piscines par exemple),
• du matériel au sein des locaux,
• des occupants (odeurs et de humidité).

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

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

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

• øT = øS + øL [kW]

Si la température et l'hygrométrie du local sont constantes, le bilan énergétique de ce dernier 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 ce dernier (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.

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, autrement dit à øT .

• øT= qmas x has-harp

Sachant cela, on peut déterminer les 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 exactement 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 comparé 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 considère généralement 9 positions significatives du point de soufflage comparé à celui du local.

En fonction du bilan thermique (apports ou déperditions), on peut par conséquent prévoir à l'avance la position du point de soufflage comparé 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 comparé 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.

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

• Certains climatiseurs ou dispositifs 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 dispositifs (produits chlorés généralement) peut aussi poser des problèmes de santé, et d'apparition de pathogènes chloro-résistants.
• Presque l'ensemble des dispositifs de climatisation comportent des filtres, qui doivent être soit nettoyés, soit changés périodiquement, ce qui n'est pas forcément le cas.
• Une climatisation n'a de sens que dans un espace assez «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 quand on retourne dans l'espace non climatisé. Selon l'Ademe 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.

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 quand 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, surtout depuis la canicule de 2003 qui a entraîné l'équipement d'un nombre élevé de foyers en climatiseurs. Tandis que, dans un même temps, le parc énergétique Français (Surtout Nucléaire) ne peut apporter toute l'energie car devant fonctionner à régime réduit à cause des difficultés de refroidissement rencontrées.
• Elle fait fréquemment appel à des systèmes frigorigènes utilisant des gaz à effet de serre    ( HFC dont le pouvoir en terme d'effet de serre est 2.000 fois plus fort que celui du CO₂), et dont une partie s'échappe infailliblement 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 habituelles dans les pays particulièrement chauds à cause des chocs thermiques. 
  50 % des fluides frigorigènes vendus le sont pour compenser des fuites. Les fuites sont habituelles sur les véhicules (deux bouchons sont conçus pour compenser les pertes du circuit), et on trouve dans les garages des publicités pour des recharges de gaz fréon ou mélange gaz-lubrifiant).
• 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 fréquemment être remplacée par une climatisation mécanique, des bâtiments ou véhicules mieux conçus (isolation, pare-soleil), et des systèmes 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 fréquemment 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 quelquefois complexe de savoir ce que sont devenus ces produits.

Outre avec des 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 de zone , qui a justifié l'interdiction de certains gaz) et de Kyoto , mais fréquemment en donnant la possibilité l'utilisation des stocks d'ancien produits et avec une certaine lenteur.

En France, le décret n°2007-363 du 19 mars 2007, Art. R. 131-29, interdit le fonctionnement des climatiseurs quand la température des locaux est inférieure ou égale à 26°C . Le décret n'est toujours qu'une recommandation dont la non application n'est pas poursuivie par la loi. L'objectif 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» apportée par un organisme agréé, certifiant que son personnel est compétent et qu'il dispose de l'outillage correct.
• déclarer à l'Ademe, chaque année, la quantité de fluides utilisée et récupérés .

présenter une «attestation de capacité» apportée par un organisme agréé, certifiant que son personnel est compétent et qu'il dispose de l'outillage correct.