TRANSFORMATIONS, ÉVOLUTIONS COMPOSÉES OU MULTIPLES

Les traitements d'air consistent à amener l'air, aux conditions de température, d'humidité, de teneur en poussières, à l'entrée d'un système de climatisation vers la sortie, en général appelée soufflage, dans le local avec des conditions différentes.

Pour réaliser ce parcours représenté par une succession d'évolution (transformations successives) sur le diagramme de l'air humide, le projeteur devra tenir compte des contraintes techniques, économiques et de faisabilité (voir chapitre II).

1. PRINCIPE GÉNÉRAL DES TRANSFORMATIONS DE L'AIR AU COURS DE SON TRAITEMENT

1.1) Systèmes à débit d'air constant :

Un système de conditionnement d'air est composé de plusieurs éléments successifs permettant de modifier les paramètres de l'air humide avant son introduction dans le local.

Exemple :

Principe de conservation :

Le débit massique d'air sec qm_as reste strictement constant tout au long de la chaîne de traitement (conservation de la masse d'air sec).
Le débit volumique qv dépend du volume spécifique v" de l'air (qv = qm_as · v") et varie donc à chaque étape en fonction de la température et de l'humidité.

Calcul des puissances échangées :

• Sur l'élément T1 : Φ₁ = qm_as · ( h₂ – h₁ ) = qv₁ · ( h₂ – h₁ ) / v"₁

• Sur l'élément T2 : Φ₂ = qm_as · ( h₃ – h₂ ) = qv₂ . ( h₃ – h₂ ) / v"₂

• Sur l'élément T3 : Φ₃ = qm_as . ( h₄ – h₃ ) = qv₃ · ( h₄ – h₃ ) / v"₃

Prise en compte de l'échauffement du ventilateur :

Le passage de l'air dans le ventilateur de soufflage provoque une élévation de température (généralement de 1 à 2 °C). On la néglige souvent dans les avants-projets.

Si on veut calculer cette élévation de température, en considérant que la totalité de la puissance électrique absorbée est restituée sous forme de chaleur à la veine d'air, on a :
Pe = Δp . qv₄ / η_v
avec
Pe : Puissance électrique absorbée en [W]
Δp : charge du ventilateur ou pertes de charge totales du réseau aéraulique en [Pa] ou en [ J/m³ ]
qv₄ : débit volumique d'air à l'entrée du ventilateur de soufflage au point 4 en [m³/s]
η_v : rendement global du ventilateur (adimensionnel, ≤1 )

On peut alors déterminer l'augmentation d'enthalpie apportée par le ventilateur :
Δh = h_s – h₄ = Δp · v"₄ / (1000 · η_v)
avec
Δh : Différence enthalpique entre sortie et entrée du ventilateur en [ kJ/kg_as ]
Δp : charge du ventilateur ou pertes de charge totales du réseau aéraulique en [Pa] ou en [ J/m³ ]
v"₄ : Volume spécifique d'air à l'entrée du ventilateurau soufflage au point 4 en [m³/s]
η_v : rendement global du ventilateur

Pour calculer Δh, on calculera h₄ qui est inconnue car elle dépend de v"₄ . Le calcul de h₄ se fera par 3 à 5 itérations de convergence : c'est pourquoi, on a l'habitude de prendre une valeur approximative de 1 à 2 °C pour simplifer les calculs d'avant-projets.

La puissance apportée par le ventilateur est alors égale à :
Φ_v = qm · ( h_S – h₄ ) = qv₄ · ( h_S – h₄ ) / v"₄

1.2) Systèmes à débit d'air variable DAV:

Le débit massique d'air varie d'une valeur maximale à une valeur minimale en fonction de l'évolution des charges thermiques du local (charges internes variables ou transition saisonnière été/hiver).

En régime permanent à un instant t, le débit massique est conservatif de l'entrée à la sortie du réseau aéraulique (conservation de la masse).
Pour adapter ce débit aux besoins instantanés, on fait varier le débit volumique fourni par le ventilateur.
Cela peut s'effectuer au moyen de registres de réglage à volets modulants (action par perte de charge) ou, de manière bien plus efficiente sur le plan énergétique, au moyen d'un variateur de vitesse électronique (variateur de fréquence agissant directement sur les lois de similitude du ventilateur).

2. CHOIX DES ÉVOLUTIONS

Ce choix doit tenir compte impérativement des contraintes techniques et des critères économiques.

2.1) Contraintes techniques :

La transformation d'un point d'entrée jusqu'au point de sortie doit tenir compte des possibilités techniques de faisabilité :

Sources d'énergie disponible (eau chaude, eau glacée, vapeur, électricité ...)
Caractéristiques techniques des batteries de traitement d'air
Nombre de batteries à utiliser
Débit massique et débit volumique de soufflage

2.2) Critères économiques :

Pour aller d'un point de départ (ici au milieu) dans une direction quelconque, le "chemin" le plus court est bien sûr, l'évolution directe, mais cela n'est pas réalisable pour toutes les évolutions représentées ci-contre :

Il faudra minimiser au maximum le nombre de traitement (coût de réalisation et d'exploitation plus faible)
Chaque choix de solution technologique implique des coûts de mise en service (réglage) et d'exploitation différents.
La solution la moins chère à l'installation n'est pas forcément la plus économique du point de vue exploitation.

3. ÉTUDE DES DIFFÉRENTES ÉVOLUTIONS

Dans les cas suivants, l'humidification par vapeur est supposée isotherme.

N°	SOLUTIONS	CONTRÔLE	ÉCONOMIE
1	Humidification par vapeur sèche	Régulation simple	Un seul appareil
1'	Chauffage et humidification à eau	Régulation plus difficile	Deux appareils
2	Humidification à eau (eau chaude) + chauffage	Régulation difficile	Source de chaleur, humidification, chauffage
2	Humidification par vapeur surchauffée et chauffage	Régulation plus simple	Deux appareils
3	Chauffage simple	Régulation simple	Un seul appareil
4	Déshumidification par adsorption	Régulation difficile	Coût d'achat et d'exploitation élevé
4	Refroidissement humide et chauffage	Régulation plus simple	Deux appareils
5	Refroidissement humide et chauffage (Séchage)	Régulation simple	Deux appareils
5	Déshumidification par adsorption et refroidissement sec (Séchage)	Régulation difficile	Deux appareils
6	Déshumidification par laveur (eau refroidie)	Régulation difficile	Source froide + humidificateur
6	Refroidissement humide et chauffage	Régulation plus simple	Deux appareils
7	Refroidissement sec par batterie froide	Régulation simple	Un appareil
7	Refroidissement par laveur (eau refroidie)	Régulation difficile	Source froide + humidificateur
8	Humidification et refroidissement à température humide constante	Régulation peu précise	Un seul appareil
8'	Humidification et refroidissement	Régulation peu précise	Source froide + humidificateur
8'	Refroidissement sec et humidification par vapeur	Régulation plus simple	Deux appareils, risque de condensation
8"	Humidification par laveur (eau réchauffée)	Régulation difficile	Source chaude + humidificateur appareil
8"	Humidification à eau et chauffage par batterie	Régulation plus simple	Deux appareils

4. RÈGLES D'ÉVOLUTION

La recherche de l'évolution pour aller d'un point de départ de traitement d'air vers les conditions désirées au soufflage doit suivre des évolutions possibles techniquement.

Des règles simples sont à retenir :
Il faut identifier le point de départ sur le diagramme de l'air humide
Air neuf : centrale de préparation d'air neuf, centrale en tout air neuf
Local : centrale en tout air repris ou recyclé, ventilo-convecteur ...
Mélange : centrale avec caisson de mélange (économiseurs) à l'entrée pour le renouvellement d'air neuf hygiénique minimal réglementaire

Pour ensuite sortir au point appelé point de soufflage avec des conditions permettant de réaliser l'équilibre thermohydrique ( charges thermiques et hydriques) du local à conditionner tenant compte aussi de la qualité de cet air (odeurs par exemple) et de la classe d'empoussièrement du local ( salles propres ou blanches par exemple)

Le choix doit se faire aussi en fonction de la facilité de mise en œuvre et du coût financier éléments de la centrale

Sauf processus spécifique volontaire (comme l'humidification adiabatique à saturation), il faut proscrire le franchissement de la courbe de saturation (HR ≥ 100 %) lors des évolutions intermédiaires car sinon :
- Il y a risque de condensation sur les parois de la centrale de traitement d'air, des gaines et sur le ventilateur et des risques sanitaires (développement fongique/bactérien).
- Il faudra prévoir des parois de centrale traitées contre la corrosion, un séparateur de gouttes pour les sorties de batterie froide ou d'humidificateur (entrainement d'eau sur le ventilateur) et une évacuation efficace des condensats avec siphon.

5. ÉTUDE DE CAS PARTICULIERS

5.1) Mélange en zone de saturation de deux airs (Air neuf extérieur à température très basse) :

La situation ci-dessus est incorrecte et à éviter :
Le point de mélange se trouve dans la zone de sursaturation lorsque la température extérieure de l'air neuf est très basse (-10 ou -15 °C par exemple).

Sur cette deuxième situation, le point de mélange est maintenant positionné hors de la zone de saturation. Pour obtenir ce déplacement ou cette translation sur le diagramme, il est nécessaire de préchauffer l'air neuf très froid à l'aide d'une batterie chaude que l'on appelle "batterie de préchauffage".

5.2) Mélange en zone de saturation de deux airs et récupération sur air très humide (Cas de récupération de chaleur et de déshumidification des halls de piscine) :

Pour optimiser le bilan énergétique des halls de piscine en période hivernale, l'air extrait (très chaud et saturé en humidité) passe à travers un récupérateur de chaleur (ex. caloduc ou 2 batteries à circulation de fluide intermédiaire).
Ce récupérateur permet la récupération de chaleur du hall de piscine, et en même temps, la déshumidification de l'air repris très humide.

1. Mécanisme thermodynamique :

• Récupération et Déshumidification :
L'air repris (Arp) se refroidit au contact du récupérateur.
Sa température descend sous son point de rosée, provoquant une condensation massive et une déshumidification de l'air extrait (Sortie Récup.)

• Mélange en zone de sursaturation :
Le mélange de cet air refroidi avec un air neuf extérieur très froid (An) conduit à un point théorique situé au-delà de la courbe de saturation (HR > 100 %). Une condensation fine (brouillard) s'amorce instantanément dans le caisson de mélange, libérant de la chaleur latente.

• Transfert / Réchauffage :
Cet air mélangé passe ensuite dans la seconde section du récupérateur (zone de transfert) pour y être réchauffé avant d'être soufflé dans le hall.

2. Intérêt énergétique face aux exigences techniques :

• Rendement optimal :
Contrairement à un préchauffage de l'air neuf (qui réduirait l'écart de température Δθ et donc l'efficacité de l'échangeur), cette configuration maximise le transfert thermique.

• Tenue aux atmosphères corrosives :
L'air sursaturé étant chargé de composés chlorés, le caisson de mélange et les échangeurs exige des matériaux hautement résistants (inox 316L, traitements époxy) et un égouttoir à condensats avec siphon à haute garde d'eau.

• Note d'ingénierie :
La détermination exacte du point de mélange réel nécessite un calcul itératif couplé (convergence bilans massiques/enthalpiques), l'efficacité du transfert thermique réagissant directement sur l'état de l'air avant mélange.

5.3) Refroidissement intense avec pente importante :

Lors d'un refroidissement avec une pente importante et une température de surface de batterie froide très basse, l'air à la sortie de cette batterie est saturé. Cette situation peut surtout se produire lorsque le point d'entrée a une humidité absolue très grande.
Il faudra absolument :
- Installer un séparateur de gouttes efficace pour éviter l'entrainement d'eau,
- Réchauffer cet air à l'aide d'une batterie chaude avant l'arrivée d'air dans la section de ventilation.

5.4) Cas particulier d'une humidification par laveur avec rendement de saturation imposé :

Ce cas est présenté pour mémoire car les humidificateurs à eau sont maintenant remplacés par les humidificateurs à vapeur plus sains. Il se présente lorsque le rendement de saturation de l'humidificateur à eau impose l'utilisation de deux batteries chaudes :
La première : préchauffage
La deuxième : réchauffage

En effet, l'humidification provoquant un refroidissement, il n'est pas possible de sortir à la température souhaitée en respectant les performances de l'humidificateur à eau.
On détermine donc le point de sortie de la première batterie chaude tenant compte du rendement de l'humidificateur.
Puis, on termine le traitement par un réchauffage complémentaire pour obtenir la température de sortie souhaitée.

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⇒ Renouvellement d'air neuf