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Module EE.1.4 Page 1
Théorie
CLIMATISATION DE CONFORT
PSYCHROMETRIE
EVOLUTIONS FONDAMENTALES
Définitions
Détermination des débits d’air neuf et soufflage
Etude des évolutions fondamentales de l’air : Mélange, Chauffage, Refroidissement
Déshumidification – Humidification
Un système de climatisation regroupe l’ensemble des appareils dont la fonction essentielle est de préparer
l’air à distribuer dans les locaux en fonction des charges de ces locaux.
Par conséquent, pour déterminer et choisir ces appareils, on est d’abord amené à calculer un certain nombre de
caractéristiques fondamentales qui nous permettront :
- de suivre les évolutions de l’air humide au cours du traitement qu’il subira
- de connaître la puissance, le débit,… des appareils à installer
Fig 1 : Dénominations
avec : STA = Système de Traitement d’Air
LC = Local Climatisé
AN = Air Neuf
AE = Air Extrait
AR = Air Repris
ARC = Air Recyclé
AM = Air Mélangé (dans un caisson de mélange)
AS = Air Soufflé
AI = Air Intérieur
VS = Ventilateur de Soufflage
VR = Ventilateur de Reprise
STA VR
LC
AS
AI
AI - HRAI
AN
e - HRe
VS
AE
i - HRi
AR Point de soufflage AS
AS - HRAS
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La fonction première d’un STA – Système de Traitement d’Air – consiste en l’obtention des conditions de
soufflage (débit spécifique de soufflage qmAS et point de soufflage AS), pour tous les cas de charge (apports – déperditions
de chaleur : sensible et hydrique) d’un local au cours de l’année climatique. Les évolutions psychrométriques au sein
des différents composants du système de traitement d’air (STA) doivent s’enchaîner pour constituer un cycle fermé
avec le point d’ambiance du local LC à l’extraction, et avec le point de soufflage AS.
A chaque composant du STA correspond une ou deux fonctions élémentaires de traitement :
• batterie «chaude » Chauffage
• batterie « froide » Rafraîchissement et Déshumidification
• humidificateur vapeur Humidification
• adsorbeur rotatif Chauffage et Déshumidification
• humidificateur à pulvérisation Rafraîchissement et Humidification
• caisson de mélange Recyclage et Qualité d’air
• filtration Qualité d’air
• ventilateurs Extraction et Soufflage
Autre disposition : Doc GEA HAPPEL
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1. Etude des conditions de Soufflage de l’air dans un local :
Bilans énergétique et hydrique d’un local
Du fait de la saison climatique (été et hiver), des conditions d’occupation, de l’éclairage, … un local subit des
apports ou des déperditions de chaleur, et/ou d’humidité. La connaissance de ces valeurs passe par un calcul dit
« CALCUL DE CHARGES CLIMATIQUES » réalisé au travers de logiciels adaptés intégrant toutes les paramètres
modifiant la température et l’humidité de l’air du local.
Les conditions d’ambiance (, HR) fixées par le Cahier des Charges (CCTP et fonction de la destination
spécifique des locaux) seront maintenues par les conditions de débit « qmas en kgas/s », de température « AS en
°C » et d’humidité « rAS en kgeau/kgas » de l’air soufflé.
C’est l’Air Soufflé qui combattra les charges (pertes et/ou apports) du local.
Par convention, on admettra :
- Qu’une perte de chaleur et/ou d’humidité de l’air d’un local sera comptée NEGATIVEMENT
- Qu’un apport de chaleur et/ou d’humidité de l’air d’un local sera compté POSITIVEMENT
On définit : H0 : CHARGES GLOBALES ou CHARGES ENTHALPIQUES en kW
Composé de H0 = CHARGES SENSIBLES + CHARGES LATENTES
A noter : CHARGES THERMIQUES OU CHARGES SENSIBLES : HSENS
modifient les caractéristiques thermométriques :
ne modifient pas les caractéristiques hydriques : r
CHARGES D’HUMIDITE OU CHARGES LATENTES : HLAT
ne modifient pas les caractéristiques thermométriques :
modifient les caractéristiques hydriques : r
HO M
(APPORT OU EXTRACTION)
LOCAL
QmAS
hAS
rAS
QmAE
hAI
rAI
AIR
SOUFFLE
AIR
EXTRAIT
AS
AI
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H0 = HSENS + HLAT
Avec :
HSENS = qmAS x Cas x ( AI - AS )
HLAT = qmAS x Lv x ( rAI - rAS ) = M x Lv
où Lv() = 2490 - 2,226 : enthalpie latente de vaporisation de l’eau
et M = qmAS x ( rAI – rAS ) en kgeau/s
et : H0 = qmAS x ( hAI - hAS )
Si :
HSENS > 0 : S =( AI - AS )> 0 AS < AI : AIR SOUFFLE PLUS FROID
HSENS < 0 : S =( AI - AS )< 0 AS > AI : AIR SOUFFLE PLUS CHAUD
M > 0 : rS =( rAI - rAS )> 0 rAI > rAS : AIR SOUFFLE PLUS SEC
M < 0 : rS =( rAI - rAS )< 0 rAI < rAS : AIR SOUFFLE PLUS HUMIDE
EVOLUTIONS FONDAMENTALES
Après avoir défini les débits d’Air Hygiénique et de Soufflage nécessaire aux locaux climatisés, il s’agit
maintenant de définir l’évolution de l’air dans le Système de Traitement d’Air.
Dans l’ordre possible de traitements, on retrouve :
1) Mélange d’air : caisson de mélange Fonction : Recyclage et Qualité d’air
2) Chauffage de l’Air : batterie «chaude » Fonction : Préchauffage ou Chauffage
3) Refroidissement : batterie « froide » Fonctions : Rafraîchissement et Déshumidification
L’étude des évolutions fondamentales se déroulera uniquement sur le domaine de la Climatisation de Confort :
Les différents traitements étudiés sont énumérés ci-dessous.
: Mélange de deux Airs
: Chauffage de l’Air
: Refroidissement de l’Air sans Déshumidification
: Refroidissement de l’Air avec Déshumidification
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1) MELANGE DE DEUX AIRS
Représentation : Diagramme Psychrométrique
Soit : un air ARC (ARC ; HRARC) mélangé à un air AN (AN ; HRAN)
Représentation schématique
Objectifs
Afin de réduire les frais d’exploitation d’une installation, on procède très souvent, lorsque cela est
autorisé, au MELANGE DE L’AIR RECYCLE aux conditions (, HR) de l’AIR REPRIS ET DE L’AIR NEUF ; on
parle aussi de fonction QUALITE D’AIR.
La régulation est assurée par :
Des registres motorisés ou non placés sur les arrivées AN et ARC
Des registres motorisés ou non placés sur les arrivées AN et ARC et départ AE
Détermination du point de mélange
Méthode des Bilans Energétiques Application
L’enthalpie du mélange est la somme des enthalpies
apportées par AN et ARC
On peut donc écrire :
( qmAN + qmARC ) hAM = qmAN hAN + qmARC hARC
hAM=(qmAN hAN + qmARC hARC) / (qmAN + qmARC)
La masse d’humidité du mélange est la somme des masses
d’humidité apportées par AN et ARC
On peut donc écrire :
( qmAN + qmARC ) rAM = qmAN rAN + qmARC rARC
rAM=(qmAN rAN + qmARC rARC) / (qmAN + qmARC)
Déterminer les caractéristiques hM et rM d’un mélange de deux airs (AM) dont les caractéristiques sont les suivantes :
- air AR (AR = 20°C ; HRAR = 50%)
- air AN (AN = 0°C ; HRAN = 80%) qmAN = 0,5 kgas/s et qmAS = 1,2 kgas/s
Le point de mélange M se trouve toujours plus près du point figuratif de l’air dont le débit massique
d’air sec est le plus grand !
AN = 0,417 qmAN = 0,50
ARC = 0,583 qmARC = 1,2 – 0,50 = 0,70
°C HR % r ge/kgas h kJ/kgas v m3/kgas
AN 0 80 3,01 7,5 0,777
ARC 20 50 7,26 38,35 0,840
AM 11,7 64,48 5,49 25,50 0,814
Caractéristiques du point M
hAM=(qmAN hAN + qmARC hARC) / (qmAN + qmARC)
hAM=(0,5 7,5 + 0,7 38,35) / (1,2)
rAM=(qmAN rAN + qmARC rARC) / (qmAN + qmARC)
rAM=(0,5 3,01 + 0,7 7,26) / (1,2)
hAM =25,50 kJ/kgas AM =11,7°C
rAM =5,49 ge/kgas HRAM = 64,48%
Taux d’AN : AN Taux d’ARC : ARC
ARCANASoufflé qm qm qm
qm
qm
ASoufflé
ANAN 1 ARCAN
qm
qm
ASoufflé
ARCARC
XAM=AN XAN + ARC XARC
X représente : , r, h, v
AE AE
AR
ARC ARC
AR
AM AM
AR
AE AN
AM
3. Air Recyclé : ARC
°C
AM
ARC
AN
r
ge/kgas
AN
AM
ZONE DE BROUILLARD
A PROSCRIRE !
ARC
rAM
rAN
rARC
hARC
hAM
hAN
qmAN
qmARC
qmAM
qmAE
AR
AR ;
HRAR
AN
AN ;
HRAR
AM
M ; HRM
AE
AR ;
HRAR
ARC
ARC
AR ;
HRAR
qmAR
qmAS = qmAN + qmARC
qmAR = qmAE + qmARC
AM
M ; HRM ARC
ARC
HRARC
AN
AN
HRAN
AR
AR
HRAR
AE
AR
HRAR
AN AN
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(Relation NON VALABLE pour HR !)
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2) Chauffage de l’air : Batterie Chaude BC
Représentation : Diagramme Psychrométrique
Soit : un air E (E ; HRE) chauffé jusqu'à S (S ; HRS)
Représentation schématique
Principe
Un air soumis à un réchauffage simple est un air qui subit :
- Modification de la température sèche : s
- Pas de modification de la teneur en humidité : r = Cte
Technologie
Les batteries utilisées sont appelées « Batteries chaudes BC »
Ces échangeurs, destinés à chauffer l’air, peuvent être de type :
- à ailettes Eau chaude / Air, Vapeur / Air
- à ailettes Fluide frigorigène / Air (condenseur d’une machine frigorifique)
- résistance électrique en contact direct avec l’air
Détermination des Caractéristiques de la batterie
chaude BC
1) Puissance Côté AIR en kW
PBC/ air = qmAS ( hSa – hEa )
avec :
qmAS = débit massique d’air sec en kgas/s
cas = capacité thermique massique de l’air sec en kJ/kg.K
hEa = enthalpie massique spécifique de l’air entrant en
kJ/kgas
hSa = enthalpie massique spécifique de l’air sortant en
kJ/kgas
2) Puissance Côté Fluide Secondaire en kW
PBC/ eau = qme ce e
PBC/ eau = PBC/ air / TH
avec :
qme = débit massique d’eau en kg/s
ce = capacité thermique massique de l’eau en kJ/kg.K
e = écart de température sur l’eau en °C
TH = rendement thermique de BC sans unité
Application
Côté AIR Côté Fluide Secondaire
Déterminer les puissances côté Air et Eau d’une batterie chaude de CTA dont les caractéristiques sont les suivantes :
Air : E (Ea= 12°C ; HREa = 70%) et S (Sa= 26°C ; HRSa = ??%) avec qmAS = 1,2 kgas/s
Eau : Régime : 40/30°C qve = 1,5
m3/h TH= ? %
°C HR % r ge/kgas h kJ/kgas v m3/kgas
E 12 70 6,08 27,29 0,816
S 26 29,2 6,08 41,46 0,856
3) Efficacité d’une batterie chaude : BC
On appelle efficacité de la batterie, le rapport de l’évolution réelle à celle que l’on obtiendrait avec une surface d’échange
infinie.
BC = ( hSa - hEa ) / ( hEe - hEa )
avec : hEa = enthalpie massique spécifique de l’air entrant en kJ/kgas
1) Puissance fournie sur l’Air
PBC/ air = qmAS ( hSa – hEa ) = 1,2 * (41,46 -27,29)
PBC/ air = 17 kW
2) Puissance perdue par le secondaire
PBC/ eau = qme ce e = 1000 * (1,5/3600)* 4,18 *
10
PBC/ eau = 17,4 kW
Rendement Thermique : TH = 17/17,4 = 0,977 soit 97,7 %
Entrée
AIR E ; HRE
E (E ; HRE)
S (S ; HRS)
E (E ; HRE)
S (S ; HRS)
°C
E
r
ge/kgas
S rE = rS
HRE % HRS %
E S
Sortie
AIR S ; HRS
E < S
HRE > HRS
rE = rS
qmAS = Constante
ENTREE
SORTIE
EAU
e eau
s eau
hEa
hSa
h
kJ/kgas
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hSa = enthalpie massique spécifique de l’air sortant en kJ/kgas
hEe = enthalpie massique spécifique de l’eau à l’entrée de la BC (lue sur diagramme pour HR= 100% et = eau) 3) Efficacité de la batterie chaude : BC = ( hSa - hEa ) / ( hEe - hEa ) = (41,46 – 27,29) / (165,35 – 27,29)
BC = 0,10 Soit 10%
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3) Refroidissement de l’air sans déshumidification : Batterie froide sèche BFS
Représentation : Diagramme Psychrométrique
Soit : un air E (E ; HRE) refroidi jusqu'à S (S ; HRS) et S > rosée
Représentation schématique
Principe
Un air soumis à un refroidissement simple est un air qui subit :
- Modification de la température sèche : s
- Pas de modification de la teneur en humidité : r = Cte
Technologie
Les batteries utilisées sont appelées « Batteries froides sèches BFS »
Eau glacée / Air :
Ces échangeurs, destinés à refroidir l’air, sont de type à ailettes
L’eau glacée, qui refroidit l’air, est produite par un évaporateur
Fluide frigorigène / Air :
L’air est refroidi directement par l’évaporateur d’une machine frigorifique. On parle alors de BFS à « détente
directe »
Détermination des caractéristiques de la batterie
froide BFS
1) Puissance Côté AIR en kW
PBFS/ air = qmAS ( hSa - hEa ) < 0
avec :
qmAS = débit massique d’air sec en kgas/s
cas = capacité thermique massique de l’air sec en kJ/kg.K
hEa = enthalpie massique spécifique de l’air entrant en
kJ/kgas
hSa = enthalpie massique spécifique de l’air sortant en
kJ/kgas
2) Puissance Côté Fluide Secondaire en kW
PBFS/ eau = qme ce e
avec :
qme = débit massique d’eau en kg/s
ce = capacité thermique massique de l’eau en kJ/kg.K
e = écart de température sur l’eau en °C
Application
Côté AIR Côté Fluide Secondaire (Eau, …)
Déterminer les puissances côté Air et Eau d’une batterie froide de CTA dont les caractéristiques sont les suivantes :
Air : E (Ea= 30°C ; HREa = 30%) et S (Sa= 15°C ; HRSa = ?) avec qmAS = 1,2 kgas/s
Eau : Régime d’eau : 17/22°C qve = 2,50 m3/h TH= ? %
°C HR % r ge/kgas h kJ/kgas v m3/kgas
E 30 30 7,91 50,16 0,870
S 15 74,65 7,91 34,93 0,827
G 10,54 100 7,91 30,4 0,814
3) Efficacité d’une batterie froide : BFS
On appelle efficacité de la batterie, le rapport de l’évolution réelle à celle que l’on obtiendrait avec une surface d’échange
infinie.
1) Puissance absorbée sur l’Air
PBFS/ air = qmAS ( hSa - hEa) = 1,2 (34,93 – 50,16)
PBFS/ air = -18,18 kW
2) Puissance récupérée par l’eau
PBFS/ eau = qme ce e = (2,5/3600) 1000 4,18
5
PBFS/ eau = 14,51 kW
Sortie
AIR S ; HRS
E (E ; HRE)
S (S ; HRS)
E (E ; HRE)
S (S ; HRS)
°C
E
r
ge/kgas
S rE = rS = rG
HRS % HRE %
S E rosée
G
Entrée
AIR E ; HRE
E > S
HRE < HRS
rE = rS
qmAS = Constante
ENTREE
SORTIE
EAU
Soit ms = Température moyenne de surface de la batterie
Batterie froide à eau glacée : ms = 0 + 8°C
Batterie froide à fluide frigorigène : ms = 0 + 3 à 5°C
Si ms < rosée : Condensation sur la batterie !!
On note : 0 la température d’évaporation du
fluide
frigorigène dans l’évaporateur en °C
s eau
e eau
h
kJ/kgas
hEa
hSa
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BFS = ( hEa – hSa ) / ( hEa - hG )
avec : hEa = enthalpie massique spécifique de l’air entrant en kJ/kgas
hSa = enthalpie massique spécifique de l’air sortant en kJ/kgas
hG = enthalpie massique spécifique de l’air en G en kJ/kgas
3) Efficacité de la batterie froide : BFS =( hEa – hSa ) / ( hEa - hG ) = (50,16 – 34,93)/(50,16 –
30,40) = 0,77
Température moyenne de surface : ms = 19,5°C
Température de rosée de l’air entrant : rosée =10,54 °C Condensation : Oui Non
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4) Refroidissement de l’air avec Déshumidification : Batterie Froide Humide BFH
Représentation : Diagramme Psychrométrique
Soit : un air E (E ; HRE) refroidi jusqu'à S (S ; HRS) et S < E rosée
Représentation schématique
Principe
Un air soumis à une déshumidification par batterie froide est un air qui subit :
- Modification de la température sèche :
- Modification de la teneur en humidité : r
Technologie
Les batteries utilisées sont appelées “ Batteries froides humides BFH ”
C’est une des transformations les plus importantes en climatisation puisqu’il s’agit de refroidir de l’air mais également
d’abaisser sa teneur en humidité. Pour cela, on met l’air en contact avec une surface dont la température est inférieure
à sa température de rosée : ms < E rosée
Elles sont identiques à celles utilisées en refroidissement simple si ce n’est l’ajout d’un bac à condensats et d’un
dispositif d’évacuation des condensats.
Détermination des caractéristiques de la batterie
froide humide : BFH
1) Puissance totale Côté AIR en kW
PBFH/ air = qmAS ( hSa - hEa ) < 0
avec :
qmAS = débit massique d’air sec en kgas/s
hEa = enthalpie massique spécifique de l’air entrant en
kJ/kgas
hSa = enthalpie massique spécifique de l’air sortant en
kJ/kgas
2) Puissance Côté Fluide Secondaire en kW
PBFH/ eau = qme ce e
PBFH/ eau = PBFH/ air / TH
avec :
qme = débit massique d’eau en kg/s
ce = capacité thermique massique de l’eau en kJ/kg.K
e = écart de température sur l’eau en °C
TH = rendement thermique de BFH [sans unité]
Application
Côté AIR Côté Fluide Secondaire
Déterminer les puissances côté Air et Eau d’une batterie froide de CTA dont les caractéristiques sont les suivantes :
Air : E (Ea= 30°C ; HREa = 40%) et S (Sa= 14°C ; HRSa = 80%) avec qmAS = 1,2 kgas/s
Eau : Régime d’eau : 7/12°C qve = 6,0 m3/h TH= ? %
°C HR % r ge/kgas h kJ/kgas v m3
/kgas Eau
E 30 40 10,59 57 0,873 e 7°C
S 14 80 7,95 34 0,824 s 12°C
G 9,50 100 7,37 28 0,810 ms 9,50°C
a) Puissance Sensible en kW b) Puissance Latente en
kW
Psens/air = qmas ( hSa – hx ) PLat/air = qmas ( hx – hEa )
3) Débit de déshumidification
qmdéshum BFH/ air = qmAS ( rSa - rEa ) < 0
4) Efficacité et Facteur de Bipass d’une batterie froide : BFH et BFP
On appelle efficacité de la batterie, le rapport de l’évolution réelle à celle que l’on obtiendrait avec une surface d’échange infinie.
Puissances absorbées sur l’Air
1) Totale a) Sensible b) Latente
Efficacité de la BFH
BFH = ( hEa – hSa ) / ( hEa - hG )
Facteur de bipasse
Le facteur de bipasse BPF ou by-pass factor
PBFH/ air = -27,60 kW Psens/air = -19,20 kW PLat/air = -8,40 kW
2) Puissance récupérée par l’eau PBFH/ eau = 34,83kW Rendement Thermique : TH = 0,79
Sortie
AIR S ; HRS
E (E ; HRE)
S (S ; HRS)
E (E ; HRE)
S (S ; HRS)
°C
E ms
Entrée
AIR E ; HRE
S < E
HRS > HRE
r = (rE -
rS)
qmAS = Constante
ENTREE
SORTIE
EAU
Soit G = Point de rosée apparent de la Batterie ou ATP
Soit ms = Température moyenne de surface de la batterie < E rosée
ms > 5°C pour éviter le givrage des ailettes
S
E
r
ge/kgas
S rSa
HRS %
HRE % rEa
rG
x G h
kJ/kgas
hSa
hx
hEa
E rosée Evaluation de ms
Batterie froide à eau glacée : ms = (Te+Ts)/2
Batterie froide à fluide frigorigène : ms = 0 + 3 à 5°C
s eau
e eau
r = Quantité d’eau piégée
Sur la batterie froide
Bac
Condensats
condensée
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BFH = ( rEa – rSa ) / ( rEa - rG ) = ( Ea – Sa ) / ( Ea - ms )
hEa, hSa = enthalpie massique spécifique de l’air entrant et sortant en kJ/kgas
hG = enthalpie massique spécifique de l’air en G en kJ/kgas
représente le pourcentage d’air non modifié
au passage sur la batterie.
BFP = 1 - BFH
3) Débit de déshumidification : qmdéshum BFH/ air = 1,2 (7,95 – 10,59) 1E-3
3600 = -11,405 kgeau/h
4) Efficacité de la batterie froide : BFH = 0,793 BFP = 0,207