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 qui permettent d'effectuer une modification des paramètres de l'air humide d'un local.
Exemple :
- Le débit masse d'air sec qmas est constant au cours des traitements (conservation de la masse d'air sec).
- Le débit volumique d'air dépend du volume spécifique v" et varie donc avec la température.
Calcul des puissances échangées :
* Sur l'élément T1 : Φ1 = qm . ( h2 - h1 ) = qv1 . ( h2 - h1 ) / v"1
* Sur l'élément T2 : Φ2 = qm . ( h3 - h2 ) = qv2 . ( h3 - h2 ) / v"2
* Sur l'élément T3 : Φ3 = qm . ( h4 - h3 ) = qv3 . ( h4 - h3 ) / v"3
Le ventilateur provoque un réchauffement de l'air (1 °C en général) et est alors considéré comme un traitement :
Φv = qm . ( hS - h4 ) = qv4 . ( hS - h4 ) / v"4
1.2) Systèmes à débit d'air variable :
Le débit massique varie d'une valeur maximale à une valeur minimale suivant l'importance et le signe de la charge du local (charges internes variables ou saison été, hiver ).
A un instant t, le débit massique instantané est constant de l'entrée à la sortie du système.
Pour obtenir la variation de débit, on fait varier le débit volumique fourni par le 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 | ÉVOLUTIONS | 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 |
| 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 |
| Refroidissement humide et chauffage |  | Régulation plus simple | Deux appareils | |
| 5 | Refroidissement humide et chauffage (Séchage) |  | Régulation simple | Deux appareils |
| Déshumidification par adsorption et refroidissement sec (Séchage) |  | Régulation difficile | Deux appareils | |
| 6 | Déshumidification par laveur (eau refroidie) |  | Régulation difficile | Source froide + humidificateur |
| Refroidissement humide et chauffage |  | Régulation plus simple | Deux appareils | |
| 7 | Refroidissement sec par batterie froide |  | Régulation simple | Un appareil |
| 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 |
| 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 |
| 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 en fonction de la facilité de mise en œuvre
- En général, il faut éviter le passage en zone de saturation ou de sursaturation lors des évolutions car sinon :
- Il y a risque de condensation sur les parois de la centrale de traitement d'air, des gaines et sur le ventilateur.
- 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.
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 (Cas de récupération de chaleur et de déshumidification des halls de piscine) :
Pour améliorer l'efficacité énergétique d'un traitement d'air d'un hall de piscine très humide, en hiver, on installe un récupérateur de chaleur de type caloduc, par exemple.
Ce récupérateur permet la récupération de chaleur du hall de piscine, et en même temps, la déshumidification de l'air repris très humide.
Lorsque l'air neuf extérieur est très froid, le mélange des deux airs (sortie du récupérateur de chaleur et air neuf), se retrouve en zone de sursaturation.
Du point de mélange, cet air sera réchauffé par la deuxième partie du récupérateur de chaleur (zone de transfert).
Pour ce cas particulier, les matériaux utilisés, pour les parois et les échangeurs, doivent être choisi pour résister à la corrosion par l'air sursaturé et chargé de chlore. De plus, le caisson de mélange doit absolument être équipé d'une évacuation des condensats.
Pour éviter que le point de mélange se retrouve en zone saturée, il est possible, comme pour la solution précédente, de réaliser une translation du point d'air neuf en préchauffant cet air très froid. Mais, on perdrait alors l'intérêt de cette solution car l'efficacité du récupérateur diminuera, celle-ci dépendant de l'écart de température et d'enthalpie entre l'air repris (entrée récupération) et le point de mélange (entrée transfert).
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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