Composition d'une installation de climatisation
Un système centralisé comprend ces éléments :
- Source de chaleur ou de froid : un groupe froid (chiller) fabrique de l'eau glacée (environ 7 C) ; une chaudière ou une pompe à chaleur fabrique de l'eau chaude pour le chauffage. Une tour de refroidissement ou une unité extérieure rejette la chaleur dehors.
- Pompes et tuyaux : ils font circuler l'eau.
- Centrale de traitement d'air (CTA) : filtre, batterie (de refroidissement ou de chauffage), ventilateur et parfois un humidificateur.
- Gaines et diffuseurs : ils transportent et répartissent l'air dans les pièces.
- Régulation : capteurs, régulateur et vannes.
Le chemin de l'air : air de la pièce, filtre, batterie, ventilateur, gaine, diffuseur, pièce.
Systèmes centralisés et unités individuelles
Les systèmes centralisés fabriquent l'eau glacée ou l'air froid à un seul endroit et l'envoient à beaucoup de pièces. Ils conviennent aux grands bâtiments : bon contrôle, bon rendement, entretien en un seul lieu, mais il faut des locaux techniques et des gaines verticales.
Les systèmes individuels (fenêtre, split, cassette, VRF) servent une pièce ou une zone. Ils sont bon marché, faciles à installer et chaque pièce se règle séparément, mais beaucoup d'unités peuvent faire plus de bruit dehors et demander plus d'entretien. Un split a une unité intérieure et une unité extérieure reliées par des tuyaux de fluide frigorigène. Le VRF relie plusieurs unités intérieures à une seule unité extérieure.
Régulation des équipements de climatisation
Une boucle de régulation comprend un capteur (température ou humidité), un régulateur et un actionneur (vanne, registre ou vitesse du ventilateur). Le régulateur compare la mesure à la valeur voulue et agit. Une vanne à deux voies s'ouvre davantage quand la pièce est chaude. Autres réglages : vitesse du ventilateur, position du registre d'air neuf, et programmes horaires qui éteignent l'installation la nuit.
C'est une boucle de rétroaction : mesurer, comparer, agir, recommencer.
Économies d'énergie en climatisation
- Règle la température entre 24 et 26 C : chaque degré de plus économise environ 6 %.
- Isole les murs et le toit ; protège les fenêtres du soleil ; bouche les fuites d'air.
- Utilise des compresseurs à onduleur (inverter) et des ventilateurs et pompes à vitesse variable.
- Le VAV (débit d'air variable) réduit le débit quand le besoin est faible. La puissance du ventilateur baisse à peu près comme le cube de la vitesse.
- Récupère la chaleur de l'air extrait ; utilise le rafraîchissement gratuit quand l'air extérieur est frais.
- Nettoie les filtres et les batteries ; répare les fuites ; éteins les pièces vides.
COP = puissance frigorifique / puissance électrique consommée. Plus le COP est élevé, moins il faut d'électricité pour le même froid.
Dimensionnement des équipements de climatisation
Étapes : (1) trouver les besoins de froid et de chaud ; (2) choisir la puissance de l'installation (kW ou TR) ; (3) calculer le débit d'air V = Q / (rho x cp x ΔT) ; (4) dimensionner les gaines, section A = V / v (environ 5 m/s dans des bureaux) ; (5) calculer le débit d'eau glacée m = Q / (cp x ΔT), avec cp = 4.18 kJ/kg K ; (6) choisir les pompes, les ventilateurs et la régulation. Prévois une petite marge de sécurité, mais évite le surdimensionnement.
Formules et définitions clés
- COP = puissance frigorifique / puissance électrique
- Débit d'air V = Q / (rho x cp x deltaT), rho = 1.2 kg/m3, cp = 1.005 kJ/kg K
- Section de gaine A = V / v
- Débit d'eau m = Q / (cp x deltaT), cp = 4.18 kJ/kg K
- L'économie est d'environ 6 % par degré de consigne en plus
Exemples résolus
1. Une clim fournit 9 kW de froid pour 3 kW d'électricité. Calcule le COP.
COP = 9 / 3 = 3.
2. Une pièce demande 6 kW de refroidissement sensible, avec un air soufflé plus froid de 10 K. Calcule le débit d'air.
V = 6 / (1.2 x 1.005 x 10) = 0.4975, soit environ 0.5 m3/s.
3. Débit d'air de 0.5 m3/s à 5 m/s. Calcule la section de la gaine.
A = 0.5 / 5 = 0.1 m2.
4. Une batterie retire 84 kW ; l'eau se réchauffe de 5 K. Calcule le débit d'eau.
m = 84 / (4.18 x 5) = 4.02 kg/s, soit environ 4 L/s.
5. Une unité consomme 900 kWh par mois. On monte la consigne de 2 degrés. L'énergie coûte 8 par kWh. Calcule l'économie mensuelle.
Économie de 12 % = 108 kWh. Argent = 108 x 8 = 864.
Erreurs fréquentes
- Choisir une unité beaucoup trop grosse pour le besoin : elle s'arrête et redémarre sans cesse (cycles courts).
- Placer le thermostat au soleil ou près d'une source de chaleur.
- Oublier de nettoyer les filtres, ce qui force le ventilateur.
- Confondre le COP (sans unité) et la puissance en kW.