Principe de fonctionnement |
Un climatiseur de local est une machine frigorifique prévue pour extraire la chaleur des locaux et la rejeter à l'extérieur.
Le fonctionnement d'un climatiseur est basé sur le changement de phase d'un fluide frigorigène :
- dans l'évaporateur, le fluide capte la chaleur dans l'air du local et s'évapore;
- dans le condenseur, le fluide redevient liquide car il est refroidi par l'air extérieur.
Le
compresseur a pour rôle de comprimer le gaz, opération accompagnée
d'une forte élévation de température qui permettra au fluide
frigorifique de céder sa chaleur à l'air extérieur.
Le détenteur relâche la pression, opération
accompagnée d'une forte diminution de température nécessaire à l'échange
de chaleur avec l'air ambiant.
Typologie des climatiseurs de locaux |
On distingue plusieurs types de climatiseurs :
Le climatiseur mobile
C'est un appareil à faible puissance frigorifique
(max 2,5 kW), principalement destiné à un usage local. Il impose de
laisser un ouvrant entrouvert, ce qui diminue l'étanchéité du local à
l'air et aux bruits extérieurs !
Ce système est de moins en moins utilisé. Son emploi se limite souvent aux situations provisoires.
S'il
est monobloc, l'air de refroidissement du condenseur peut être pris
soit dans la pièce (perte de puissance jusqu'à 30 % par rapport à la
puissance frigorifique annoncée), soit à l'extérieur (cas le plus
favorable). Il est rejeté systématiquement à l'extérieur par une
gaine flexible;
S'il
est séparé, pour des raisons de mobilité de l'unité extérieure, le
compresseur est situé dans l'unité intérieure. La distance entre les
deux unités est généralement limitée à 2 m.
Le "Window Unit" ou climatiseur de fenêtre
Le climatiseur de "fenêtre" ("window"), est un
climatiseur monobloc installé dans un percement effectué dans une paroi
extérieure (mur ou baie).
Généralement,
un seul moteur entraîne simultanément le compresseur et les deux
ventilateurs. Si bien que tous les bruits de fonctionnement sont
fournis en prime dans le local ! Seuls les amateurs de polars américains
(où il y a toujours un window qui vrombit à l'arrière de
l'inspecteur, celui-ci basculant sur sa chaise, les deux pieds sur
son bureau...) peuvent apprécier ce type de confort ... !
Le "split system"
"Split System" signifie "climatiseur à éléments
séparés", à savoir que l'unité de condensation est séparée de l'unité
d'évaporation.
Avec un split, l'évaporateur est souvent situé dans
le local à traiter, tandis que condensateur et compresseur sont
situés à l'extérieur (en terrasse, au sol,...), ce qui permet de
diminuer le bruit !
Dans
chacun des cas, les unités sont reliées par liaison frigorifique
(fluide frigorigène) et cable électrique, dont les longueurs peut être
adaptées au cas traité, ce qui autorise une grande souplesse
d'installation.
Remarque.
pour
des raisons esthétiques ou de sécurité, il est également
possible de ne pas disposer le condenseur à l'extérieur mais en cave.
Ceci n'est uniquement possible que si on garantit une ventilation
de la cave (pulsion-extraction) d'un débit au moins égal au
débit d'air nécessaire pour le bon fonctionnement du
condenseur. Eventuellement, une ventilation mécanique peut être
asservie à un thermostat d'ambiance dans la cave pour garantir
le débit nécessaire. |
Le "multi-split system"
Les unités de condensation et d'évaporation sont
séparées et reliées par des liaisons frigorifiques et électriques dont
la longueur peut être adaptée au cas traité, ce qui autorise une grande
souplesse d'installation.
Les
unités d'évaporation peuvent être posées diversement, y compris dans
un local annexe avec des gaines de soufflage dans 1 ou 2 locaux.
Cas particulier : le Roof-Top
L'unité
de condensation et d'évaporation sont intégrées dans le même
appareil posé en toiture et relié par une gaine à un diffuseur d'air
séparé.
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Vue d'un roof-top posé sur une toiture.
Détails technologiques |
L'unité d'évaporation
Un ventilateur centrifuge fait circuler l'air
intérieur au travers d'un filtre, puis de l'évaporateur, avant de le
rejeter au travers de grilles de diffusion dont l'inclinaison est
réglable.
Divers emplacements sont possibles pour l'insertion de l'évaporateur :
En voici quelques exemples :
En allège.
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Au plafond.
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En cassette insérée dans un faux plafond.
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Remarque.
La
vapeur d'eau contenue dans l'air ambiant risque de se
condenser au contact de l'évaporateur très froid, aussi doit-on prévoir
une conduite d'évacuation des condensats vers l'égout. Si
l'écoulement naturel par gravité n'est pas possible, il faudra
insérer une petite pompe de relevage des condensats. |
L'unité de condensation
Le fluide frigorigène (à l'état vapeur) est comprimé
par le motocompresseur hermétique, puis refroidit dans le condenseur,
avant d'être détendu et de repartir vers le local.
Les liaisons frigorifiques et électriques
Pour simplifier la tâche sur chantier (et rendre
l'installation accessible à des non-frigoristes), les conduites de
raccordement en cuivre sont préchargées en fluide frigorigène et
équipées de raccords rapides. Lors du montage, les opercules sont
automatiquement perforés.
Leur longueur ne dépasse pas 10 à 15 m généralement
pour limiter les pertes de charge. La tuyauterie ramenant le fluide
détendu vers l'évaporateur sera soigneusement isolée car
l'échauffement du fluide dans le conduit,... c'est autant de
puissance frigorifique perdue pour l'évaporateur. Et même si elle
reste suffisante, c'est une perte qui diminue le rendement de la
machine : son coefficient de performance.
Voici les connexions d'un multisplit : 3 évaporateurs sont reliés à un condenseur commun.
Le retour d'huile
L'huile est naturellement entraînée par le fluide
frigorigène liquide vers l'évaporateur. Par contre, il est nécessaire
d'organiser volontairement le retour de l'huile vers le compresseur
lorsque le fluide est à l'état vapeur :
- Soit le
compresseur est situé plus bas que l'évaporateur, et la gravité
fera le travail sur base d'une pente descendante de 1 cm par mètre.
- Soit le compresseur est situé plus haut que l'évaporateur, et un siphon devra être prévu; on provoque alors volontairement un bouchon d'huile afin que la vapeur, en forçant le passage, entraîne l'huile avec elle. Comme ce système ne fonctionne que sur quelques mètres, un tel siphon devra être prévu au minimum tous les 5 mètres de dénivellation.
A défaut, c'est la lubrification du compresseur qui risque d'être insuffisante, et sa longévité aussi...
En option : la fonction "chauffage" |
Si une fonction "chauffage" est recherchée,trois systèmes sont possibles.
Solution 1 : incorporer une résistance électrique d'appoint, en fonctionnement direct
Cette solution est coûteuse à l'exploitation, vu le prix du kWh de jour.
Solution 2 : incorporer une batterie d'eau chaude alimentée par le réseau de chauffage du bâtiment
Cette solution est peu utilisée car coûteuse à
l'investissement. Un thermostat d'ambiance commande l'apport de chaleur,
soit via une vanne trois voies modulant la température de l'eau,
soit directement sur le ventilateur.
Solution 3 : sélectionner une machine frigorifique "réversible" capable de fonctionner en pompe à chaleur
Dans une machine frigorifique, le cycle peut être
inversé grâce à l'utilisation d'une vanne à quatre voies à la sortie
du compresseur : l'évaporateur devient condenseur et le condenseur
devient évaporateur. C'est un climatiseur dit "réversible".
On
parle d'un fonctionnement en "pompe à chaleur" puisque c'est la
chaleur de l'air extérieur qui est utilisée pour chauffer l'air du
local.
Le surcoût de l'appareil est faible (de 15 à 25 %)
et le prix de revient du kWh fourni est 2 à 3 fois plus faible que
dans le cas du chauffage direct, ... Hélas, la puissance de l'appoint
de chaleur est le plus faible au moment où on en a le plus besoin,
càd par période de gel... Et à ce moment, le coefficient de performance frigorifique est assez dégradé.
En option : la fonction "ventilation" |
Certains appareils disposent d'une prise d'air neuf permettant d'adjoindre une fonction ventilation au matériel.
A
ne pas confondre avec le brassage d'air en recyclage total proposé
par tous les appareils : dans ce cas, le ventilateur fonctionne seul
et l'air du local passe simplement par le filtre sommaire qui retient
les plus grosses particules en suspension. Il est, par exemple,
impossible d'améliorer la qualité de l'air d'un local "fumeur" avec
ce principe. Seule, une réelle dilution par de l'air neuf apportera
l'amélioration recherchée.
Domaine d'utilisation |
Ce type d'appareil permet un rafraîchissement des locaux à peu de frais.
La gamme de puissance frigorifique va de 1,5 à 15 kW.
Mais le confort n'est pas très élevé
- d'une part, le taux d'humidité du local n'est pas maîtrisé,
- d'autre part, le flux d'air froid risque d'être inconfortable pour les occupants.
Ce
dernier point s'explique comme suit : en conditionnement d'air, on
cherche à assurer un écart de soufflage limité (écart entre la
température de l'air soufflé et la température du local). On peut
aller jusqu'à 10°C d'écart (soit une pulsion d'air à 14°C si le local
est à 24°C) mais on utilise alors des bouches à haut taux
d'induction pour être sûr que le mélange avec l'air ambiant soit
maximal. Dans un climatiseur par contre, le fabricant cherche à
fournir une puissance maximale dans un encombrement minimal.
L'évaporateur est donc de petite surface, ... et travaille à très
basse température ! L'air du local est fortement refroidi à son
contact. Une "coulée" d'air froid risque alors de gêner fortement les
occupants...
Ceci dit, c'est une solution facile lorsque quelques
locaux sont à traiter, particulièrement en rénovation. Et le confort
limité peut être accepté si le climatiseur est utilisé sporadiquement
pour vaincre des périodes de surchauffe.
Le niveau de puissance acoustique est relativement acceptable, à vitesse moyenne et sur base d'une sélection attentive.
La régulation |
La régulation de la température ambiante
La température ambiante du local conditionné est
régulée au moyen d'un thermostat d'ambiance agissant sur le
fonctionnement du compresseur. Le ventilateur de soufflage fonctionne en
même temps que le compresseur, ou fonctionne en continu. Ce deuxième
mode de fonctionnement est plus favorable au confort car il entretient
un brassage continu de l'air et prévient toute stagnation inconfortable
d'air chaud ou froid.
Au
simple contrôle de la température ambiante doivent s’ajouter
des fonctions de programmation de l’occupation, avec arrêt et reprise
(éventuellement anticipées) de manière intelligente.
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La régulation du compresseur
Un climatiseur, dimensionné pour vaincre les apports
thermiques maximum (solaires, par exemple), fonctionne très souvent à
charge partielle. Le contrôle traditionnel par mode MARCHE/ARRET du
climatiseur entraîne des fluctuations inconfortables de la température
du local et des mauvaises conditions de rendement du compresseur.
Les
climatiseurs équipés de compresseurs à vitesse variable peuvent
adapter leur puissance frigorifique à la charge thermique du local. Ce
mode de régulation est appelé "INVERTER".
Il permet une variation de vitesse du compresseur sans pertes
importantes de rendement. Le démarrage du compresseur se fait alors à
basse vitesse, ce qui réduit la pointe de courant au démarrage.
Lorsqu'une
unité extérieure alimente plusieurs unités intérieures (système multi
split), l'ambiance de chaque local doit pouvoir être régulée séparément
(y compris la coupure en cas d'inoccupation). Dans ce cas, une
régulation en vitesse variable du compresseur permettra d'adapter la
puissance de production de froid en fonction des besoins totaux réels.
Suite à ce nouveau mode de régulation, la technique
traditionnelle du compresseur alternatif (piston et vilebrequin),
d'une fiabilité légendaire, est progressivement remplacée par :
> le compresseur rotatif :
- rendement similaire,
- niveau sonore moindre,
- fonctionnement à vitesse variable.
> le compresseur scroll :
- rendement plus élevé,
- niveau sonore encore plus faible,
- fonctionnement à vitesse variable.
La régulation du condenseur
Certains locaux à charges internes importantes (par
exemple, les salles informatiques) doivent être climatisés en été, mais
aussi en mi-saison ou encore en hiver. Dans ce cas, lorsque la
température de l'air extérieur diminue, la capacité de refroidissement
du condenseur augmente.
Paradoxalement, cette situation perturbe le
fonctionnement correct de l'évaporateur et entraîne une perte de
puissance de ce dernier. Le confort dans le local n'est alors plus
assuré. A l'extrême, le pressostat basse pression de sécurité de
l'appareil peut commander l'arrêt de l'installation.
Ainsi, un climatiseur devant fonctionner pour des
températures extérieures inférieures à 17°C doit être équipé d'un
ventilateur de condenseur à vitesse variable. La diminution de vitesse
du ventilateur est alors commandée par un pressostat ou un thermostat
placé sur le condenseur. La puissance d'échange de celui-ci est ainsi
maintenue constante quelle que soit la saison.
Au minimum, le fonctionnement du ventilateur sera
commandé en tout ou rien. Idéalement la vitesse sera modulée, soit en
continu, soit par paliers.