Système tout air, à débit constant, mono-gaine

Principe de fonctionnement

Le système de conditionnement d'air "tout air, à débit constant, mono-gaine" est un système où l'air est préparé (chauffé, refroidi, humidifié,...) en centrale dans un caisson de traitement d'air, puis envoyé par un réseau de gaines vers le/les locaux.

En voici un exemple, appliqué à une zone :

Il constitue une branche de la grande famille du conditionnement d'air "tout air" :

- débit constant
        - monogaine
                    - unizone
                             - basse pression
                             - haute pression (avec boîte de détente)
                    - multizone
                             - basse pression
                             - haute pression (avec boîte de détente)        - double gaine multizone (avec boîte de mélange)
                             - basse pression
                             - haute pression (avec boîte de détente)

- débit variable
        - avec chauffage par radiateurs indépendants
        - avec chauffage par batterie à eau chaude

Comme on le voit, il existe de nombreuses variantes !

Expliquons chacun des termes :

>  "tout air" :

L'air est le fluide caloporteur de chaleur, de froid, ou d'humidité.
Par exemple :

• si en hiver le local présente des déperditions, l'air pourra être pulsé à 28°C,
• mais si en été, le local subit des apports solaires, l'air pourra être pulsé à 16°C,
• et si, dans la salle de cinéma, le film très suggestif provoque beaucoup de dégagement de vapeur de la part des spectateurs, l'air sera pulsé très sec !

>  "débit constant"

Le débit est fixé par le ventilateur (qui ne dispose que d'une seule vitesse de rotation).

La régulation est réalisée par action sur la température et le taux d'humidité de l'air pulsé.

>  "mono-gaine"

Un seul réseau de gaines est créé, et donc un seul niveau de température est disponible pour la(les) pièce(s) climatisée(s).

>  "uni-zone ou multi-zones"

Uni-zone : il n'existe qu'une seule zone à traiter (une salle de conférences, par exemple),

Multi-zones : on crée plusieurs zones dans le bâtiment, chaque zone pouvant recevoir un air traité spécifiquement en fonction de ses besoins.

Remarque : une zone peut comprendre plusieurs locaux.

>  "basse ou haute pression "

On parle de basse pression du ventilateur 

• si pression < 800 Pa, ou 80 mmCE
• si vitesse d'air dans les gaines comprises entre 2 et 7 m/s

On parle de réseau haute pression si la vitesse dans les conduits atteint de 12 à 16 m/s

Une unité de toiture (ou "roof top") aurait pu être classée dans les installations "tout air, à débit constant, mono-gaine". Elle présente la spécificité d'être équipée d'un refroidissement à détente directe.

Détails technologiques de la centrale de traitement

Le chauffage de l'air est assuré 

• soit par batterie électrique,
• soit par batterie d’eau chaude préparée en chaufferie.

Le refroidissement de l'air est assuré 

• soit par l’évaporateur d’un groupe frigorifique (système à détente directe),
• soit par de l’eau glacée préparée par un groupe de production frigorifique.

L'humidification est réalisée :

• soit par un humidificateur laveur d’air
• soit par un humidificateur à vapeur (dans ce cas, la batterie de postchauffe n’est pas nécessaire).

Un réseau de pulsion distribue l'air traité et un réseau d'extraction en assure la reprise. En général, le débit de pulsion est légèrement supérieur au débit d'extraction afin de maintenir les locaux en surpression.

Constitution du caisson de traitement d'air.

Les parois sont à double enveloppe en tôle d'acier galvanisé ou peint. Un isolant acoustique et thermique de 25 mm d'épaisseur minimale est fixé entre les deux tôles.

Variantes technologiques

Réseau sous haute pression

Pour réduire l'encombrement, l'air est préparé en centrale dans le caisson de traitement d'air, puis conduit à haute vitesse vers le/les locaux.  On parle alors de système "tout air, à débit constant, mono gaine, uni-zone, haute pression" !

La pression du ventilateur est généralement > 1 000 PA (ou 100 mmCE) et la vitesse dans les gaines > 10 m/s.

A débit égal, doubler la vitesse de l'air dans les gaines (par rapport au système basse pression) permet de diminuer par deux la section nécessaire. Mais les frottements de l'air sur les parois des gainages sont proportionnels au carré de la vitesse. Et donc le ventilateur doit vaincre des pertes de charges beaucoup plus élevées, pouvant à la limite atteindre 2 000 PA.

Après passage dans une boîte de détente, l'air est diffusé par les bouches de soufflage.

Les boîtes de détente sont généralement des boîtes insonorisées, comportant un organe déprimogène (tôle perforée par exemple). Un régulateur maintient le débit à valeur constante.

A ces pressions, des précautions sérieuses sont à prendre en matière acoustique, notamment au niveau des appareils terminaux (amortisseur de bruit).

Réchauffage batteries terminales

Que faire si le bâtiment présente des zones différentes ? Par exemple des bureaux placés sur des façades différentes... Une première solution consiste à placer les batteries terminales en tête des différentes zones pour adapter la fourniture aux besoins.

Généralement, on rencontre soit des batteries alimentées eau chaude, soit des batteries électriques. Ceci ne répond qu'aux besoins variables de l'hiver... A noter qu'il est possible de placer une batterie de froid complémentaire à l'entrée de l'une ou l'autre zone, mais l'avantage d'une centralisation du traitement disparaît progressivement ...

Chauffage par radiateurs

Le chauffage peut être assuré indépendamment, par un réseau de radiateurs en allège des fenêtres par exemple. Mais la régulation de la température des ambiances n'est pas toujours simple car il peut y avoir conflit entre les deux systèmes.

Recyclage partiel

En vue de diminuer les coûts d'exploitation, l'air extrait peut être recyclé partiellement.

Des registres motorisés modulent les débits d'air recyclé et d'air rejeté. Le débit d'air neuf peut donc varier mais sans jamais descendre sous le débit minimal d'air neuf hygiénique en période d'occupation.

Récupération de la chaleur sur l'air extrait

Pour récupérer l'énergie contenue dans l'air extrait tout en évitant généralement tout risque de contamination, l'air sortant croise l'air neuf entrant dans un échangeur de chaleur.

Humidification par humidificateur à vapeur

Dans ce cas, la batterie de post-chauffe peut être supprimée.

Toute combinaison des variantes précédentes

A titre d'exemple, on rencontre ainsi des installations "tout air, à débit constant, mono gaine, multi-zones, haute pression"

Domaine d'application

Le système "tout air" a de l'intérêt lorsqu'un débit d'air élevé et constant est souhaité : on pense par exemple aux salles de spectacles où de toute façon on doit apporter de l'air aux personnes ...

Le système "tout air - unizone" a de l'intérêt lorsque 

• Un seul local est à climatiser, généralement de grand volume : salle de spectacles, salle d'opération, salle de réunion, ...
  
  
• Il existe plusieurs locaux dont le fonctionnement thermique est similaire et pour lesquels un respect strict des consignes de température n'est pas imposé : plusieurs bureaux similaires sur une même façade, ...

• Il y a présence de locaux à chauffage très intermittent comme des salles de réunion, de spectacles,... : dans ce cas, la variante avec système de chauffage complémentaire par radiateurs permet d’assurer un chauffage de base entre 10 et 15°C en période de non-occupation, et une mise en confort très rapide dès l’arrivée des personnes (ou par horloge). Ce système est économique et supprime la surchauffe des locaux en période de forte occupation grâce aux possibilités de ventilation et de rafraîchissement, et à la faible charge des parois.

Le système "tout air - unizone" a de l'intérêt dans le cas où les charges thermiques varient mais que les locaux peuvent être regroupés en zones de fonctionnement thermique similaire (et pour lesquels une modulation limitée des consignes de température est requise) : le placement de batteries terminales permettra alors de répondre plus précisément aux besoins.

Pourrait-on l'appliquer à un complexe de plusieurs salles de cinéma ? Probablement pas puisqu'il faudra chauffer la salle où deux nostalgiques regardent un film de Ingmar Bergmann, et refroidir la salle voisine où 350 personnes regardent avec passion "Titanic : le retour" où le bateau resurgit du fond des mers (tiens, cela me donne une idée...)

Avantages

• Simplicité globale,
• facilité de dimensionnement,
• régulation simple, fiable et centralisée,
• fonctionnement stable, donc coût de maintenance réduit,
• pas d’alimentation en eau chaude ou froide dans les locaux, sauf si la variante avec batteries de réchauffage en eau chaude est choisie,
• faible niveau sonore, sauf avec les installations haute pression,
• possibilité d’utilisation d’air extérieur pour le refroidissement gratuit (free cooling),
• contrôle de l’humidité relative en centrale et de l’empoussièrement.

Inconvénients

• Le débit d'air est constant. Or il est dimensionné pour la situation extrême, généralement celle de l'été, en période de canicule avec un soleil de plomb ! Conclusions : de tels débits entraînent une consommation élevée des ventilateurs et, dans certains cas, de l'inconfort toute l'année !

• La consommation élevée du ventilateur devient très élevée dans le cas des installations à Haute Pression.

• L'encombrement de la centrale et du réseau de gaines (gros débits, section importante des conduites d'air neuf, d'air pulsé et d'air extrait),

Exemple. Une salle de spectacles est maintenue à 20°C. De l'air chaud est pulsé à 30°C. Les déperditions du local sont de 20 kWatts. Quelle sera la section de la conduite nécessaire ? La capacité calorifique de l'air étant de 0,34 Wh/m³.K, le débit est donné par : débit = puissance / 0,34 x DT° (en m³/h) Ici, débit = 20 000 / 0,34 x 10 = 5 882 m³/h = 1,63 m³/s Sur base d'une vitesse de 8 m/s, la section devient 1,63 / 8 = 0,2 m², soit une section de 40 cm x 50 cm, ou une conduite circulaire de 0,5 m de diamètre ! La même puissance est transportée par de l'eau dans une tuyauterie de 1,75 cm de diamètre ! (vitesse : 1 m/s)

C'est pour limiter cet encombrement que l'on a recours à une conception de réseau de gaines sous haute pression. L'encombrement est plus limité mais reste toujours plus élevé que pour le système mixte eau + air, par exemple.

• Intégration obligatoire dès la conception du bâtiment.

• Si uni-zone, température et humidité de soufflage uniques, d'où, si plusieurs locaux :
  
  
  • Un manque de précision dans le respect des consignes.
    
    
  • Une surconsommation suite à l'absence de régulation par pièce.

• Si multi-zone :
  
  
  • Risque de "casser" de l’énergie : le caisson de préparation primaire refroidit l’air en fonction des besoins de la zone la plus demandeuse et les batteries de post-chauffe des autres zones devront réchauffer l’air par la suite... Une régulation centrale doit piloter le tout "intelligemment", sans quoi les coûts d'exploitation sont catastrophiques !
    (A noter qu'un tel système est d'ailleurs interdit en France, sauf si le fluide chauffant est de récupération, par exemple sur le condenseur de la machine frigorifique).
    
    
  • Il n'est pas possible de moduler le débit d'air neuf en fonction de la présence ou non d'occupants dans chacune des zones.
    
    
  • Si l’air doit pouvoir être refroidi et réchauffé distinctement dans chaque zone, une batterie de chauffe et un groupe de refroidissement peuvent être ajoutés pour chaque zone, mais le coût d'installation devient prohibitif.
    
    
  • Un compromis peut consister à installer une batterie froide terminale uniquement pour la zone la plus demandeuse de froid.
    
    
  • Les batteries électriques sont peu coûteuses à l'investissement mais très onéreuses à l'usage, à l'opposé des batteries d'eau chaude qui sont coûteuses à l'investissement (deux tubes).

• Si la vitesse de déplacement de l'air est augmentée pour diminuer les sections, le niveau de bruit sera nettement plus élevé et demandera un traitement acoustique sérieux.

• Equipements de plus grande solidité pour résister aux pressions, si variante en haute pression.

Coûts

Installation : de 125 à 190 €/m² (HTVA) pour une installation complète.

Maintenance : contrat annuel de maintenance, suivant la surface, de 1,75 à 5 €/m².

Niveau sonore

Un niveau de 40 dB(A) environ est possible dans les locaux climatisés, mais ceci dépend fortement du traitement acoustique réalisé, surtout dans le cas des installations "haute pression".

Si nécessaire, le caisson est posé sur un socle antivibratoire. Des manchettes souples sont prévues entre le caisson et les gaines afin de minimiser la transmission des vibrations du ventilateur vers les locaux.

La climatisation à débit de réfrigérant variable

Principe de fonctionnement

Remarque : nous avons repris la terminologie française DRV (Débit de Réfrigérant Variable) mais ce type d'appareil est encore appelé "VRV" (Variable Refrigerant Volume) ou "VRF" (Variable Réfrigérant Flow) selon les constructeurs.

Fonctionnement en froid seul

On connaissait le principe de la "détente directe" (l'évaporateur de la machine frigorifique refroidit directement l'air dans le caisson de traitement d'air). Cette fois, on réalise la détente directe dans chaque local puisque le fluide réfrigérant est transporté jusqu'à l'échangeur du local qui sert d'évaporateur ! Ce n'est ni l'air ni l'eau qui circule dans les conduits, mais bien du fluide réfrigérant.

A partir d'une unité extérieure, on peut alimenter jusqu'à 32 unités intérieures. Les groupes extérieurs disponibles sur le marché aujourd'hui ont des puissances froid allant de 15 à 90 kW en version monobloc pour le raccordement d'un circuit frigorifique indépendant. Ceux-ci peuvent être multipliés, pour autant que la place disponible pour les groupes extérieurs soit présente. Mais ce sont des installations qui fonctionneront alors en parallèle (pas d'échange entre circuits raccordés à des unités extérieures différentes).

Fonctionnement réversible (froid ou chaud)

Si certains systèmes sont limités au mode "froid", d'autres sont réversibles : le même échangeur intérieur peut alors servir de condenseur, lorsque le local est en demande de chaleur ! Une telle souplesse est issue d'une régulation électronique sophistiquée, notamment basée sur l'emploi de détendeurs électroniques et d'un bus de communication entre tous les équipements. Mais c'est l'ensemble des échangeurs qui fournissent du froid ou qui fournissent de la chaleur. La permutation du rôle des échangeurs est réalisée dans l'unité extérieure par une vanne d'inversion de cycle à 4 voies.

A récupération d'énergie (froid et chaud simultanément)

Encore mieux : certains systèmes assurent simultanément le chaud et le froid dans les locaux. Par exemple, un local de réunion peut être demandeur de froid (la cassette intégrée dans le faux-plafond travaille en évaporateur) tandis que le bureau voisin est demandeur de chaleur (la console en allège travaillera en condenseur). Le système va assurer simultanément les deux demandes, avec une consommation énergétique minimale puisque la chaleur extraite d'un côté est valorisée de l'autre côté, avec un COP défiant toute concurrence !

A titre d'exemple, voici le bilan énergétique annoncé par un constructeur lorsque le bâtiment demande une charge calorifique identique à la charge frigorifique :

• La puissance frigorifique appelée est réalisée avec un COP frigorifique de 4.
  
  
• On en déduit que 4 kWh de chaleur extraits d'un local vont entraîner un appel de 1 kWh au compresseur.
  
  
• Si cette chaleur est restituée dans un local voisin en demande, c'est 5 kWh qui lui seront délivrés.
  
  
• Dans la mesure ou la consommation énergétique totale des locaux est de 9 kWh, pour 1 kWh dépensé, on peut parler là d'un COP équivalent de 9... !

Attention, il s'agit là d'une valeur théorique, idéale et instantanée, et non d'une moyenne sur l'année... Et elle suppose que les demandes se complètent : le besoin de chaleur correspond exactement au besoin de froid.

En pratique, dans une situation moyenne et en tenant compte des consommations des auxiliaires, le constructeur annonce un COP de 2,7 pour un fonctionnement en froid seul et un COP de 4,2 lorsqu'il y a récupération de la chaleur extraite d'un local pour la fournir à un autre local voisin.

Quelques contraintes (à titre d'exemple, car variable d'un constructeur à l'autre) :

Une distance maximale de 120 m entre l'unité extérieure et l'unité intérieure la plus éloignée (en ce compris les coudes, sur base de 1 coude = 2 m équivalents, par exemple). Une dénivellation verticale entre unité extérieure et intérieure limitée à 50 m. Une dénivellation entre 2 unités intérieures limitée à 15 m (soit 5 étages).

Les bureaux de Franki Geotechnics.

Détails technologiques

Fluide réfrigérant

Ces systèmes sont aujourd'hui disponibles avec le nouveau gaz réfrigérant R407C. Les différents composants ont alors été dimensionnés pour l'utilisation de ce nouveau gaz.

Le coeur du système reste une machine frigorifique et les critères applicables à ce type d'installation restent d'actualité. Par exemple, le carter doit être chauffé durant 48 heures avant le démarrage pour la mise en condition de l'huile.

Unité extérieure

L'unité extérieure est généralement placée en toiture (pas de local technique spécifique). Ceci permet au condenseur d'être facilement refroidi par l'air extérieur.

Les unités extérieures sont modulaires et peuvent être alignées côte à côte en fonction de la puissance nécessaire.

A défaut de place disponible, un local technique sera utilisé et un conduit d'air apportera et évacuera l'air de refroidissement, moyennant une consommation supplémentaire pour vaincre les pertes de charge.

Réseau de distribution

Les tuyauteries en cuivre utilisées sont de très faible diamètre. Cela permet un gain de place par rapport aux systèmes traditionnels et de faibles pertes dues au transport de la chaleur.

La distribution peut être de type bitube parallèle ou bitube pieuvre.

	Pour les installations réversibles, un réseau "deux tubes" sera créé. En fonctionnement "froid", un tube transportera le fluide frigorigène liquide et ramènera le fluide à l'état vapeur. En fonctionnement "chaud", le premier tube véhiculera les "gaz chauds" issus du compresseur et ramènera le fluide refroidi et condensé.
	Pour les installations avec récupération d'énergie, un réseau "trois tubes" transportera les "gaz chauds" (ou vapeur haute pression), le fluide liquide et la vapeur basse pression. Ils seront sélectionnés en fonction de la demande par un module de répartition à l'entrée de chaque local ou de chaque zone de locaux régulés en commun.

Remarque : Certains fabriquants réalisent un système avec récupération d'énergie avec seulement "deux tubes".

Dans ce cas là, le chaud et froid simultané sera réalisé en créant un flux diphasique dans un seul tube (une phase gaz pour le chauffage et une phase liquide pour le rafraichissement). Ce flux diphasique à haute pression sera séparé dans la boîte de répartition. Cette boîte de répartition contient aussi un jeu de vannes pour amener gaz et liquide vers les unités en chaud et en froid.

Unités intérieures

L'unité intérieure est parcourue par le fluide frigorigène. Un ventilateur hélicoïdal force l'air du local au travers de l'échangeur. Elle peut fonctionner soit en rafraîchissement, soit en chauffage, soit en brassage d'air, soit en déshumidification. Un détendeur électronique règle en permanence le débit de réfrigérant en fonction de la charge intérieure.

Unité intérieure et son module de régulation avant la pose de l'habillage.

Régulation

Un tel produit n'a pu être conçu que moyennant l'intégration d'une régulation numérique sophistiquée. Il n'est pas étonnant que les Japonais soient dès lors les premiers à mettre ce type de climatiseur sur le marché. Chaque équipement dispose de son "adresse" spécifique sur le bus de communication et une régulation "intelligente" est possible.

Au niveau de l'utilisateur, une action par télécommande est possible. Au niveau du personnel de maintenance, de nombreuses fonction d'auto-diagnostic sont intégrées pour aider à détecter l'origine d'une panne éventuelle.

Boîtier de répartition (avec l'arrivée des 3 tubes).

Régulation intégrée dans la face avant du boîtier.

Régulation

"Froid seul" : les unités intérieures assurent le refroidissement uniquement

La régulation de la température ambiante est assurée 

• par la régulation de vitesse du ventilateur de l'évaporateur,
• par un détendeur électronique qui module le débit de fluide en contrôlant la différence de température entrée-sortie du fluide dans l'évaporateur (similaire au réglage de la surchauffe).

Dans l'unité extérieure se trouve un compresseur hermétique à vitesse variable (compresseur scrollou compresseur rotatif), avec une régulation" INVERTER", càd à vitesse variable par réglage de la fréquence d'alimentation.

En pratique, une sonde est placée sur la pression d'aspiration du compresseur. Cette pression est maintenue constante par action sur la vitesse du compresseur. Automatiquement, la température d'évaporation est maintenue constante. Ainsi, si la charge thermique du bâtiment augmente, la vitesse du compresseur augmente et le débit de fluide réfrigérant est augmenté !

Si la puissance frigorifique est importante, une cascade de deux (ou trois) compresseurs est réalisée. Mais un seul travaille à vitesse variable. Le deuxième est régulé en "tout ou rien". Au démarrage, seul le compresseur INVERTER travaille. Dès que la charge dépasse la limite de puissance de ce compresseur, le 2ème compresseur est enclenché pour reprendre la charge et le compresseur INVERTER recommence à moduler à partir de 0 %.

"Froid ou chaud" : les unités intérieures sont réversibles

Dans ce cas, c'est tout le réseau qui travaille soit en froid, soit en chaud. Cette réversibilité est réalisée via une vanne d'inversion de cycle, dans l'unité extérieure. En passant d'un mode à l'autre, on inverse le sens de circulation du fluide dans les conduites. L'échangeur dans le local passe d'évaporateur à condenseur, et vice versa.

Bien sûr, une fois le mode général décidé, chaque local garde sa propre régulation interne : un détendeur électronique compare l'air de reprise par rapport à la consigne et adapte le débit de fluide frigorigène en conséquence.

En mode froid, la température d'entrée de l'évaporateur est égale à la température d'évaporation du fluide; la température de sortie est cette même température augmentée de la surchauffe. Celle-ci est classiquement réglée sur 6...7°. La vanne du détendeur sera donc réglée pour maintenir ces 7 degrés : si la charge thermique augmente, le débit de fluide augmentera dans l'évaporateur en fonction de la charge.

Simultanément, la mesure de la température à l'évaporateur permet de détecter la présence éventuelle de givre sur la batterie (si la batterie est givrée, l'échange avec l'ambiance se fait moins bien); dans ce cas, le détendeur se ferme, le débit de fluide s'annule et l'air de l'ambiance (qui continue à être brassé par le ventilateur) permet le dégivrage.

En mode chaud, le fluide circule en sens inverse. Cette fois, la différence de température mesurée par le régulateur du détendeur électronique va correspondre au sous-refroidissement du condenseur.

Un régulateur électronique gère globalement l'ensemble de la demande et adapte la réponse via un bus de communication qui relie les différents équipements.

"Froid et chaud" : les unités intérieures travaillent à la demande, avec récupération d'énergie

Ici, le système permet une production simultanée de froid dans un local et de chaud dans le local voisin. Avec transfert de la chaleur d'un local vers l'autre !

L'idée de base est que 3 conduites sont extraites de l'unité extérieure 

• une conduite liquide,
• une conduite vapeur basse pression,
• une conduite vapeur haute pression, càd des "gaz chauds".

Ces 3 conduites alimentent des modules de répartition (rectangles en pointillé sur le graphe). Ceux-ci sont informés de la température ambiante et de la température de consigne souhaitée, et vont sélectionner le type de fonctionnement adéquat. De ces modules partent alors deux tubes pour alimenter les échangeurs du local (dont le mode de fonctionnement -froid ou chaud- sera identique).

Des clapets anti-retour (non représentés) complètent l'installation afin d'empêcher certains sens de passage.

Fonctionnement en "froid seul".

Fonctionnement en "froid majoritaire" .

Fonctionnement en "équilibré".

Fonctionnement en "chaud majoritaire".

Fonctionnement en "chaud seul".

Remarque : Cette régulation est certainement complexe et pose la question de la maintenance, mais elle dispose d'un avantage : le fait que tous les composants sont compatibles entre eux. Cela facilite la prise de responsabilité lors de problèmes quelconques.

Récupération d'énergie sur boucle d'eau

Un constructeur propose un système avec récupération d'énergie sur boucle d'eau : les condenseurs à air des unités "extérieures" sont remplacés par des condenseurs à eau (à l'intérieur des équipements dénommés PAC sur le schéma parce que ce sont des machines frigorifiques réversibles en pompe à chaleur). Ces unités peuvent alors être installées dans le bâtiment.

L'utilisation d'un tel système permet une double récupération de chaleur :

• récupérer la chaleur entre les unités intérieures d'un même groupe frigorifique, comme une installation "froid et chaud" ci-dessus,
  
• récupérer la chaleur une deuxième fois entre les groupes de condensation connectés sur la même boucle d'eau.

Le principe est similaire à celui d'un réseau de pompes à chaleur sur boucle d'eau. La partie frigorifique de ce système reste identique. Les différences se situent au niveau des groupes de condensation, placés à l'intérieur du bâtiment. Ces groupes sont raccordés sur la même boucle d'eau. La chaleur excédentaire peut être évacuée vers une tour de refroidissement ou stockée dans une bache tampon.

Lors du fonctionnement en pompe à chaleur, une source de chaleur naturelle "gratuite" ou "énergie fossile" doit être utilisée pour assurer une température minimale de 10°C.

Bilan énergétique

Nous reprenons ci-dessous les chiffres avancés par un constructeur. Il suppose une installation comprenant 4 unités intérieures identiques et une unité extérieure.

Demande intérieure		Consommation compresseur	Rapport des puissances	"COP" équivalent
froid	chaud
10 kW	-	2,58	100 %	3,9
7,5 kW	2,5 kW	1,24	48 %	8,1
5 kW	5 kW	1,18	46 %	8,4
2,5 kW	7,5 kW	1,70	66 %	5,8
-	10 kW	1,96	76 %	5,1

Par exemple, lorsqu'il y a égalité des charges calorifiques et frigorifiques, la puissance appelée par le compresseur est de 46 % de la puissance nominale en refroidissement. Celle-ci étant réalisée avec un COP frigorifique de 3,9, on déduit que 5 kW extraits d'un local et donnés à un autre vont entraîner un appel de 1,18 kW au compresseur. Dans la mesure ou la consommation énergétique totale des locaux est de 10 kW, on peut parler là d'un COP équivalent de 8,4 ... !

Attention : il s'agit là d'une valeur tout à fait théorique, idéale et instantanée, et non d'une moyenne sur l'année. Comme signalé plus haut, en pratique, dans une situation moyenne et en tenant compte des consommations des auxiliaires, le constructeur annonce un COP de 2,7 pour un fonctionnement en froid seul et un COP de 4,2 lorsqu'il y a récupération de la chaleur extraite d'un local pour la fournir à un autre local voisin.

Comme toujours avec le fonctionnement "pompe à chaleur", le rendement en mode "chauffage" se dégrade lorsque la température extérieure décroît.

Il semble que la performance du compresseur en été (mode froid) soit proche de celui d'un climatiseur (çàd un COP de 3) et non de celui d'une machine frigorifique à eau glacée (compresseur à vis dont les COP dépassent 5, par exemple).

Autrement dit, ce n'est pas un appareil de chauffage très performant, ce n'est pas une machine frigorifique très performante, mais sa performance peut se mettre en valeur lorsqu'il peut récupérer la chaleur interne (salle de réunion, salle informatique au coeur du bâtiment ou enterrée, par exemple) pour la redistribuer aux locaux en façades.

A noter qu'il s'agit ici de données d'un constructeur et que nous n'avons pu les vérifier sur site, à l'heure actuelle. Il ne nous a été présenté aucun rapport d'organisme indépendant attestant du rendement moyen annuel de l'installation. Pourquoi ? ...

Les armoires de climatisation

Principe

Une armoire de climatisation constitue en quelque sorte un "caisson de traitement d'air vertical".

Elle s'installe généralement directement dans la pièce à climatiser. Typiquement, c'est la solution adoptée pour climatiser une salle informatique.

En pratique, cette armoire métallique verticale peut regrouper tous les éléments nécessaires au traitement 

• un filtre,
• une batterie froide,
• une batterie chaude (électrique ou à eau),
• un humidificateur,
• un ventilateur centrifuge.

On parle de climatiseur "autonome" parce que la batterie froide est généralement parcourue directement par le fluide frigorifique : la machine frigorifique est intégrée dans l'armoire et la batterie froide en constitue l'évaporateur. On parle alors de fonctionnement en "détente directe".

On notera que la présence du compresseur dans le local impose une isolation acoustique sérieuse des paroi de l'armoire !

Mais il existe aussi des armoires de climatisation dont la batterie froide est raccordée à la boucle d'eau glacée du bâtiment.

Dans la plupart des cas, l'air repris est aspiré en partie inférieure et pulsé en partie supérieure de l'armoire, éventuellement via un réseau de gainage restreint.

Mais on peut imaginer une solution inverse où l'air est repris en partie supérieure puis distribué en partie inférieure via un faux plancher : c'est une belle solution dans les locaux informatiques où le passage de nombreux cables impose de toute façon l'installation d'un faux plancher sur vérins. La distribution d'air froid autour des ordinateurs est alors idéale. On peut par exemple prévoir des dalles pleines de 60 x 60 pour porter le matériel et des dalles perforées pour servir de bouches de distribution. Une modification d'emplacement des ordinateurs ? Les dalles 60 x 60 sont interverties, sans problèmes puisque tout le faux plancher est mis sous pression et fait office de plénum de distribution !.

Aspects technologiques

Le chauffage de l'air

Suivant l'importance des gains gratuits dans le local, on peut envisager 

• soit de ne pas installer d'élément chauffant,
• soit de placer une résistance électrique d'appoint, (investissement faible mais coût d'exploitation élevé),
• soit d'insérer une batterie de chauffe alimentée par le réseau de chauffage du bâtiment,
• soit enfin de sélectionner une machine frigorifique réversible, fonctionnant en pompe à chaleur en hiver.

L'humidification de l'air

Si l'humidité de l'air de l'ambiance doit être contrôlée, un humidificateur peut être incorporé à l'armoire de climatisation, généralement via un humidificateur à vapeur.

Cet humidificateur est parfois inséré au départ des gaines, si celles-ci sont existantes dans le prolongement de l'armoire.

Mais les armoires de climatisation se distinguent essentiellement au niveau du condenseur :

Le condenseur à air intégré à l'armoire

La paroi au dos de l'armoire est percée afin que le rejet de chaleur puisse se faire directement vers l'extérieur (attention au pont acoustique ainsi créé !). Il est également possible d'amener et d'évacuer l'air de refroidissement par gaine.

Le condenseur à air séparé

Le fluide frigorifique est directement refroidi dans le condenseur placé à l'extérieur (sur une terrasse, sur le sol,...). L'éloignement est limité afin de ne pas amplifier les pertes de charge sur le circuit du fluide frigorifique. La surélévation du condenseur doit être limitée pour pouvoir gérer le retour de l'huile vers le compresseur.

Le condenseur à eau recyclée

Cette fois, le condenseur est refroidi par de l'eau glycolée, eau qui est elle-même refroidie à l'extérieur.

L'installation est très souple : plus de contraintes liées à la distance entre armoire et refroidisseur, ou à la différence de niveaux. Il est même possible de raccorder plusieurs armoires sur la même boucle de refroidissement.

Mieux, il est facile à présent de récupérer cette chaleur pour préchauffer de l'air de ventilation, de l'eau chaude sanitaire,...

Pour refroidir l'eau de refroidissement, on rencontre trois types d'échangeur avec l'air extérieur :

>  L'aéro-refroidisseur : l'eau est refroidie dans un échangeur à air; un ou plusieurs ventilateurs forcent le passage de l'air extérieur pour accélérer le refroidissement. Un mode de régulation très simple consiste à actionner le(s) ventilateur(s) en fonction de la température de la boucle d'eau. Seul inconvénient : la performance frigorifique de l'armoire de climatisation ne sera pas excellente. En effet, la température de la boucle d'eau va monter avec la température extérieure. En plein été, le condenseur sera mal refroidi, la pression en sortie de compresseur sera plus élevée, le rendement de la machine frigorifique va se dégrader... Et ceci est renforcé par la présence du double échangeur (fluide/eau glycolée - eau glycolée/air). L'usage de l'aérorefroidisseur sera dès lors limité à des moyennes puissances.

>  La tour de refroidissement ouverte : cette fois, l'eau de refroidissement du condenseur est pulvérisée à contre-courant du débit d'air extérieur pulsé par un ventilateur. L'échange est particulièrement efficace et, surtout, il entraîne l'évaporation d'une partie de l'eau pulvérisée. Or, cette vaporisation entraîne un fort refroidissement de l'eau. A tel point que l'eau peut descendre sous la température de l'air extérieur. Un tel refroidissement permet de limiter la pression du condenseur et donc de diminuer le travail du compresseur. Si c'est la meilleure solution énergétique, elle pose par contre assez bien de problèmes au service de maintenance (corrosion, encrassement, gel,...). C'est la conséquence d'un circuit ouvert aux conditions atmosphériques... Pour plus de détails, on consultera le choix de la tour de refroidissement ouverte.

>  La tour de refroidissement fermée : un compromis à la belge ! Les avantages de l'évaporation de l'eau ... sans les inconvénients du circuit ouvert (corrosion). En pratique, le circuit de l'eau de refroidissement reste fermé, l'eau glycolée n'est plus en contact avec l'air extérieur, mais l'échangeur est aspergé par de l'eau qui, elle, "tourne" de façon totalement indépendante du circuit de refroidissement. Bien sûr, la température de l'eau de refroidissement est plus élevée que dans la tour ouverte.

Le condenseur à eau perdue

Par "eau perdue", on entend :

• Soit de l'eau de ville qui serait évacuée vers l'égout après usage : solution à proscrire vu le coût du m³ d'eau... !
  
  
• Soit de l'eau issue d'une source naturelle (rivière, lac, puits,...) : cette solution est économique à l'exploitation, mais les coûts d'investissement sont très variables d'une situation à l'autre... L'efficacité énergétique de l'installation frigorifique est excellente puisque la température de condensation sera 8...10°C plus chaude que la température de l'eau puisée. Reste à vérifier que le captage (et/ou le réchauffage de l'eau) est autorisé par la réglementation locale ou régionale... (les choses évoluent beaucoup dans ce domaine, il est donc prudent de s'informer directement auprès des personnes concernées).

Régulation

La régulation en température du local peut se faire via un simple régulateur thermostatique. Imaginons le démarrage au matin en mi-saison, la résistance électrique est enclenchée. Puis la présence du personnel, des équipements permet à la température de rester en "zone neutre" sans intervention du climatiseur. En début d'après-midi, des apports solaires importants entraînent une surchauffe et l'enclenchement du groupe frigorifique.

La présence d'une cascade sur l'enclenchement des résistances chauffantes, la régulation progressive via par un variateur de puissance (résistance électrique) ou par une vanne (batterie à eau chaude) entraînera un meilleur confort, une stratification de températures plus faible et donc une consommation moindre. De même une régulation à vitesse variable sur le motocompresseur sera bénéfique.

Un principe de régulation similaire est possible pour contrôler le niveau d'humidité.

La déshumidification est ici réalisée via la condensation de la vapeur d'eau ambiante sur l'évaporateur de l'armoire. Le compresseur est alors mis en route pour déshumidifier.

Domaine d'application

On retrouve les armoires de climatisation dans le traitement des salles informatiques, surtout lorsqu'elles constituent la seule demande du bâtiment. Lorsque le bâtiment comporte plusieurs armoires de ce type, il devient intéressant de les raccorder sur une boucle d'eau glacée, équipée d'un système centralisé d'évacuation de la chaleur.

La même armoire peut climatiser plusieurs locaux (avec distribution de l'air traité par conduit) mais ces locaux doivent avoir des besoins semblables.

En terme de puissance frigorifique, on peut dépasser parfois la centaine de kW. En terme de débit d'air, on atteint alors les 20 000 m³/h.

Un des défauts majeurs est le bruit généré par cet équipement, à proximité des occupants...