E2144 Introduction à l’HVAC 2024-2025 PDF

UNITE D’ENSEIGNEMENT : E214 – ENERGETIQUE APPLIQUEE ACTIVITE D’APPRENTISSAGE : E2144 – INTRODUCTION A l’HVAC « TRAITEMENT DE L’AIR & VENTILATION » DEPARTEMENT TECHNIQUE...

UNITE D’ENSEIGNEMENT : E214 – ENERGETIQUE APPLIQUEE ACTIVITE D’APPRENTISSAGE : E2144 – INTRODUCTION A l’HVAC « TRAITEMENT DE L’AIR & VENTILATION » DEPARTEMENT TECHNIQUE SECTION ELECTROMECANIQUE (EM) Année académique 2024 – 2025 Rédacteurs : Geoffrey VAN HOEKE (ingénieur industriel) E2144 – Introduction à l’HVAC © G. Van Hoeke 2024 Traitement de l’air & Ventilation Page 1 sur 229  TABLE DES MATIERES PREAMBULE _______________________________________________________ 6 INVITATION A LA LECTURE ___________________________________________ 7 0) INTRODUCTION __________________________________________________ 9 0.1) HVAC ? ________________________________________________________________ 9 0.2) UN PEU D’HISTOIRE _____________________________________________________ 10 0.2.1) De la préhistoire à la révolution industrielle ______________________________________________ 10 0.2.2) De la révolution industrielle à « l’époque de l’insouciance » _________________________________ 11 0.2.3) De « l’époque de l’insouciance à la prise de conscience écologique ___________________________ 12 0.2.4) Le contexte actuel ___________________________________________________________________ 13 1) CARACTERISTIQUES DE L’AIR ______________________________________ 16 1.1) CONSTITUTION DE L’AIR ATMOSPHERIQUE __________________________________ 16 1.2) CARATERISTIQUES PHYSIQUES DE L’AIR HUMIDE _____________________________ 19 1.2.1) L’humidité absolue __________________________________________________________________ 19 1.2.2) L’humidité relative___________________________________________________________________ 20 1.2.3) L’enthalpie _________________________________________________________________________ 21 1.2.4) Les températures sèche, de rosée et humide _____________________________________________ 25 1.3) TABLES THERMODYNAMIQUES RELATIVES A L’AIR ATMOSPHERIQUE ____________ 27 1.3.1) Variables thermodynamiques de l’air à basse pression ______________________________________ 27 1.3.2) Variables thermodynamiques de la vapeur d’eau saturée ___________________________________ 29 1.E) EXERCICES ____________________________________________________________ 31 2) LE DIAGRAMME PSYCHROMETRIQUE _______________________________ 34 2.1) CONSTRUCTION DU DIAGRAMME _________________________________________ 34 2.2) LECTURE ______________________________________________________________ 37 2.E) EXERCICES ____________________________________________________________ 39 3) IMPACT DE L’ETAT DE L’AIR SUR LE CONFORT _________________________ 42 3.1) LE CONFORT … ? _______________________________________________________ 42 3.2) LE CONFORT THERMIQUE ________________________________________________ 43 3.3) LA QUALITE DE L’AIR ____________________________________________________ 45 3.3.1) éléments polluants dans l’air __________________________________________________________ 45 3.3.2) Le renouvellement d’air ______________________________________________________________ 46 3.3.3) Renouvellement d’air en milieu résidentiel (NBN D50-001) __________________________________ 47 3.3.4) Renouvellement d’air en milieu non-résidentiel (NBN EN 13 779) _____________________________ 48 3.4) LE CONFORT ACOUSTIQUE _______________________________________________ 50 3.4.1) Son & bruit _________________________________________________________________________ 50 3.4.2) Analyse en octave et en tiers d’octave ___________________________________________________ 51 3.4.3) Niveau et puissance sonores ___________________________________________________________ 52 3.4.4) Addition de niveaux sonores ___________________________________________________________ 53 3.4.5) Courbes isophoniques et pondération A _________________________________________________ 54 3.4.5) Courbes NR ________________________________________________________________________ 55 E2144 – Introduction à l’HVAC © G. Van Hoeke 2024 Traitement de l’air & Ventilation Page 2 sur 229  3.E) EXERCICES ____________________________________________________________ 57 4) IMPACT DE L’ETAT DE L’AIR SUR LES PROCESS ________________________ 60 4.1) ETUDE DE CAS N°1 : FUITE DE GAZ DANS UN LABORATOIRE ____________________ 61 4.2) ETUDE DE CAS N°2 : DE LA CULTURE DE CHAMPIGNONS DANS UN CONTAINER _____ 61 4.2) ETUDE DE CAS N°3 : UNE CASCADE PRESSION EN ZONE RADIOACTIVE ____________ 62 5) TRAITEMENT DE L’AIR ____________________________________________ 66 5.1) ECHANGES DE CHALEUR _________________________________________________ 66 5.1.1) Les batteries hydrauliques ____________________________________________________________ 66 5.1.2) Les batteries électriques ______________________________________________________________ 69 5.1.3) Les récupérateurs de chaleur __________________________________________________________ 71 5.1.3.1) Récupérateur à plaques ____________________________________________________________________ 72 5.1.3.2) Récupérateur hydraulique __________________________________________________________________ 72 5.1.3.3) Récupérateur à régénération ________________________________________________________________ 73 5.1.3.4) Récupérateur caloduc ______________________________________________________________________ 73 5.2) HUMIDIFICATION ______________________________________________________ 75 5.2.1) Les humidificateurs adiabatiques _______________________________________________________ 75 5.2.2) Les humidificateurs à injection de vapeur ________________________________________________ 77 5.3) DESHUMIDIFICATION ___________________________________________________ 79 5.3.1) Les déshumidificateurs par adsorption __________________________________________________ 79 5.3.2) Les déshumidificateurs par refroidissement et réchauffe ____________________________________ 81 5.4) MELANGE _____________________________________________________________ 82 5.E) EXERCICES ____________________________________________________________ 84 6) LES CENTRALES DE TRAITEMENT D’AIR ______________________________ 91 6.1) DEFINITION D’UNE CENTRALE DE TRAITEMENT D’AIR _________________________ 91 6.2) LES MODULES DE TRAITEMENT DE L’AIR ____________________________________ 94 6.3) LA FILTRATION _________________________________________________________ 96 6.4) LES VENTILATEURS _____________________________________________________ 98 6.5) L’INSTRUMENTATION ___________________________________________________ 99 6.5.1) Les registres et leur servomoteur _______________________________________________________ 99 6.5.2) Mesure de pression _________________________________________________________________ 100 6.5.3) Les thermostats antigel ______________________________________________________________ 101 6.5.4) Les sondes de température ___________________________________________________________ 102 6.5.5) Les sondes d’hygrométrie ____________________________________________________________ 103 6.5.5.1) L’hygromètre résistif (à cellule hygroscopique) _________________________________________________ 103 6.5.5.2) L’hygromètre capacitif ____________________________________________________________________ 103 6.5.6) Les modules de régulation ___________________________________________________________ 104 6.6) DIMENSIONNEMENT HIVER D’UNE CENTRALE DE TRAITEMENT D’AIR ___________ 113 6.2.1) Exemple de dimensionnement hiver de CTA en solution mixte sans recyclage __________________ 115 6.6.2) Exemple de dimensionnement hiver de CTA en tout-air sans recyclage _______________________ 117 6.6.3) Exemple de dimensionnement hiver de CTA en tout-air avec recyclage _______________________ 120 6.7) DIMENSIONNEMENT ETE D’UNE CENTRALE DE TRAITEMENT D’AIR _____________ 123 6.7.1) Exemple de dimensionement été de CTA en Solution mixte sans recyclage ____________________ 125 6.7.2) Exemple de dimensionement été de CTA en tout-air avec recyclage __________________________ 128 E2144 – Introduction à l’HVAC © G. Van Hoeke 2024 Traitement de l’air & Ventilation Page 3 sur 229  6.E) EXERCICES ___________________________________________________________ 131 7) LE TRANSPORT DE L’AIR (CIRCUIT AERAULIQUE) ______________________ 142 7.1) COMPOSANTS D’UN CIRCUIT AERAULIQUE _________________________________ 142 7.1.1) Les ventilateurs ____________________________________________________________________ 143 7.1.1.1) Types de ventilateurs utilisés en HVAC _______________________________________________________ 144 7.1.1.2) Grandeurs physiques utiles des ventilateurs ___________________________________________________ 146 7.1.1.3) Caractéristiques de ventilateurs _____________________________________________________________ 149 7.1.1.4) Entraînement des ventilateurs ______________________________________________________________ 151 7.1.1.5) Moteurs électriques ______________________________________________________________________ 152 7.1.2) Les gaines _________________________________________________________________________ 153 7.1.2.1) Rôles __________________________________________________________________________________ 153 7.1.2.2) Formes des sections ______________________________________________________________________ 153 7.1.2.3) Choix des sections ________________________________________________________________________ 154 7.1.2.4) Matériaux ______________________________________________________________________________ 156 7.1.2.5) Calorifuge ______________________________________________________________________________ 157 7.1.3) Les clapets ________________________________________________________________________ 159 7.1.3.1) Rôle général ____________________________________________________________________________ 159 7.1.3.2) Types de clapets et actionnement ___________________________________________________________ 160 7.1.4) Les filtres _________________________________________________________________________ 161 7.1.5) Les silencieux ______________________________________________________________________ 161 7.1.6) Les unités terminales________________________________________________________________ 163 7.1.6.1) Types d’unités terminales__________________________________________________________________ 163 7.1.6.2) Choix des unités terminales ________________________________________________________________ 164 7.1.6.1) Positionnement des unités terminales________________________________________________________ 165 7.2) CONCEPTION D’UN CIRCUIT AERAULIQUE __________________________________ 166 7.2.1) Motorisation des flux d’air ___________________________________________________________ 166 7.2.2) Le tracé du réseau __________________________________________________________________ 167 7.2.3) Le dimensionnement du réseau _______________________________________________________ 168 7.2.5) Précautions acoustiques _____________________________________________________________ 172 7.2.6) Précautions incendie ________________________________________________________________ 173 7.3) CONTROLE D’UN CIRCUIT AERAULIQUE ____________________________________ 174 7.3.1) Un circuit aéraulique sans régulation ___________________________________________________ 174 7.3.2) Le C.A.V. (« Constant Air Volume ») ____________________________________________________ 175 7.3.3) Le V.A.V. (« Variable Air Volume »). ____________________________________________________ 177 7.3.4) Le C.O.P. (« Constant Operating Pressure ») _____________________________________________ 179 7.E) EXERCICES ___________________________________________________________ 183 FIN DE CE SYLLABUS_______________________________________________ 187 F.1) QUIZZ D’ENTRAÎNEMENT GENERAL _______________________________________ 187 F.1.1) Chapitre 1 : Caractéristiques de l’air ____________________________________________________ 187 F.1.2) Chapitre 2 : Le diagramme psychrométrique _____________________________________________ 191 F.1.3) Chapitre 3 : Impact de l’état de l’air sur le confort ________________________________________ 194 F.1.4) Chapitre 4 : Impact de l’état de l’air sur les process _______________________________________ 198 F.1.5) Chapitre 5 : Traitement de l’air ________________________________________________________ 202 F.1.6) Chapitre 6 : Les centrales de traitement d’air ____________________________________________ 205 F.1.7) Chapitre 7 : Le transport de l’air (circuit aéraulique) _______________________________________ 213 F.1.8) Correctif du quizz d’entraînement général _______________________________________________ 218 F.2) BILAN DU CONTENU PRESENTE___________________________________________ 219 F.3) POUR ALLER PLUS LOIN ? _______________________________________________ 219 A) AIDES A LA NAVIGATION______________________________________ 220 E2144 – Introduction à l’HVAC © G. Van Hoeke 2024 Traitement de l’air & Ventilation Page 4 sur 229  A.1) INDEX _______________________________________________________________ 220 A.2) LEXIQUE _____________________________________________________________ 225 A.3) SYMBOLES & ABREVIATIONS ____________________________________________ 227 SOURCES________________________________________________________ 229 E2144 – Introduction à l’HVAC © G. Van Hoeke 2024 Traitement de l’air & Ventilation Page 5 sur 229  PREAMBULE Salutations, cher lecteur ! Alors que tu t’apprêtes à dévorer cet ouvrage avec fougue, ardeur, et appétit, il me semble qu’il est de mon devoir, en tant que rédacteur de celui-ci, de poser le contexte dans lequel celui-ci a été rédigé afin qu’il prenne sens et vive au-delà d’un simple cadre « Cours → Etude → Evalua on → Syllabus au feu (et les profs au milieu !) ». Ce syllabus sert de support physique à l’activité d’apprentissage E2144 – « Introduction à l’HVAC », elle-même proposée au sein de l’Unité d’Enseignement E214 – « Energétique appliquée ». A ce titre, il intervient comme illustré ci-dessous dans le parcours d’énergétique proposé par la Haute Ecole EPHEC aux étudiants inscrits en bachelier Electromécanique – orientation Electromécanique et maintenance. BLOC 1 BLOC 2 BLOC 3 E116 – ENERGETIQUE GENERALE E214 – ENERGETIQUE APPLIQUEE E304 : GENIE ENERGETIQUE 40h de bases fondamentales et E2141: Machines thermiques E3041: Bureaud’étudesHVAC démonstrations en salons E2142: Circuitshydrauliques E3042: Laboratoired’HVAC E2143: Laboratoired’énergétiqueappliquée E3043: Production et transportd’énergie E2144: Introductionà l’HVAC En tant qu’ingénieur automaticien de formation et indépendant actif dans l’étude, la conception, le contrôle, le dépannage et l’optimisation des techniques spéciales du Bâtiment, j’ai pris beaucoup de plaisir à compiler mes modestes connaissances, expériences et lectures sur le sujet dans ces pages, non sans une petite pointe d’humour par endroits. Ce syllabus est donc non seulement le résultat d’expériences personnelles et d’échanges passionnés avec des collègues et confrères passionnants, mais il revêt également les imperfections de son rédacteur : trop pointu par endroits, trop évasif ailleurs, avec quelques imprécisions ou éventuelles coquilles. Aussi suis-je demandeur de vos retours, n’hésitez pas à me contacter pour me faire part de votre ressenti après la lecture de ces pages (trop de ceci, trop peu de cela, passages difficiles à appréhender, vraisemblables erreurs, etc..). Quoi qu’il en soit, cher lecteur, il me semble primordial que tu te rendes compte que ce cours et ces notes ne constituent que les balbutiements de réflexions qu’il est possible de pousser encore bien plus loin dans ton futur professionnel. Si ta curiosité a été attisée en ces pages, avec l’envie d’en savoir plus, j’aurai gagné mon pari. Dans le cas contraire, tout le mal que je te souhaite, c’est qu’une autre occasion, plus fructueuse, d’être mordu par l’intrigue se présente à toi et que tu y succombes … Je conclurai ce préambule par une citation du poète grec Aristophane, laquelle fera, espérons-le, écho à la philosophie selon laquelle ce syllabus a été rédigé : « Enseigner, ce n’est pas remplir un vase, c’est allumer un feu » (purée, c’est beau) Je te souhaite une agréable lecture, Geoffrey Van Hoeke E2144 – Introduction à l’HVAC © G. Van Hoeke 2024 Traitement de l’air & Ventilation Page 6 sur 229  INVITATION A LA LECTURE Dans quel ordre aborder le(s) sujet(s) ciblés par ce syllabus ? Bien qu’il ne s’agisse pas là de la seule approche possible, voici la structure qui vous est proposée ici afin de révéler dans un ordre logique (espérons-le !) les concepts clés envisagés. Pour bien commencer, rien de tel qu’une petite introduction exposant simplement ce que désigne le terme « HVAC » ainsi que les techniques, les métiers et le contexte géopolitique qui y sont liés (la base). Le présent document vous proposera ensuite un chapitre dédié aux caractéristiques physiques de l’air afin de cibler les grandeurs en jeu et de pouvoir les quantifier efficacement. En suite logique et classique du chapitre précédent, le diagramme psychrométrique sera présenté comme un outil permettant de retrouver plus rapidement et facilement les grandeurs physiques de l’air. Nous nous poserons alors la question de l’impact de ces grandeurs physiques sur le confort des personnes dans les bâtiments résidentiels ou non-résidentiels et en profiterons pour élargir cette vaste et nébuleuse notion de « confort » aux paramètres influençables par le traitement et le transport de l’air. Un chapitre complémentaire au précédent proposera une analyse de l’impact de ces grandeurs physiques sur des procédés techniques particuliers, principalement à travers quelques petites études de cas particulières, en gardant à l’esprit que chaque situation présente des besoins spécifiques. Nous pourrons alors aborder les différents traitements élémentaires de l’air dans un chapitre qui y sera entièrement dédié, forts d’une mise en contexte pertinente du « pourquoi » et du « comment » l’air sera traité à travers ces modules, à ce stade envisagés de manière isolée. Les centrales de traitement d’air pourront enfin être abordées comme la « simple » (suffiyaka) combinaison réfléchie de plusieurs modules de traitement d’air élémentaires auxquels s’annexeront une multitude d’appareils dont les plus courants seront présentés. Enfin, un dernier chapitre vous proposera une présentation des principales réflexions qui se présentent lors de la conception d’un circuit aéraulique voué à transporter l’air (traité ou préalable ou non) à travers un bâtiment vers des zones à ventiler. E2144 – Introduction à l’HVAC © G. Van Hoeke 2024 Traitement de l’air & Ventilation Page 7 sur 229  INTRODUCTION Parlons peu, parlons bien ! C’est quoi l’HVAC ? Comment en sommes-nous arrivés aux techniques mises en œuvre actuellement dans ce secteur ? Quels sont les enjeux professionnels, économiques, écologiques et normatifs liés à ce secteur ? Une mise en contexte s’impose, prenez un bon café et installez-vous … CHAPITRE 0 © G. Van Hoeke 2024 Introduction Page 8 sur 229  0) INTRODUCTION 0.1) HVAC ? « HVAC » reprend les initiales du charismatique sigle anglophone « Heating, Ventilation and Air Conditionning » ! On parle également de génie climatique (modeste !), de conditionnement d’air ou de CVC (« Chauffage, Ventilation et Climatisation »). Cette discipline regroupe les techniques mises en œuvre pour atteindre et maintenir les caractéristiques physiques de l’air sous certaines conditions exigées par un utilisateur final. Dans l’Industrie et le Bâtiment, les exemples d’applications HVAC se comptent à la pelle (cf Figure 1) : installations de chauffage résidentielles, climatisation de voiture, déshumidification de piscines, ventilation de bâtiments administratifs, conservation de denrées alimentaires au frais, évacuation des fumées de parking, conditionnement de salles blanches, etc… Figure 1 : Quelques exemples d'applications FigureHVAC (climatisation 0 : Quelques automobile, exemples meubles d’applications HVACfrigorifiques, désenfumage de parkings, gestion en température et humidité des piscines, chaudières industrielles, salles blanches, refroidissement de serveurs informatiques, panneaux solaires, ventilateurs centrifuges, … Avec la sécurité incendie, le sanitaire, l’électricité et la télécommunication, l’HVAC fait partie de ce que l’on appelle les « techniques spéciales du bâtiment ». CHAPITRE 0 © G. Van Hoeke 2024 Introduction Page 9 sur 229  0.2) UN PEU D’HISTOIRE Bien que les techniques mises en œuvre aient considérablement évolué, le besoin de conditionnement d’air n’est pas neuf. Autorisons-nous un rapide voyage dans le temps afin de mieux saisir les enjeux de l’HVAC et les étapes qui nous ont amenés au contexte actuel ! 0.2.1) DE LA PREHISTOIRE A LA REVOLUTION INDUSTRIELLE La domestication du feu par nos ancêtres préhistoriques (450 000 ans avant notre ère) fut incontestablement l’élément déclencheur d’une longue liste de prouesses techniques réalisées depuis le début de notre Histoire. A l’époque, cette technique de chauffage rudimentaire fut synonyme de survie lors d’hivers rigoureux (barbac’ et grosses soirées en perspective !). Plus tard, au IVème siècle AC, les Grecs chauffent leurs thermes à l’aide d’un « hypocauste » : un foyer abritant un feu qui chauffait l’air circulant sous le sol. Ce système fut ensuite perfectionné par les Romains et intégré dans l’architecture des demeures des plus riches sous forme de cheminée. Pour se rafraîchir en été, les plus fortunés mangeaient de la neige ramenée des montagnes par leurs esclaves (bon, pour l’éthique, on repassera …). Au Moyen–Âge, les foyers se trouvent dans la majorité des habitations et les techniques s’améliorent : l’utilisation de matériaux réfractaires permet d’accumuler de la chaleur sous forme de poêles en céramique ou de poêles de masse alsaciens (des « Kachelofes », en plus d’être chaud, c’est rigolo). Il s’agit des premières formes de chauffage à inertie. Pendant ce temps, de magnifiques structures architecturales permettent à certains bâtiments du Nord de l’Afrique « d’attraper » le vent (des Badguirs), première forme voulue de ventilation. Au XVIIème siècle, les techniques de conception et de perfectionnement du chauffage par poêles sont rassemblées dans des ouvrages complets entièrement dédiés à ce sujet en France (Louis Savot) et en Allemagne (Franz Kessler). Parallèlement, l’usage de microscopes perfectionnés permet d’affirmer que les températures inférieures à 10°C empêchent le développement des microbes sur les denrées alimentaires : l’idée de conservation par le froid apparaît plus efficace que le séchage/fumage/salage utilisé jusque-là. Foyers Maîtrise du feu domestiques Badguirs (~450 000AC) (Moyen Âge) (Moyen Âge) Hypocaustes Kachelofes (~400AC) (Moyen Âge) Figure 2 : "HVAC" de la préhistoire à la révolution industrielle CHAPITRE 0 © G. Van Hoeke 2024 Introduction Page 10 sur 229  0.2.2) DE LA REVOLUTION INDUSTRIELLE A « L’EPOQUE DE L’INSOUCIANCE » Au XVIIIème siècle, la révolution industrielle se prépare, initiant le passage d’une société jusqu’alors principalement agraire et artisanale vers une société commerciale et industrielle. La carbonisation du bois, de la tourbe et de la houille procure de nouveaux types de combustibles (charbons) dont la combustion est exploitée dans les premières machines à vapeur. Le XIXème siècle voit naître la première raffinerie en Roumanie et le premier puit de pétrole en Allemagne : l’industrie pétrolière est en marche. Le fioul gagne alors en popularité dans les installations de chauffage. Par ailleurs, l’utilisation de la fonte pour la conception des corps de chauffe est de plus en plus répandue. Parallèlement, Ferdinand Carré révolutionna la conservation des denrées alimentaires par le froid en proposant sa machine frigorifique à absorption lors de l’exposition universelle de 1862, c’est le début du « froid artificiel ». Le XXème siècle profite pleinement de l’élan technique donné par le siècle précédent : en 1902, l’ingénieur new-yorkais Willis Carrier invente la machine frigorifique à compression pour contrôler le taux d’humidité de l’imprimerie où il travaille. Cette invention sera vite convoitée pour le confort humain. En ce qui concerne le chauffage, les installations se démocratisent et occupent de plus en plus d’habitations : les chaudières à vapeur sont progressivement remplacées par des chaudières à eau chaude et le poste de « source de chaleur préférée » est rudement disputé par le fioul, le gaz et l’électricité en fonction du contexte en vigueur (choc pétrolier de 1973, faible coût des combustibles lors des années 80). Cette expansion du contrôle en température des bâtiments a mis en exergue l’intérêt économique d’en minimiser les pertes calorifiques : étanchéité et isolation sont les mots d’ordre en termes de construction. Très vite, le confinement des espaces de vie et des grands bureaux en développement fait apparaître des problèmes de qualité d’air : un système de ventilation efficace semble indissociable de toute installation de confort digne de ce nom, l’HVAC telle qu’on la conçoit aujourd’hui prend forme … (Séchez vos larmes, nous n’apprendrons donc pas ici à dimensionner ou dépanner un hypocauste, un badguir ou une kachelofe … Tout se perd, comme disait l’autre ! Qui ça ? Pas Lavoisier en tout cas … Bref, cette parenthèse devient trop longue, en même temps je suis le seul à parler ici, je fais ce que je veux !). Développement Le froid par intense de l'HVAC Intensification de absorption par dans tous types l'extraction de charbon Ferdinand Carré de bâtiments (~ XIIIème siècle) (~XIXème siècle) (XXème siècle) Développement Le froid par cycle de l'extraction de à compression pétrole par Willis Carrier (~XIXème siècle) (XXème siècle) Figure 3 : "HVAC" de la révolution industrielle à l'époque de l'insouciance CHAPITRE 0 © G. Van Hoeke 2024 Introduction Page 11 sur 229  0.2.3) DE « L’EPOQUE DE L’INSOUCIANCE A LA PRISE DE CONSCIENCE ECOLOGIQUE Les progrès mis en place depuis la révolution industrielle ont propulsé l’humanité dans un tout nouveau train de vie guidé par le principe de l’offre et de la demande. Ce virage historique ne fut pas sans conséquences sur l’environnement (et le terrible courroux de Greta …). D’une part, en plus de polluer nos villes, les fumées de combustion ont la particularité de piéger les rayonnements infrarouges réémis par la Terre vers l’espace, occasionnant ainsi un réchauffement progressif de la température moyenne du globe (effet de serre). C’est alors tout l’équilibre climatologique de notre planète qui est en jeu : fonte des glaces aux pôles, chamboulements de courants marins et des vents, fonte du permafrost qui renferme une importante quantité de méthane (lui-même gaz à effet de serre), … D’autre part, certains fluides frigorigènes exploités vers la fin du 20ème siècle avaient la particularité de dissocier l’ozone (O3) en dioxygène (O2). Leur relâchement à l’air libre aurait ainsi contribué à ronger la couche d’ozone, notre principal bouclier contre le rayonnement solaire, pour y laisser apparaître un énorme trou au niveau du pôle Sud. Figure 4 : Gaz à effet de serre (GES) et trou dans la couche d'ozone (extrait de www.santetoutcomment.com) En 1992, face à ces constats alarmants, plusieurs pays du monde entier décident de se réunir et signent à New-York le premier plan d’action environnemental à échelle mondiale : le CCNUCC (« Convention Cadre des Nations Unies sur les Changements Climatiques »). Dans un premier temps, celle-ci n’impose aucune restriction contraignante. Ce n’est qu’en 1997 qu’une partie de ses membres accepte de signer le protocole de Kyoto, lequel laisse à chaque membre le soin d’établir ses propres directives afin de réduire l’émission des GES. CHAPITRE 0 © G. Van Hoeke 2024 Introduction Page 12 sur 229  0.2.4) LE CONTEXTE ACTUEL Dans ce contexte, les bâtiments sont mauvais élèves puisqu’ils représentent 43% de la consommation énergétique totale en France, dont 63% sous forme d’HVAC. Figure 5 : Aperçu des consommations énergétiques en France en 2018 Et chez nous, en Belgique (une fois !) ? Les chiffres de 2019 montrent des proportions tout à fait semblables, le secteur des bâtiments participant à 36.3% (résidentiel et tertiaire) du bilan énergétique en Wallonie et à 73% (résidentiel et tertiaire) du bilan énergétique sur Bruxelles, capitale dont la densité immobilière est autrement plus élevée. PART DU BILAN ENERGETIQUE GLOBAL [%] SECTEUR WALLONIE BRUXELLES TERTIAIRE 10.4 36.8 RESIDENTIEL 25.9 36.4 TRANSPORT 28.9 21.2 INDUSTRIE 33.8 3.4 AGRICULTURE & OFF ROAD 1.0 2.2 Tableau 1 : Part des secteurs dans le bilan énergétique Wallon et Bruxellois de 2019 (extrait des bilans officiels) Ces aperçus locaux, à nuancer pour chaque pays en fonction de son climat et de son développement, permettent de contextualiser l’importance relative accordée aux exigences énergétiques pesant sur les installations HVAC. Pour sa part, l’Europe a établi la directive 2002/91/CE pour améliorer ce qu’on appelle alors les « Performances Energétiques du Bâtiment » (PEB). Celle-ci s’applique à l’enveloppe du bâtiment ainsi qu’aux techniques (électricité, HVAC) en considérant de façon distincte les bâtiments résidentiels, tertiaires et industriels. Elle se scinde en 4 actions :  Calcul standardisé de la performance énergétique des bâtiments  Normes imposées pour les bâtiments neufs et rénovations  Système de certification imposé pour tous les bâtiments  Contrôle régulier imposé pour tous les bâtiments NB : Le secteur « tertiaire » désigne le secteur d’activités regroupant les services au sens large (administration, transports, commerces, … CHAPITRE 0 © G. Van Hoeke 2024 Introduction Page 13 sur 229  Cette directive fut remplacée en 2010 (avec effet en 2012) par les directives 2010/30/UE (labellisation des consommations énergétiques) et 2010/31/UE (Performances Energétiques du Bâtiment). C’est dans ce contexte que se retrouvent encore aujourd’hui parmi les sujets d’actualité le plan climat (objectif 3 fois 20 à atteindre pour 2020), la directive ecodesign (arrêt de la production de machines à trop faible rendement à partir de 2015), la COP21 (maintenir le réchauffement planétaire moyen sous 2°C au cours de ce siècle) et toute une série de mesures dont la considération complète dépasse le cadre de ce cours. Au niveau national, les directives européennes sont transposées en normes locales par des bureaux de normalisation nationaux (AFNOR en France et NBN en Belgique par exemple). Nous voilà donc arrivés, en 4 pages, de la préhistoire à 2022, dans un monde criblé d’exigences législatives et où la numérisation, omniprésente, touche un grand nombre de domaines techniques y compris l’HVAC sous forme de boucles de régulation optimisées et d’automatismes (domotique). Sommes-nous arrivés au bout du progrès ? Rien n’est moins sûr … (Musique théâtrale, rideau qui tombe et cri de stupeur dans le foule …). Figure 6 : Think about it... CHAPITRE 0 © G. Van Hoeke 2024 Introduction Page 14 sur 229  CARACTERISTIQUES PHYSIQUES DE L’AIR Vous avez compris le contexte dans lequel les métiers de l’HVAC s’articulent ? Avant de parler techniques, appareils et installations, il convient de poser quelques bases de physique ! Puisque la grande majorité des opérations seront menées sur l’air, autant s’accorder sur sa constitution, les grandeurs physiques qui y sont directement liées et les outils qui nous permettent d’en apprécier l’état de manière pratique. CHAPITRE 1 © G. Van Hoeke 2024 Caractéristiques physiques de l’air Page 15 sur 229  1) CARACTERISTIQUES DE L’AIR 1.1) CONSTITUTION DE L’AIR ATMOSPHERIQUE Commençons par un petit peu de nomenclature fine et subtile (c’est tout moi, ça !), on appelle « air » le mélange gazeux dans lequel nous vivons et que nous respirons sur Terre. Ce mélange est constitué à 78% d’azote (N2), à 21% d’oxygène (O2) et à 1% d’une multitude d’autres gaz en quantités variables (gaz rares, dioxyde de carbone, vapeur d’eau, etc.). Figure 7 : Constitution de l'air atmosphérique Lorsque l’on considère l’air sans les vapeurs d’eau contenues dans ce petit pourcent, on parle d’air sec, lequel a déjà certaines propriétés bien à lui que nous détaillerons dans ce module. D’un point de vue physique, tout serait relativement simple si l’air était sec … … Mais il ne l’est pas ! Et heureusement d’ailleurs : l’air a tendance à se comporter comme une sorte « d’éponge à eau », capable de laisser une certaine quantité d’eau se vaporiser et rejoindre son mélange gazeux même si les conditions théoriques d’ébullition de l’eau ne sont pas atteintes (une flaque d’eau sur une surface non poreuse dans une pièce à 20°C finit toujours par « sécher » en s’évaporant, alors que la pièce n’était pas à 100°C, température théorique d’ébullition de l’eau à pression atmosphérique). L’air atmosphérique contient donc toujours une certaine quantité de vapeurs d’eau en son sein, ce qui lui vaut l’appellation d’air humide (a priori, vous suivez le délire jusqu’ici …). Cette capacité à contenir ces vapeurs d’eau et à les laisser condenser dans certaines conditions fait partie des nombreux ingrédients qui garantissent l’équilibre fragile de notre survie sur Terre et interviennent également dans les processus de confort ou de procédés techniques que les installations HVAC visent à contrôler (c’est dingue …). CHAPITRE 1 © G. Van Hoeke 2024 Caractéristiques physiques de l’air Page 16 sur 229  Figure 8 : Evolution du ratio "vapeurs / maximum admissible" avec la température pour l'air (une "éponge à eau") L’air humide est donc un mélange d’air sec et de vapeur d’eau. Comme pour tout mélange gazeux, ses proportions peuvent être décrites par les pressions partielles de chacun de ses constituants. La pression atmosphérique totale de ce mélange 𝑃 peut dès lors s’exprimer comme la somme des pressions partielles d’air sec Pas et de vapeur d’eau 𝑃. 𝑃 =𝑃 +𝑃 [Pa] Équation 1 : Expression de la pression atmosphérique totale exercée par l'air humide Cette pression de vapeur d’eau 𝑃 peut monter jusqu’à une valeur de saturation, notée 𝑃 , [Pa], valeur à partir de laquelle l’air ne peut plus absorber d’humidité sans la laisser condenser. Cette pression de saturation est d’autant plus élevée que la température du mélange gazeux est élevée. Ceci explique la formation de brouillard et de rosée dans les régions humides tôt le matin ainsi que le phénomène de condensation sur toute surface froide plongée dans une atmosphère chargée d’humidité (cf Figure 8). Figure 9 : Notion de pression partielle des vapeurs d'eau 𝑃 CHAPITRE 1 © G. Van Hoeke 2024 Caractéristiques physiques de l’air Page 17 sur 229  A titre d’exemple, la pression de saturation dans de l’air à 25°C vaut 3.17kPa. Cela ne représente pas plus de 3% de la pression atmosphérique et pourtant, nous verrons que cela suffit pour jouer un rôle majeur dans nos considérations de génie climatique. En raison de cette considération de l’air sec et des vapeurs d’eau comme 2 constituants distincts du mélange d’air humide et, conformément à la théorie des gaz parfaits (humilité et modestie, quand vous nous tenez …), la masse volumique de l’air humide peut s’exprimer comme suit : (𝑚 +𝑚 ) (𝑝 ) (𝑝 ) (𝑝 ) (𝑝 ) kg 𝜌 = = + = + 𝑉 𝑅 ⋅ 𝑇 𝑅 ⋅ 𝑇 287,1 ⋅ 𝑇 461,5 ⋅ 𝑇 m3 Équation 2 : Expression de la masse volumique de l'air humide EXEMPLE 1-1 : L’IMPACT DE CET HUMIDITE SUR NOTRE CONFORT ? « Il fait lourd ! » ou encore « il fait doef ! » comme on dirait à Bruxelles et « madre de dios, que tremenda humedad » diraient les espagnols ! Nous rentrerons ici dans des détails nous permettant d’objectiver l’impact de l’humidité sur le confort du corps humain, mais il semble déjà très intuitif de comprendre que celle-ci impactera fortement notre sensation de bien- être. Quelques exemples nous permettent de comprendre que cette influence dépendra également fortement de la température : Bali nous évoque un climat tropical à forte humidité. En effet, il y règne en moyenne entre 70% et 80% d’humidité (que nous appellerons « relative » dans ce syllabus) sur l’année. En Belgique … Aussi ! Mais les températures sont toutes autres, si bien que l’on ne ressent pas cette même moiteur (sauf, justement, dans les occasionnelles journées de fortes chaleurs lors desquelles la douce expression du début de cet encart peut-être entendue dans les rues de Bruxelles !). Et en plein Sahara … Vous imagineriez encore une toute autre sensation ! La température et l’humidité jouent ensemble un rôle clé sur l’équilibre thermodynamique du corps humain qui est en grande partie basé sur sa capacité à évacuer sa chaleur, notamment sous forme de transpiration. Or, il est compliqué pour le corps d’évacuation son eau vers une ambiance déjà proche de la saturation … Tirons tout cela au clair … CHAPITRE 1 © G. Van Hoeke 2024 Caractéristiques physiques de l’air Page 18 sur 229  1.2) CARATERISTIQUES PHYSIQUES DE L’AIR HUMIDE La connaissance des caractéristiques physiques de l’air nous permet de juger de sa qualité en termes de confort et de process. De manière classique, deux grandeurs physiques intensives et indépendantes suffisent pour complètement définir l’état de l’air sous une pression donnée à l’aide de tables et de relations thermodynamiques. 1.2.1) L’HUMIDITE ABSOLUE La quantité de vapeur d’eau contenue dans l’air peut s’exprimer, avec une signification bien différente, sous forme d’humidité absolue ou d’humidité relative. L’humidité absolue se définit comme le rapport de la masse de vapeur d’eau 𝑚 [geau] sur la masse d’air sec 𝑚 [kgas]. Nous la noterons ici 𝑥 [kgeau/kgas]. Remarquons par ailleurs que, au vu des faibles quantités de vapeurs d’eau contenues dans l’air humide, nous l’exprimerons souvent en [geau/kgas]. 𝑚 kg eau g eau 𝑥= ou 𝑚 kg as kg as Équation 3 : Expression de l'humidité absolue de l'air Or, l’air sec et la vapeur d’eau pouvant être raisonnablement considérés comme des gaz parfaits sur la plage de température usuelle de -10°C à +50°C, on peut également écrire l’humidité absolue sous forme d’un rapport de pressions partielles. (𝑃 ⋅ 𝑉)/(𝑅 ⋅ 𝑇) (𝑃 )/(287,1) 𝑃 kg eau 𝑥= = = 0,622 ⋅ (𝑃 ⋅ 𝑉)/(𝑅 ⋅ 𝑇) (𝑃 )/(461,5) 𝑃 kg as Équation 4 : Expression de l'humidité absolue de l'air sous forme de pressions partielles Plus rarement, il arrive également que l’on exprime les parties par millions (ppm) de vapeurs d’eau atmosphériques, une unité de rapport similaire au pourcent faisant état de la quantité d’unités d’une substance présente par million d’unités d’un constituant principal. 𝑚 𝑥 𝑇𝑒𝑛𝑒𝑢𝑟 𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑒𝑠 𝑝𝑎𝑟 𝑚𝑖𝑙𝑙𝑖𝑜𝑛 = 10 ⋅ = 10 ⋅ [ppm] 𝑚 +𝑚 1+𝑥 Équation 5 : Parties par million (ppm) de vapeurs d'eau dans l'air atmosphérique Dans 1 kg d’air sec dont l’humidité absolue s’élève à 𝑥 geau/kgas, il y a x grammes d’eau. La masse totale du mélange s’élève alors à 1 + 𝑥 kg d’air humide (air sec + vapeurs d’eau) Figure 10 : Masses d'air sec et de vapeurs d'eau présentes dans l'air humide (extrait du Cengel (1)) CHAPITRE 1 © G. Van Hoeke 2024 Caractéristiques physiques de l’air Page 19 sur 229  1.2.2) L’HUMIDITE RELATIVE L’humidité relative exprime le degré de saturation en eau de l’air. Elle se définit comme le rapport de la masse ou la pression partielle de vapeur d’eau effective sur la masse ou la pression partielle de vapeur d’eau qui amènerait l’air à saturer. Nous l’écrirons 𝜓 [%] ou H.R. [%]. 𝑚 𝑃 𝜓= = [%] 𝑚 , 𝑃 , Équation 6 : Expression de l'humidité relative (H.R.) de l'air En combinant les équations 4 et 6, il est possible de faire ressortir un lien direct entre ces deux formes d’humidité (ocus, pocus !). 𝑥 ⋅ (𝑃 + 𝑃 ) 𝜓= [%] (0,622 + 𝑥) ⋅ 𝑃 , Équation 7 : Lien entre l'humidité relative et l'humidité absolue de l'air Ces relations montrent bien que la capacité de l’air à se charger en vapeurs d’eau dépend de la température, puisque la masse (ou pression partielle) de saturation dépend de la température ! La Figure 11 illustre également ce phénomène à l’aide de 2 températures d’expérience : A -20°C, très peu de ppm de vapeurs d’eau auront pu être chargées dans l’air avant que la saturation ne soit atteinte. A contrario (le latin, ça sonne intelligent …), l’expérience faite à 25°C montre que plus de 15 000 ppm de vapeurs d’eau auront pu être chargées dans l’air avant d’atteindre la saturation ! Figure 11 : ppm de vapeurs d'eau admissibles dans l'air à -20°C ou à +25°C (extrait du Cengel (1)) CHAPITRE 1 © G. Van Hoeke 2024 Caractéristiques physiques de l’air Page 20 sur 229  1.2.3) L’ENTHALPIE L’enthalpie représente l’énergie totale d’un système. La thermodynamique nous enseigne qu’elle peut s’exprimer, sous forme infinitésimale, comme la somme d’une énergie interne du, et d’une énergie de travail 𝑑(𝑃 ⋅ 𝑣) où 𝑃 représente la pression régnant au sein dudit système et 𝑣 son volume massique (et si la thermodynamique le dit …). J kJ 𝑑ℎ = 𝑑𝑢 + 𝑑(𝑃 ⋅ 𝑣) = 𝑑𝑢 + 𝑣 ⋅ 𝑑𝑃 + 𝑃 ⋅ 𝑑𝑣 ou kg kg Équation 8 : expression générale et infinitésimale de l'enthalpie Dans les traitements envisagés en génie climatique, l’énergie liée au travail mécanique peut souvent être négligée en regard de l’énergie calorifique. Rappelons également que l’énergie calorifique s’exprime comme le produit de la chaleur massique du système à pression constante Cp et de la différence de température T mesurée. Souvent négligeables en regard des variations d’énergie internes volontairement visées en génie climatique J kJ ∆ℎ = 𝑑ℎ = (𝑑𝑢 + 𝑣 ⋅ 𝑑𝑃 + 𝑃 ⋅ 𝑑𝑣) = 𝑑𝑢 = 𝑐 ⋅ ∆𝑇 ou kg kg Équation 9 : Expression généralement admise pour la variation d(enthalpie en génie climatique (faibles variations de pression et volume) Cette relation nous apprend que, pour un gaz parfait, l’enthalpie h n’est fonction que de sa température T, comme l’illustre le diagramme (T,s) de l’eau présenté à la Figure 12, laquelle est un aperçu simplifié de la Figure 13, plus complète ( … vous êtes toujours là ?). Figure 12 : Les isenthalpiques et les isothermes se confondent sur un diagramme (T,s) dans la zone des gaz parfaits (extrait du Cengel (1)) CHAPITRE 1 © G. Van Hoeke 2024 Caractéristiques physiques de l’air Page 21 sur 229  Figure 13 : Diagramme (T,s) complet de l'eau (extrait du Cengel (1)) CHAPITRE 1 © G. Van Hoeke 2024 Caractéristiques physiques de l’air Page 22 sur 229  L’air sec, assimilé à un gaz parfait, présente une chaleur massique Cp quasiment constante de 1.005kJ/(kg⋅K) sur la plage de températures usuelle des systèmes HVAC, si bien que l’on peut décrire l’évolution de son enthalpie en fonction de sa température comme suit : kJ ℎ =𝑐 , ⋅ 𝑇 = 1,005 ⋅ 𝑇 kg as Équation 10 : Développement de l'enthalpie de l'air sec (si les variations de pression et de volume demeurent faibles) Figure 14 : Chaleur massique Cp de l'air sec entre -10°C et +50°C, presque constant (extrait du Cengel (1)) En ce qui concerne l’eau, il est nécessaire de se rappeler que sa chaleur massique est fonction de son état (2,093kJ/kg*K pour la glace, 4,1868kJ/kg*K pour l’eau liquide et 1,854kJ/kg*K pour la vapeur d’eau) et que sa température varie proportionnellement à la chaleur apportée tant qu’il n’y a pas de changement de phase, on parle de chaleur sensible. A l’inverse, les changements d’état (333,5kJ/kg de la glace à l’eau liquide et 2501,6kJ/kg de l’eau liquide à la vapeur d’eau) requièrent une quantité d’énergie précise et ne s’accompagne d’aucune variation de température, on parle de chaleur latente. Figure 15 : Quantité de chaleur nécessaire à chaque changement de phase de l'eau CHAPITRE 1 © G. Van Hoeke 2024 Caractéristiques physiques de l’air Page 23 sur 229  Or, le mélange gazeux qu’est l’air humide ne contient de l’eau que sous sa forme gazeuse, qui apporte avec elle une enthalpie hv exprimée comme suit (où T est compté à partir de 100°C) : kJ ℎ = 2501,6 + 1,854 ⋅ 𝑇 kg eau Équation 11 : Développement de l'enthalpie de la vapeur d'eau (si les variations de pression et de volume demeurent faibles) Ainsi, l’enthalpie totale de l’air humide s’exprime comme la somme de has et hv avec comme référence conventionnelle h = 0kJ/kg à T=0°C) : kJ ℎ =ℎ + ℎ = 1,005 ⋅ 𝑇 + 𝑥 ⋅ (2501,6 + 1,854 ⋅ 𝑇) kg as Équation 12 : Développement de l'enthalpie totale de l'air humide (si les variations de pression et de volume demeurent faibles) EXEMPLE 1-2 : LE HAMMAM Avez-vous déjà été dans un hammam ? Dans ces pièces fermées constituées de parois et de banquettes de bois (qui emmagasinent l’humidité avec une efficacité particulière), un point central contient des pierres très chaudes qui, de base, rayonnent déjà une chaleur nettement perceptible. Mais à côté de ces pierres chaudes se trouve également un seau d’eau avec une cuillère : versez de l’eau sur le pierres et l’effet sera immédiat ! L’eau s’évapore et la sensation de chaleur dans l’air du hammam sera décuplée par le gain en énergie interne (et donc en enthalpie) qu’auront apporté ces vapeurs d’eau en rejoignant le mélange gazeux d’air humide ! NB : Attention (warning, achtung, pas op, cuidado !), les vapeurs d’eau qui ont rejoint le mélange d’air humide y occupent une pression partielle inférieure à la pression atmosphérique, elles ne sont donc évidemment pas à 100°C malgré leur phase gazeuse ! T doit donc être compris différemment dans l’expression 11 et dans l’expression 12 ! CHAPITRE 1 © G. Van Hoeke 2024 Caractéristiques physiques de l’air Page 24 sur 229  1.2.4) LES TEMPERATURES SECHE, DE ROSEE ET HUMIDE La température, image de l’agitation moléculaire régnant au sein de la matière, est probablement la caractéristique physique de l’air dont la mesure semble la plus évidente. On parle de « température sèche » pour désigner la température telle qu’on la mesurerait classiquement, avec un thermomètre placé directement dans l’air (fastoche). Le « point de rosée » représente la température à laquelle la vapeur d’eau contenue dans l’air commencerait à condenser sous un refroidissement à pression constante. Elle est fonction de la quantité d’eau déjà présente dans l’air (humidité absolue) et de la proximité de celui-ci avec un état de saturation (humidité relative). Dans le diagramme (𝑇, 𝑠), on peut l’identifier comme la température de saturation correspondant à la pression de vapeur : 𝑇rosée = 𝑇sat, P vapeur [K] ou [°C] Équation 13 : Expression thermodynamique de la température de rosée Figure 16 : Rosée sur une canette froide et représentation sur le diagramme (T,s) (extrait du Cengel (1)) La « température humide » désigne la température à laquelle la vapeur d’eau contenue dans l’air commencerait à condenser sous une évolution de saturation adiabatique. Cette définition à l’apparence saugrenue présente un avantage pratique indéniable en termes de facilité de mesure, puisqu’elle s’obtient simplement en laissant l’air se charger d’eau par évaporation jusqu’à saturation dans un espace isolé. Imaginons un tel système, dans lequel l’air dont il faut déterminer l’état entre non-saturé avec un débit massique 𝑚̇ à 𝑇 , 𝑥 𝑒𝑡 𝜓 et ressort saturé à 𝑇 (< 𝑇 ), 𝑥 et 𝜓 =100%. Figure 17 : Saturateur adiabatique et représentation sur le diagramme (T,s) (extrait du Cengel (1)) CHAPITRE 1 © G. Van Hoeke 2024 Caractéristiques physiques de l’air Page 25 sur 229  Les bilans de masse et de puissance permettent d’écrire : g eau 𝑚̇é = 𝑚̇ ⋅ (𝑥 − 𝑥 ) s 𝑚̇ ⋅ ℎ + 𝑚̇ ⋅ (𝑥 − 𝑥 ) ⋅ ℎ = 𝑚̇ ⋅ℎ [W] Équation 14 : Bilans de masse et de puissance du saturateur adiabatique Reprenons le bilan de puissance et divisons le tout par 𝑚̇ tout en développant les enthalpies de chaque partie, cela fait apparaître le bilan sous la forme suivante : J 𝑐 ⋅𝑇 +𝑥 ⋅ℎ + (𝑥 − 𝑥 ) ⋅ ℎ = 𝑐 ⋅𝑇 +𝑥 ⋅ℎ kg Équation 15 : Développement du bilan de puissance du saturateur adiabatique Ce qui, sur base d’une simple mesure de température en sortie d’un saturateur adiabatique, permet de fournir par calcul une deuxième caractéristique physique pour définir complètement l’état de l’air en 1 : son humidité absolue 𝑥 ! 𝑐 ⋅ (𝑇 − 𝑇 ) + 𝑥 ⋅ (ℎ −ℎ ) kg eau g eau 𝑥 = ou ℎ −ℎ kg as kg as Équation 16 : Humidité absolue définie comme deuxième caractéristique de l'air entrant dans le saturateur adiabatique Bien que le système décrit soit simple, il est quelque peu encombrant. Aussi, l’exécution usuelle de ce dispositif prend plutôt la forme d’un thermomètre dont le bulbe est entouré d’une mèche de coton imbibée d’eau. La combinaison d’un thermomètre à bulbe sec et d’un thermomètre à bulbe humide sur une même plaque de montage s’appelle un psychromètre et permet, de manière très simple, d’obtenir les deux grandeurs physiques de base nécessaires à complètement définir l’état de l’air étudié. Cet outil est actuellement remplacé par des capteurs électroniques dont la capacité (en F) varie avec l’humidité. Figure 18 : Le psychromètre (extrait du Cengel (1)) CHAPITRE 1 © G. Van Hoeke 2024 Caractéristiques physiques de l’air Page 26 sur 229  1.3) TABLES THERMODYNAMIQUES RELATIVES A L’AIR ATMOSPHERIQUE Comme pour d’autres fluides usuels, le comportement thermodynamique de l’air est consigné dans des tables thermodynamiques : celle des variables thermodynamiques de l’air à basse pression et celle de la vapeur d’eau saturée (ça a du être passionnant de remplir ces tableaux …). 1.3.1) VARIABLES THERMODYNAMIQUES DE L’AIR A BASSE PRESSION Tableau 2 : Table des variables thermodynamiques de l'air à basse pression (extrait du Cengel (1)) CHAPITRE 1 © G. Van Hoeke 2024 Caractéristiques physiques de l’air Page 27 sur 229  Tableau 3 : Table des variables thermodynamiques de l'air à basse pression (suite) (extrait du Cengel (1)) CHAPITRE 1 © G. Van Hoeke 2024 Caractéristiques physiques de l’air Page 28 sur 229  1.3.2) VARIABLES THERMODYNAMIQUES DE LA VAPEUR D’EAU SATUREE Tableau 4 : Table des variables thermodynamiques de la vapeur d'eau saturée (organisée par températures) (extrait du Cengel (1)) CHAPITRE 1 © G. Van Hoeke 2024 Caractéristiques physiques de l’air Page 29 sur 229  Tableau 5 : Table des variables thermodynamiques de la vapeur d'eau saturée (organisée par pressions) (extrait du Cengel (1)) CHAPITRE 1 © G. Van Hoeke 2024 Caractéristiques physiques de l’air Page 30 sur 229  1.E) EXERCICES EXERCICE 1-1 : 79 033.50Pa de N2 ; 21 278.25Pa de O2 ; 607.95Pa de CO2 ; 405.30Pa de H20 EXERCICE 1-2 : 1.2378 kg/m³ EXERCICE 1-3 : 0.01269 kge / kgas ; 63.09% EXERCICE 1-4 : 0.00378 kge / kgas ; 3765.76 ppm EXERCICE 1-5 : 267.03kJ ; 74W EXERCICE 1-6 : 14 852.50 kJ ; 30.94kW EXERCICE 1-7 : 50.30 kJ/kgas CHAPITRE 1 © G. Van Hoeke 2024 Caractéristiques physiques de l’air Page 31 sur 229  EXERCICE 1-8 : 97.622kPa ; 0.015148 kge/kgas ; 63.72kJ/kgas ; 85.607 kgas ; 1.2966 kge EXERCICE 1-9 : 15.38°C EXERCICE 1-10 : 25°C si HR100% ; 21.2°C si HR80% ; -8°C si HR10% ; peu probable que l’air soit aussi sec + équilibre thermique non calculé entre surface du lac et l’air EXERCICE 1-11 : Oui (on trouve HR = 44%, 0.80801kPa de Pv or il y a saturation à 0.6117kPa pour 0°C) CHAPITRE 1 © G. Van Hoeke 2024 Caractéristiques physiques de l’air Page 32 sur 229  LE DIAGRAMME PSYCHROMETRIQUE Les relations et propriétés présentées dans le chapitre précédent ont beau être une base incontournable (nul n’échappe à la physique !), il existe des outils (tirés de ces bases) qui permettent de trouver les résultats pertinents avec plus d’aisance et de rapidité. Le plus connu d’entre eux est probablement le très répandu diagramme psychrométrique. CHAPITRE 2 © G. Van Hoeke 2024 Le diagramme psychrométrique Page 33 sur 229  2) LE DIAGRAMME PSYCHROMETRIQUE 2.1) CONSTRUCTION DU DIAGRAMME Bien qu’il ne revête pas de difficulté particulière et puisse être encodé dans un logiciel de calcul, le calcul des variables thermodynamiques peut s’avérer long et fastidieux dans le cadre de l’étude d’un système HVAC. Voilà pourquoi ces relations ont été regroupées dans un diagramme à la vocation pratique : le diagramme psychrométrique (Ze one, m’sieurs – dames !). Cet outil présente, pour une pression ambiante donnée, l’enthalpie h en fonction de l’humidité absolue x de l’air tracée comme une oblique afin de faciliter la lecture des isothermes, généralement plus « palpables » pour l’utilisateur. En effet, l’expression de l’enthalpie de l’air humide (détaillée à l’équation 10 au chapitre précédent) se présente comme une fonction linéaire de 𝑥 et dont le coefficient angulaire vaut (2501,6 + 1,854 ⋅ 𝑇). 𝜕ℎ = 2501,6 + 1,854 ⋅ 𝑇 𝜕𝑥 Équation 17 : Expression des isothermes sur un diagramme h=f(x) Le rabattement de l’axe 𝑥 suivant ce coefficient 2501,6 permit donc de présenter des isothermes horizontales au terme 1,854 ⋅ 𝑇 près, ce qui présente plus de commodité. Figure 19 : Choix d'un axe oblique pour le diagramme psychrométrique h = f(x) Des exemples de diagrammes psychrométriques sont donnés à la Figure 20 (par le fabricant européen GEA) et à la Figure 21 (par l’ASHRAE, organisation internationale technique dans le domaine des génies thermiques et climatiques (ça pèse dans l’game …)). CHAPITRE 2 © G. Van Hoeke 2024 Le diagramme psychrométrique Page 34 sur 229  Figure 20 : Diagramme psychrométrique fourni par le fabricant GEA CHAPITRE 2 © G. Van Hoeke 2024 Le diagramme psychrométrique Page 35 sur 229  Figure 21 : Diagramme psychrométrique fourni par l'ASHRAE (extrait du Cengel (1)) CHAPITRE 2 © G. Van Hoeke 2024 Le diagramme psychrométrique Page 36 sur 229  2.2) LECTURE Ce diagramme contenant toutes les variables thermodynamiques nécessaires à complètement définir l’état de l’air, il présente un avantage de rapidité de résultat évident par rapport aux calculs. L’utilisation de ce diagramme nécessite simplement de repérer quelques courbes et croisements particuliers repris dans le tableau ci-dessous (suffiyaka). Température sèche (𝑻𝒔 ) Humidité absolue (𝒙) Point de rosée (𝑻𝒓𝒐𝒔é𝒆 ) Humidité relative (𝝍 𝒐𝒖 𝑯𝑹) Enthalpie (𝒉𝒂𝒉 ) Température humide (𝑻𝒉 ) Volume massique (𝒗) Tableau 6 : Quelques croisements particuliers sur le diagramme psychrométrique (extrait de MORREALE) NB : il existe également des logiciels de calcul qui présentent les paramètres encodés sur le diagramme, comme le logiciel partagé sur l’espace Moodle du cours CHAPITRE 2 © G. Van Hoeke 2024 Le diagramme psychrométrique Page 37 sur 229  EXEMPLE 2-1 : LECTURE DES CARACTERISTIQUES DE L’AIR HUMIDE POUR UN POINT (=ETAT) SUR LE DIAGRAMME PSYCHROMETRIQUE Le diagramme psychrométrique a 2 dimensions, dès lors il suffit de connaître 2 grandeurs physiques relatives à l’état de l’air pour pouvoir déterminer toutes les autres grandeurs physiques. Par exemple, pour de l’air à 20°C et 50% HR, on peut lire sur les diagrammes des figures 20 et 21 :  Une humidité absolue de 7.27 geau / kgas ;  Une enthalpie de 38.57 kJ/ kgas ;  Un volume massique de 0.8397 m³/ kgas ;  Une température humide de 13.82°C ;  Une température de rosée de 9.27°C ; Si l’on vient chercher le point de rosée du point précédent, notre point se situe à 9.27°C et une humidité absolue conservée de 7.27 geau /kgas. Les autres grandeurs physiques peuvent être lues sur les figures 20 et 21 :  Une humidité relative de 100% HR ;  Une enthalpie de 27.63 kJ/ kgas ;  Un volume massique de 0.8090 m³/ kgas ;  Une température humide et de rosée de 9.27°C ; Si l’on vient chercher la température humide du premier point, il se situe à 13.82°C et une enthalpie conservée de 38.57kJ/kgas. Les autres grandeurs physiques peuvent être lues sur les figures 20 et 21 :  Une humidité relative de 100% HR ;  Une humidité absolue de 9.87 geau/ kgas ;  Un volume massique de 0.8254 m³/ kgas ;  Une température humide et de rosée de 13.82°C ; EXEMPLE 2-2 : DETERMINATION DES GRANDEURS PHYSIQUES DE L’AIR AU PSYCHROMETRE ! Comme mentionné plus tôt dans ce syllabus, le psychromètre est un ancien appareil de mesure combinant un thermomètre à bulbe sec et un thermomètre à bulbe humide. Ces 2 mesures permettaient alors de situer l’état de l’air dans une pièce sur le diagramme psychrométrique et de déduire les autres grandeurs physiques utiles de l’air. Par exemple, arriveras-tu à retrouver ces grandeurs physiques si le psychromètre affiche une température sèche de 30°C et une température humide de 15°C ?  Une humidité relative de 17% ;  Une humidité absolue de 4.35 geau/ kgas ;  Une enthalpie de 41.31 kJ/ kgas ;  Un volume massique de 0.8643 m³/ kgas ;  Une température de rosée de 1.97°C ; CHAPITRE 2 © G. Van Hoeke 2024 Le diagramme psychrométrique Page 38 sur 229  2.E) EXERCICES EXERCICE 2-1 : Tsèche = 20°C ; HR = 74% ; x = 10.87 ge/kgas ; h = 47.69 kJ/kgas ; v = 0.8445m³/kgas ; Thum = 17°C ; Trosée = 15.29°C (risque moisissure) EXERCICE 2-2 : Tsèche [°C] Thumide [°C] Trosée [°C] h [kJ/kgas] v [mah³/kgas] x [geau/kgas] H.R. [%] 25 56 0.862 5 4 30 29 27 21 28 0.903 21.5 21.5 95 15 15 -8 -4 0.875 1.6 21.5 60 16 15 35 62.5 0.752 1 12 55 11 10 24 43 0.936 10 10 50 18.5 18.5 CHAPITRE 2 © G. Van Hoeke 2024 Le diagramme psychrométrique Page 39 sur 229  EXERCICE 2-3 : l’humidité absolue et l’enthalpie sont directement lisibles sur la diagramme (la pression partielle de l’air sec et les masses doivent être retrouvées par calcul). Pour le 1-11, la température de rosée de 3.90°C est directement lisible sur le diagramme et permet de déduire qu’il n’y aura bien condensation à 0°C. CHAPITRE 2 © G. Van Hoeke 2024 Le diagramme psychrométrique Page 40 sur 229  IMPACT DE L’ETAT DE L’AIR SUR LE CONFORT OK, OK, … Vous maîtrisez maintenant les grandeurs physiques liées à l’air... Mais au fond, quelles sont « les bonnes valeurs » à viser pour ces grandeurs physiques afin que le corps humain se sente dans une situation qu’il qualifierait de « confortable » ? CHAPITRE 3 © G. Van Hoeke 2024 Impact de l’état de l’air sur le confort Page 41 sur 229  3) IMPACT DE L’ETAT DE L’AIR SUR LE CONFORT 3.1) LE CONFORT … ? L’objectif le plus communément rencontré pour les installations HVAC est le confort des personnes qui occupent le bâtiment. D’une part, il y aura lieu d’identifier les paramètres qui influencent objectivement ce confort et d’autre part il nous faudra également nuancer ce concept de confort en fonction du type de bâtiment et de l’activité humaine qui y est liée. De manière générale, le confort peut être défini par un organigramme aussi trivial et bidon que celui présenté ci-dessous (euh … C’était vraiment important le confort ?). Figure 22 : Le confort... Pas simple ! (extrait de www.energieplus-lesite.com) CHAPITRE 3 © G. Van Hoeke 2024 Impact de l’état de l’air sur le confort Page 42 sur 229  3.2) LE CONFORT THERMIQUE Le confort des personnes est étroitement lié à leur activité physique et à leur capacité à évacuer librement la chaleur excédentaire de leur métabolisme vers l’air ambiant. Cette chaleur dispose de 5 voies principales pour être évacuée : la transpiration, la convection, le rayonnement, l’ingestion de nourriture qui consomme de l’énergie et la conduction vers le sol. Ces échanges thermiques sont fonctions de grandeurs ambiantes telles que la température (ambiance et parois), l’humidité et la vitesse de l’air mais également de variables plus spécifiques à chaque individu que les normes tentent de standardiser tout en estimant qu’il restera toujours un pourcentage prévisible d’insatisfaits PPD en % (Jamais contents !). Figure 23 : Le confort thermique (extrait de www.energieplus-lesite.com) Notons que l’humidité relative et la vitesse d’écoulement de l’air influencent également la température ressentie par le métabolisme humain … En effet, d’une part, l’humidité relative influence la capacité du corps humain à évacuer sa chaleur par transpiration. Une humidité relative trop élevée constitue donc un frein à une évacuation acceptable de chaleur du métabolisme alors qu’une humidité relative trop basse favorise cette évacuation mais s’accompagne vite de sensation de gorge sèche. CHAPITRE 3 © G. Van Hoeke 2024 Impact de l’état de l’air sur le confort Page 43 sur 229  Concrètement, l’expérience tend à montrer que le métabolisme humain ressent un inconfort notable si l’humidité relative est inférieure à 30% ou supérieure à 70%. Il est ainsi possible de tracer des zones « typiques » sur le diagramme psychrométrique : la zone 1 (trop sec), les zones 2 et 3 (trop chaud et humide) et la zone 4 (polygone de confort thermique). Figure 24 : Le confort en termes d'hygrométrie (extrait de www.energieplus-lesite.com) D’autre part, par effet de convection, la vitesse d’écoulement de l’air favorise l’évacuation de chaleur du corps humain, ce qui est pratique et recherché en été (vivent les petits ventilos de bureau branchés à l’ordinateur par port USB !) mais nettement moins apprécié en hiver. VITESSE Sensation occasionnée Situation RESIDUELLE [m/s] Plaintes probables quant à la stagnation de 0 … 0,08 Aucune l’air 0,13 Sensation idéale Installation de grand confort Sensation agréable à la limite du confort 0,13 … 0,25 Installation de confort pour les personnes statiques Sensation inconfortable, les papiers légers 0,33 Grandes surfaces et magasins bougent sur les bureaux Limite de sensation (dés)agréable pour les 0,38 Grandes surfaces et magasins personnes en déplacements lents Sensation inconfortable de grands Installations industrielles où l’opérateur 0,38 … 0,50 déplacements d’air est en mouvement Tableau 7 : Sensations procurées par différentes vitesses d'écoulement d'air EXEMPLE 3-1 : ESTIMATION D’UNE VITESSE D’ECOULEMENT MOYENNE DANS UN LOCAL Dans un local dont les dimensions H ⋅ L ⋅ P valent 10m, 5m et 15m et dont l’air est renouvelé toutes les 10 minutes, il est possible d’estimer une vitesse d’écoulement d’air insuffisante de 0.025m/s. En effet, ces conditions amènent à un débit d’air de (10 ⋅ 5 ⋅ 15) ⋅ 6 = 4500m³/h, lequel traverse une section de 10 ⋅ 5 = 50m², ce qui donne 4500 / 50 = 90 m/h soit 0.025m/s. CHAPITRE 3 © G. Van Hoeke 2024 Impact de l’état de l’air sur le confort Page 44 sur 229  3.3) LA QUALITE DE L’AIR N’avez-vous jamais ressenti le besoin de sortir « prendre un bol d’air frais » après être resté trop longtemps à l’intérieur ? Il est admis que l’être humain passe entre 80% et 90% de son temps cloîtré dans des espaces intérieurs fermés … Et l’air qui s’y trouve est souvent de moins bonne qualité que l’air extérieur ! (Mais non !? Bah si …). Plusieurs substances peuvent influencer la qualité de l’air nous respirons. 3.3.1) ELEMENTS POLLUANTS DANS L’AIR Au sommet du top 3 des polluants habituels de l’air ambiant, citons le gaz carbonique (CO2), émis par la combustion de moteurs thermiques … ou la respiration humaine ! Son impact sur la santé humaine est variable en fonction de ses proportions dans l’air, souvent quantifiées en « ppm » (parties par million). Taux de CO2 Risque pour la santé 380 … 480 ppm Taux normal ambiant Taux correct (limite indicative du taux d’occupation fixée à à 800ppm dans la plupart 600 … 800 ppm des espaces publics lors de la crise du COVID entre 2019 et 2021) 1000 … 1100 ppm Taux tolérable 5000 ppm Exposition supérieure à 8h déconseillée 6000 … 30 000 ppm Exposition très courte tolérée 3…8% Risque d’emballement cardiaque 8 … 20 % Nausée et évanouissement rapides 20% Décès (game over) Tableau 8 : Impact de différents taux de CO2 sur la santé L’air est également chargé de micro-organismes, émis par l’environnement … ou l’activité du corps humain ! Ces micro-organismes, comme des bactéries ou des virus, peuvent être vecteurs de maladies voire d’épidémies difficilement contrôlables dans des environnements clos comme les bâtiments (grippe espagnole, covid 19, et d’autres joyeux copains …). Si anecdotiques qu’elles puissent paraître, les poussières ont également un impact crucial sur la qualité de l’air. En effet, la poussière est constituée de fibres et de débris suffisamment fins et légers (diamètre moyen < 500µm !) que pour pouvoir rester en suspension dans l’air : il peut dès lors s’agir de résidus de poils, cheveux, peau, de fibres synthétiques, microplastiques, de résidus minéraux de construction ou même de la très tristement célèbre poussière d’asbeste (amiante) dont l’inhalation peut provoquer le cancer … De manière générale, la poussière peut poser de graves problèmes de santé chez tout être organique mais également des problèmes de fonctionnement pour les machines. NB : Le petit cousin du CO2, le monoxyde de carbone CO, est encore plus vicieux : issu de combustions incomplètes, il est inodore, invisible et se fixe à nos globules rouges à la place de l’oxygène, ce qui nous asphyxie sans que l’on s’en rende compte ! Ce « tueur silencieux » a déjà causé de nombreux accidents dramatiques dans des salles de bain équipées de chauffe-eaux atmosphérique défaillants … CHAPITRE 3 © G. Van Hoeke 2024 Impact de l’état de l’air sur le confort Page 45 sur 229  Il existe encore une multitude d’autres éléments tels que les composés volatils (issus de produits de nettoyage, vernis, colles, …), les fumées de tabac, les substances chimiques diverses et variées, le radon (gaz inerte et radioactif naturellement présent dans certains sous-sols) qui peuvent impacter la qualité de l’air. Enfin, la vapeur d’eau n’est pas considérée comme un polluant dans l’absolu, mais l’humidité relative de l’air joue un rôle aggravant : un air trop sec favorise les irritations respiratoires et la formation d’électricité statique alors qu’un air trop humide favorise le développement d’allergènes, de moisissures et d’acariens. 3.3.2) LE RENOUVELLEMENT D’AIR Le renouvellement d’air à des fins de confort – souvent dit « hygiénique » - au sein d’un bâtiment consiste à rejeter l’air vicié de toutes sortes de polluants à l’extérieur et à le remplacer par de l’air frais extérieur, de qualité variable suivant l’environnement dudit bâtiment. La question du « comment » assurer ce mouvement d’air mérite d’être abordée dans un cours entièrement dédié aux circuits aérauliques (calme tes ardeurs, grand fou !). CONCENTRATION EN POLLUANTS DANS L’AIR EXTERIEUR CO2 CO NO2 SO2 ENVIRONNEMENT [ppm] [mg / m³] [mg / m³] [mg / m³] RURAL 350 54 IDA 2 QAI moyenne 400 … 600 36 … 54 IDA 3 QAI modérée 600 … 1000 22 … 36 IDA 4 QAI médiocre > 1000 < 22 Tableau 9 : Classes de qualité d'air dans les bâtiments non résidentiels La concentration en personnes par m² peut provenir de 2 sources. La première est le taux d’occupation prévu par le client pour son bâtiment. La deuxième vient d’un taux de concentration générique prévisible proposé dans l’annexe A de la norme NBN EN 13 779. En théorie (huhu), c’est la plus grande des 2 occupations qui doit être retenue … TYPE D’ESPACE [m²/pers.] Hall d’entrée, salle d’attente, tribunes de spectacle, discothèque, salle polyvalente 1 Restaurant, cafétaria, 1,5 Hall d’hôtel, vestiaires, salles de garde 2 Salle de réunion, hall de sport 3,5 Salon de coiffure, salle de cours, cellule pénitentiaire 4 Laverie, salle d’opération 5 Petit local de vente 7 Cuisine de restaurant, chambre d’hôtel, studio photo, pharmacie, bibliothèque 10 Bureaux 15 Magasin de textiles, Salle de guichets 20 Local informatique 25 Magasin de stockage 100 Tableau 10 : Taux d'occupation par défaut selon la NBN EN 13 779 dans les bâtiments non résidentiels CHAPITRE 3 © G. Van Hoeke 2024 Impact de l’état de l’air sur le confort Page 48 sur 229  Par ailleurs, la norme en non-résidentiel prévoit une classification plus formelle des conditions de pression dans les locaux en fonction du déséquilibre qui y règne entre le débit fourni et le débit repris. Cela permet, dans des cas de gradients de pression à établir sans contrôle trop strict, d’assurer un sens de circulation préférentiel entre locaux. DESCRIPTION CONDITIONS DE DEBITS PC1 : DEPRESSION 1,15 ⋅ DEBIT FOURNI < DEBIT REPRIS PC2 : LEGERE DEPRESSION 1,05 ⋅ DEBIT FOURNI < DEBIT REPRIS < 1,15 ⋅ DEBIT FOURNI PC3 : UNIFORME 0,95 ⋅ DEBIT FOURNI < DEBIT REPRIS < 1,05 ⋅ DEBIT FOURNI PC4 : LEGERE SURPRESSION 0,85 ⋅ DEBIT FOURNI < DEBIT REPRIS < 0,95 ⋅ DEBIT FOURNI PC5 : SURPRESSION 0,85 ⋅ DEBIT FOURNI > DEBIT REPRIS Si surpression, la PEB déconseille que (DEBIT FOURNI – DEBIT REPRIS) ≤ 0,35 ⋅ Volume ventilé REMARQUE Si dépression, la PEB déconseille que (DEBIT FOURNI – DEBIT REPRIS) ≤ 0,22 ⋅ Volume ventilé Tableau 11 : Classes de pressions entre locaux dans les bâtiments non résidentiels EXEMPLE 3-3 : CALCUL DE DEBITS HYGIENIQUES SELON LA NBN EN 13 779 (OU ISO 16 890) Imaginons un bureau de 100m² en conditions de pression PC3. En l’absence d’exigences spécifiques relatives à la qualité d’air intérieure, et sur base des tableaux issus de la norme, nous envisagerons une catégorie IDA 3 avec 22m³/h par personne et un taux d’occupation de 15m² par personne. Cela nous amène à un débit à fournir de 22 * (100 / 15) = 146.67m³/h et au même débit de reprise à assurer directement dans le même espace bureau. CHAPITRE 3 © G. Van Hoeke 2024 Impact de l’état de l’air sur le confort Page 49 sur 229  3.4) LE CONFORT ACOUSTIQUE 3.4.1) SON & BRUIT Enfin, tout transport de fluides a un impact acoustique sur son environnement de par les vitesses d’écoulement engendrées et les vibrations émises par les moteurs des machines opératrices. En effet, les rudiments de physique ondulatoire nous enseignent que le son n’est autre qu’une fluctuation périodique de la pression de l’air par rapport à la pression atmosphérique. Cette succession de zones de surpression et de dépression se propage dans un milieu matériel et se caractérise par une amplitude et une fréquence. Figure 27 : Définition du son (extrait de www.energieplus-lesite.com) Un son considéré comme pur résonne sur une fréquence unique isolée (« Mimimimimiiiiiiiiiii ! »). Ce que l’on appelle communément « bruit » est en fait un mélange de sons à plusieurs fréquences (j’vous dis pas le bazar…). Pour plus de commodités, les professionnels de l’acoustique ont donc l’habitude de découper le bruit en fonction des fréquences des différents sons qui le composent, on appelle ce découpage le spectre sonore. Figure 28 : Notion de fréquence et de spectre sonores (extrait du Memento acoustique, voir références) CHAPITRE 3 © G. Van Hoeke 2024 Impact de l’état de l’air sur le confort Page 50 sur 229  3.4.2) ANALYSE EN OCTAVE ET EN TIERS D’OCTAVE Le découpage de fréquences analysé en HVAC est basé sur les bandes d’octaves normalisées centrées sur les fréquences de 63, 125, 250, 500, 1000, 2000 et 4000Hz (les fréquences doublent à chaque passage de bande d’octave normalisée). Il arrive aussi, dans des cas d’analyse plus fins, que l’on analyse le bruit en tiers d’octaves (afin de mieux cibler certaines fréquences recherchées, on découpera, par exemple, la bande centrée sur 125Hz pour l’analyse en octave en 3 bandes, centrées sur 100Hz, 125Hz et 160Hz respectivement). Figure 29 : Analyse d'un son en octave ou en tiers d'octave (extrait du Memento acoustique, voir références) Cette analyse donne par ailleurs lieu à certains bruits « standards » bien connu des acousticiens : le bruit blanc (dont le niveau sonore croît de manière régulière avec les bandes d’octaves), le bruit rose (dont le niveau sonore est constant pour toutes les bandes d’octaves) et le bruit route (dont le niveau sonore est plus important aux basses fréquences). Figure 30 : Quelques bruits standards (extrait du Memento acoustique, voir références) CHAPITRE 3 © G. Van Hoeke 2024 Impact de l’état de l’air sur le confort Page 51 sur 229  3.4.3) NIVEAU ET PUISSANCE SONORES Le niveau sonore (ou pression acoustique) fait référence à la variation de pression perçue en un point précis dans l’environnement d’une source sonore. Celui-ci dépend de la nature de l’environnement et de la distance séparant le point de mesure de la source sonore. L’oreille humaine peut percevoir des variations de pression acoustique allant de 2 ⋅ 10-5Pa à 20Pa, cette extrême sensibilité (rapport d’échelle d’un million) poussa les acousticiens à adopter une échelle logarithmique pour quantifier le niveau de pression acoustique 𝐿 [dB] pour une variation de pression 𝑝 [Pa] par rapport à la variation de pression minimale perceptible 𝑝 (2⋅10-5Pa). Les décibels ne constituent donc pas une mesure absolue. 𝑝 𝑝 𝐿p = 10 ⋅ log = 20 ⋅ log [dB] 𝑝 𝑝 Équation 18 : Expression du niveau sonore en décibels On dit en revanche d’une source sonore qu’elle émet une certaine puissance acoustique. Cette puissance 𝐿 [dB] s’exprime également en décibels mais n’exprime non plus un rapport de pressions, mais bien un rapport de puissances entre la puissance émise 𝑃 [W] et la puissance minimale admise 𝑃 (10-12 W). 𝑃 𝐿w = 10 ⋅ log [dB] 𝑃 Équation 19 : Expression de la puissance sonore en décibels Figure 31 : Niveau et puissance sonores (extrait du Memento acoustique, voir références) CHAPITRE 3 © G. Van Hoeke 2024 Impact de l’état de l’air sur le confort Page 52 sur 229  3.4.4) ADDITION DE NIVEAUX SONORES Dès lors qu’ils sont exprimés en décibels, les niveaux sonores s’additionnent de manière contre-intuitive. Illustrons cette incroyable déclaration par un petit exemple : une source émet un bruit dont la puissance sonore s’élève à 10-6W, ce qui équivaut à 60dB. Le fait de poser une deuxième source, identique, à proximité de la première, a pour effet de doubler le contenu du logarithme, ce qui ne nous mène qu’à 3dB d’augmentation de la puissance sonore tota