Conditionnement d'air 2024-2025 PDF

Conditionnement d'air Sandra GALLEGO Année 2024-2025 Modalités de contrôle  3 ECTS  1 contrôle partiel de 1h, à la moitié du semestre, coecient 35%  1 contrôle terminal de 2h, pendant la session des exame...

Conditionnement d'air Sandra GALLEGO Année 2024-2025 Modalités de contrôle  3 ECTS  1 contrôle partiel de 1h, à la moitié du semestre, coecient 35%  1 contrôle terminal de 2h, pendant la session des examens, coecient 65% Objectifs du cours  Savoir recueillir les données nécessaires pour résoudre un problème de conditionne- ment d'air  Connaître les propriétés de l'air humide  Utiliser un diagramme psychrométrique  Dimensionner un système de conditionnement d'air en régime nominal  Comprendre le fonctionnement et la régulation à charges partielles Table des matières 1 Bilan thermique d'un bâtiment 2 1.1 Etapes d'une étude thermique........................ 2 1.2 Rappels de conduction thermique...................... 3 1.3 Calcul des charges.............................. 7 2 Physique de l'air humide 10 2.1 Caractéristiques physiques.......................... 10 2.2 Diagramme de l'air humide ou psychrométrique.............. 16 3 Technologie des centrales de traitement d'air 19 3.1 Méthodologie de dimensionnement..................... 19 3.2 Transformations élémentaires........................ 22 3.3 Cycles fondamentaux............................. 28 3.4 Les diérents systèmes de CA........................ 30 1 1 Bilan thermique d'un bâtiment Dénition. Le bilan thermique quantie toutes les sources de perturbations extérieures (températures, air neuf,...) et intérieures qui vont inuencer l'ambiance en température et en humidité. 1.1 Etapes d'une étude thermique Déroulement d'une étude thermique Métré Calcul des charges Déperditions et Gains Quelle est la puissance à installer en chauffage et en climatisation? Choix du système Hydraulique / Aéraulique Simulations numériques Chiffrage Catalogue de fournisseurs 1. Analyse des plans et du cahier des charges 2. Métré : Quantication de tous les éléments nécessaires à la réalisation d'un ouvrage (métier → métreur) Liste :  Type de paroi  Composition  Caractéristiques thermophysiques (λ, ρ , c)  Dimensions : surface et épaisseur pour une paroi opaque, hauteur et largeur pour un ouvrant 3. Calcul des charges (il existe plusieurs classications) : Déperditions [kW] : Quantité de chaleur perdue (< 0) par le local par unité de temps Gains [kW] : Quantité de chaleur reçue (> 0) par le local par unité de temps ⇒ Puissance à installer en chaud et en froid 4. Choix du ou des systèmes :  à eau → hydraulique  à air → aéraulique / conditionnement de l'air 2  ⇒ Dimensionnement à l'aide de calculs  statique = Régime permanent (cf. RT)  dynamique = Logiciels de simulations thermiques du bâtiment 5. Chirage / Réalisation d'un devis avec concertations avec les fournisseurs → stage 1.2 Rappels de conduction thermique 1.2.1. Propriétés thermophysiques Conductivité thermique λ [W/m.K] Traduit la valeur du ux thermique [W], traversant un mètre de matériau soumis à un déséquilibre de 1K................... Ordre de grandeur : Très conducteur 10-500 Métaux Conducteur 1-10 Béton Peu conducteur 0,1-1 Bois Isolant 0,025-0,1 Laine de verre Super isolant 0,005-0,025 Poreux sous vide Capacité calorique c [J/kg.K] Quantité d'énergie à apporter par échange thermique pour élever d'un kelvin la tem- pérature de l'unité de masse d'un corps Remarque 1 : c correspond à c0p la capacité calorique à pression constante. Remarque 2 : La chaleur massique est une autre dénomination. Diusivité thermique a [m2 /s] Capacité d'un matériau à transmettre un signal de température d'un point à un autre Rapport de la capacité de transfert thermique à la capacité d'emmagasinement de la chaleur....... Valeurs de matériaux courants : 3 2 Matériaux λ [W/m.K] ρ [kg/m ] c [J/kg.K] a [m /s] −7 Béton 1,75 2300 1130 6,73 × 10 −4 Cuivre 380 8930 390 1,09 × 10 −7 Eau 0,6.......... 1,43 × 10 −5 Air à 20°C.............. 2,14 × 10 au repos 3  1.2.2. Plaque plane sans source = Modèle du mur unicouche HYPOTHESES :  Régime permanent  λ constante  Système monodimensionnel  Coordonnées cartésiennes  Sans source interne Système à résoudre :  ∆T = 0 ⇔ → équation  de la chaleur simpliée   .........   → condition aux limites  ................    → condition aux limites................  Solution :......................... Calcul de la densité de ux avec la loi de Fourier : → − −−→ ϕ = −λgradT ⇒ ϕ =....................... 4 1.2.3. Analogie électrique = Modèle du mur multicouche Coecient d'échange superciel h [W/m2.K] Caractérise les échanges convecto-radiatifs à la surface d'un matériau cf. Coecients d'échange superciel des parois de construction Schéma électrique équivalent HYPOTHESES :  Régime permanent  Système monodimensionnel  λ constante entre deux isothermes 5  R1 , R2 , R3 ⇒ Résistance thermique de conduction [K/W]........ Rse , Rsi ⇒ Résistance d'échange superciel lié à la convection [K/W]......... Résistances en série........................ Application : Req = Rse +R1 +R2 +R3 +Rsi Req = + + + +........................ Questions :  Où est S? →...............................  Peut-on simplier S? → oui car c'est la même pour tous les matériaux 1 e1 e2 e3 1 req = + + + + hext λ1 λ2 λ3 hint 2 req ⇒ résistance surfacique [m.K/W]........ 1.2.4. Coecient de transmission thermique 2 On le note U et il est le plus souvent surfacique [W/m.K]....... 2 Remarque : Ubat dans la Réglementation Energétique est exprimé en [W/m.K], c'est le coecient moyen de déperditions par les parois et les liaisons dans un bâtiment. 6 1.3 Calcul des charges Charges (⇔ puissance) = Gains + Déperditions 2 types de classication :  intérieures/extérieures  sensibles/latentes Charges sensibles :................................................... Charges latentes :................................................ Type de gains Ext. Int. Sensible Latent Ensoleillement direct X X par les surfaces vitrées Insolation murs et toitures X X Diérence de température X X entre espaces adjacents Tension de vapeur d'eau X X Action du vent sur les bâtiments X X X Air extérieur de ventilation X X X Occupation X X X Eclairage X X Matériel de bureaux X X Moteurs électriques X X Tuyauteries d'eau chaude X X Réservoirs d'eau X X X 7  1.3.1. Gains dus à l'occupation Chaleur dégagée par le métabolisme évacuée sous 2 formes : ............................................... ....................................... Paramètres :  Métabolisme : homme, femme, enfant  Température du local  Activité Exemple : Valeurs en [W] pour un homme 21°C 28°C Sensible Latent Sensible Latent Employé de bureau 80 50 50 80 Sportif dans un gymnase 120 130 65 180 1.3.2. Déperditions thermiques (hiver) 3 types :  déperditions surfaciques à travers les parois  déperditions linéiques par ponts thermiques  déperditions par renouvellement d'air Remarque : Les deux premières seront des données dans les exercices (cf. Ubat ). Les déperditions sont déterminées pour les.......................... Comme la tem- pérature de base hiver (-5°C pour Toulouse) correspond à un minimum nocturne, on ne tient pas compte des apports caloriques internes (occupation, éclairage,...). Renouvellement d'air extérieur Il est nécessaire d'introduire dans les locaux de l'........ pour combattre la pollution interne due soit aux occupants (vapeur d'eau et CO2 essentiellement) soit aux processus industriels. → Débits d'air hygiénique dénis par textes ministériels. Exemple : 3  Locaux d'enseignement : 15 à 25 m /h par occupant 3  Locaux de restauration : 22 à 30 m /h par occupant 1.3.3. Gains par ensoleillement Parois opaques Les faces extérieures absorbent le rayonnement solaire (cf. coecient d'absorption ou absorptivité). 8  Parois vitrées Paramètres :  situation géographique (latitude)  moment (heure, mois)  orientation 9 2 Physique de l'air humide 2.1 Caractéristiques physiques 2.1.1. Unités et constantes Unités du Système International (S.I.)  Energie [J]  Puissance [W] Autres unités  Energie [cal]............. 1 kcal = 4,18 kJ ⇒ 1 kJ = 0,239 kcal  Puissance [kcal/h] 1J 1 W = = 0,239 cal/s = 0,239 × 3600 cal/h = 0,860 kcal/h 1s...................  Pour les consommations d'énergie dans le bâtiment [kWh] 1 kWh = 1000 × 3600 J..................... Constantes  Masse molaire de l'air sec Mas =.........  Masse molaire de l'eau Meau =.........  Constante des gaz parfaits R=...............  Pression atmosphérique (au niveau de la mer) Patm =........... (' 1 bar) Capacités caloriques  Air sec....................  Eau....................  Vapeur d'eau......................... 10  Remarque : Valeurs moyennes qui varient très légèrement dans l'intervalle de tempé- rature [-20°C ;40°C] que l'on peut rencontrer sous nos latitudes Chaleur latente de l'eau  Vaporisation (liquide → vapeur)....................  Sublimation (solide → vapeur)...................... Conventions d'écriture Soit une grandeur  B  quelconque d'unité b.  BS grandeur dite.......... rapportée à l'air sec [b/kgas ] ∗  B grandeur massique [b/kg]  Ḃ grandeur de débit [b/s]  Bas se rapporte à l'air sec  Bv se rapporte à la vapeur 2.1.2. Composition de l'air humide Air humide =....... +.......... Composition Proportion constante variable Azote N2 78% Vapeur d'eau Oxygène O2 21% Gouttelettes Argon A 0,94% Neige Gaz carbonique CO2 0,03% Glace Autres gaz rares traces Loi de Dalton Ptotale =............................................ Remarque 1 : Pas et Pv sont des pressions partielles. Remarque 2 : Patm est fonction de l'altitude Z. Patm = 101325 − 12Z + 5, 2 × 10−4 Z 2 2.1.3. Masse volumique [kg/m3 ] Air sec.......... 11 HYP : L'air humide se comporte comme un........... aux faibles pressions. mas mas Pas Mas 29 × 10−3 Pas Pas Vas = nRT = RT ⇒ = = Mas Vas RT 8, 32 T............... Vapeur d'eau......... Pv Mv 18 × 10−3 Pv ρv = = RT 8, 32 T................ Remarque : P [Pa] et T [K] Application : Calculer ρas avec Pv = 1500 Pa et θ = 20°C. 2.1.4. Humidité Rappel sur la pression de vapeur saturante Pvsat Pvsat est une pression à l'équilibre liquide-vapeur et est fonction de la température θ. 12  Le point 1 est représentatif de la vapeur d'eau de pression partielle Pv1 contenue dans de l'air de température θ1 et de pression totale Ptot. Remarque 1 : Formule de la courbe de saturation Pvsat (θ) = 611 exp(0, 07252 θ − 0, 0002881 θ2 + 0, 00000079 θ3 ) cf. Table des pressions de vapeur saturante de l'eau en fonction de la température Remarque 2 : Pvsat (100°C) = 101325 Pa = Patm La vapeur d'eau se présente dans l'air sous forme de vapeur si Pv,θ ≤ Pvsat ,θ. Si on injecte de la vapeur dans un volume d'air sec, alors Pv augmente. Quand Pv 0 atteint Pvsat , l'air est saturé en vapeur (point 1 ). Si on continue à rajouter de la vapeur, alors il y a condensation. Humidité relative ψ [%].................. Humidité spécique (ou absolue) rS [kg/kgas ].......... mv et mas sont contenues dans un même volume. ρv V ρv 1 Pv T Pv rS = = = × 287 = 0, 622 ρas V ρas 461, 5 T Pas Pas 13...................... Application : Calculer rS avec θ = 20°C et ψ = 50%. 2.1.5. Enthalpie [J] Dénition. L'enthalpie d'un corps dans un état donné représente l'énergie qu'il a fallu fournir pour obtenir cet état en partant de l'état de référence. Etats de référence :  eau liquide à 0°C  air sec à 0°C  air humide à 0°C et rS = 0 g/kgas Enthalpie massique Eau : 1 kg eau à 0°C → 1 kg eau à θ°C ∗ Heau = mceau ∆θ = 1 × 4, 18 × (θ − 0).......................... Remarque : Transformation à pression constante Air sec : 1 kg air sec à 0°C → 1 kg air sec à θ°C ∗ Has = mcair ∆θ = 1 × 1, 005 × (θ − 0)......................... 14  1 kg eau → 1 kg vapeur → 1 kg vapeur Vapeur : à 0°C à 0°C à θ°C latent sensible....................................... Enthalpie spécique de l'air humide HS [kJ/kgas ] ∗ H mas Has + mv Hv∗ ∗ HS = = = Has + rS Hv∗ mas mas H S = 1, 005 θ + rS (2500 + 1, 85 θ) Formule approchée : S (HYP : pour r < 15g/kgas alors 1, 85 θ rS est quasi négligeable)........................ Remarque : HS totale = HS sensible + HS latent Application : Calculer HS avec les deux formules avec θ = 20°C et rS = 8 g/kgas. 2.1.6. Volume spécique [m3 /kgas ] V V 1 287T VS = = = = mas ρas V ρas Ptot − Pv 0, 622Pv S 287T rS avec : Ptot − Pv = ⇒ V = rs 0, 622Pv Ptot avec : Pv = 0,622 ⇒ rS + 1 461, 5(θ + 273)(rS + 0, 622) VS = Ptot Formule approchée (HYP : pour Patm normale et ψ ' 50%) :.................... 15  Application : Calculer VS avec les deux formules avec θ = 20°C et ψ = 50%. Remarque : Si la température intérieure varie de 17 à 26°C alors VS varie de 0,83 à 3 0,85 m /kgas. 2.1.7. Relation entre les débits mv H V rS = HS = VS = mas mas mas mv = mas rS H = mas H S V = mas V S ṁv = ṁas rS Ḣ = ṁas H S V̇ = ṁas V S Débit massique Débit Débit de vapeur d'enthalpie volumique 3 [kgv /s] [kJ/s] ou [kW] [m /s] ṁas ⇒................................... Remarque :......... 2.2 Diagramme de l'air humide ou psychrométrique 2.2.1. Construction du diagramme Grandeurs caractéristiques de l'air humide  Humidité relative ψ [%]  Humidité spécique rS [kg/kgas ] S  Enthalpie spécique H [kJ/kgas ]  Température sèche θ [°C]  Température de rosée θr [°C]  Température humide θh [°C] 16  Détermination de ces grandeurs  Par le calcul  Par la lecture de tables  Par l'utilisation d'un diagramme de l'air humide : Par simple lecture et sans eectuer aucun calcul, le but est de déterminer la valeur de toutes les grandeurs caractérisant l'air humide connaissant deux d'entre elles. → L'air humide est............ Intérêt du diagramme  Détermination de toutes les caractéristiques de l'air humide à partir de 2 connues  Détermination des diverses températures  Tracé...............................  Tracé.............................  Dimensionnement des installations de conditionnement de l'air Remarque : Un diagramme est donné pour une pression atmosphérique donc pour une altitude. cf. Diagramme de l'air humide Carrier cf. Diagramme de l'air humide utilisé en TD 17  2.2.2. Les diérentes températures Température sèche : Température qu'indique le thermomètre placé dans l'air à condi- tion qu'il soit protégé des rayonnements parasites. Température de rosée : Température à laquelle la vapeur d'eau contenue dans l'air commence à se condenser au contact d'une paroi froide refroidie lentement. Température humide : Température de l'air non saturé lorsqu'il le devient au contact d'eau déjà à cette température. Mesure à l'aide d'un.............. 18 3 Technologie des centrales de traitement d'air 3.1 Méthodologie de dimensionnement Dénition. Le dimensionnement est la détermination des caractéristiques d'une ins- tallation lors de sa conception pour satisfaire à des critères préétablis et à la pratique réglementaire, en régime nominal. Le dimensionnement d'une centrale de traitement d'air (CTA) se réalise aux................................ en été et en hiver. Motivations :  Contrôler l'ambiance en température et en humidité  Satisfaire le débit d'air réglementaire Raisons :  Confort des occupants  Process industriel ⇒ Dans quel état faut-il souer l'air dans le local ? 3.1.1. Etapes de dimensionnement 1. Dénir les conditions intérieures désirées Confort des individus fonction de la destination des locaux, de la période (été/hiver),... 2. Dénir l'environnement Conditions extérieures (température de base par exemple), ensoleillement,... 3. Bilan thermique / Calcul des charges Remarque : Ces étapes sont des données dans les exercices. 19 4. Déterminer l'état de l'air soué (été et hiver) On connaît l'air intérieur I et on cherche l'air soué S. BILANS en régime permanent (système = air ambiant du local) : P P débits entrants = débits sortants Bilan de masse d'air : ṁaentrant = ṁasortant = ṁa (1) Bilan de masse d'humidité : ṁa rSS + ṁh = ṁa rIS......................... Bilan de puissance sensible : ṁa 1, 02 θS + Ḣsens = ṁa 1, 02 θI................................ Ecart de souage :........................... en hiver et......... en été Bilan de puissance latente : ṁa 2500 rSS + Ḣlat = ṁa 2500 rIS............................... Bilan de puissance totale : ṁa HSS + (Ḣsens + Ḣlat ) = ṁa HIS............................ 20  Remarque 1 : (4)=2500 × (2) ⇒ Ḣlat = 2500ṁh Remarque 2 : (5)=(3)+(4) Remarque 3 : On utilise (3) et (4) pour trouver θS et rSS. L'air soué S est fonction du débit d'air soué (cf. 3.1.2). 5. Choix des éléments de la CTA Dimensionnement pour pouvoir préparer l'air S. 6. Dimensionnement des réseaux d'air et des systèmes de diusion cf. notions d'Aéraulique 3.1.2. Choix du débit  En hiver, on s'impose un ∆θS maxi pour que l'air soué ne soit pas trop chaud (............... )...............................  En été, on s'impose un ∆θS maxi pour que l'air soué ne soit pas trop froid (............ )...............................  ṁa doit assurer un taux de brassage minimum d'air neuf réglementaire............. De manière générale, on aura souvent :...................................... 3.1.3. Droite de souage Dénition. La droite de souage est le lieu de tous les points qui correspondent à l'évo- lution de l'air de souage (sur le diagramme) aux charges partielles. Cette évolution est telle qu'elle compense simultanément à chaque instant les charges sensibles et latentes. 21  Pourquoi une droite ? ṁh rIS − rSS (2) ÷ (3) ⇒ = ⇒............... Ḣsens 1, 02(θI − θS ) Construction  La demi-droite part du point I.  Calcul de :.................. et...............  Report de ∆rS et de S ∆Htot pour trouver le point A. ⇒ [IA) porte la droite de souage  Au nal, on trouve un segment avec la contrainte ∆θS. ṁh La pente de la droite dépend de : Ḣsens → Si Ḣsens = 0 alors la pente est.... → Si ṁh = 0 alors la pente est....... 3.2 Transformations élémentaires Eléments principaux d'une CTA décrits dans ce cours :  Caisson de mélange CM  Batterie chaude BC  Batterie froide BF  Humidicateur Hum 22  Eléments secondaires d'une CTA non détaillés dans ce cours :  Filtres  Echangeurs ou récupérateurs de chaleur  Déshumidicateur par absorbant solide ou adsorbant de type liquide (ex : roue dessicante)  Ventilateur de souage Caisson de mélange 1-..................... 2- 2500ṁAN rES + 2500ṁAR rIS = 2500ṁa rM S......................... 3- 1, 02ṁAN θE + 1, 02ṁAR θI = 1, 02ṁa θM........................ Remarque : M ∈ [EI] Le point M est le............ de [EI] dont les poids sont les débits. ṁAR EM = EI × ṁa ṁAN IM = EI × ṁa 23  Batterie chaude  Electrique  A eau chaude  A uide frigorigène (côté condenseur) Agit comme un........... et caractérisée par sa puissance PBC ṁa HAS + PBC = ṁa HBS ⇒ PBC = ṁa (HBS − HAS ) = 1, 02ṁa (θB − θA ) + 2500ṁa (rB S S − rA ) Le second terme est nul car rS est constant............................... Batterie froide  A eau glacée  A uide frigorigène (côté évaporateur) ⇒ BF à détente directe Si θef > θrosée de l'air alors pas de condensation ⇒........... Si θef < θrosée de l'air alors condensation ⇒......................... (ou humide) 24 Batterie froide sèche ⇒ 1 caractéristique.............................. Batterie froide déshumidicatrice Evolution de A vers B, (AB) coupe la courbe de saturation en C. θC = température équivalente de surface 25  ⇒ 3 caractéristiques 1- Puissance totale PBF = PBFsensible + PBFlatent................................................... 2- Débit d'eau correspondant aux condensats (Attention ! Récupération des eaux de condensation) S S ṁa rA + ṁe = ṁa rB........................ 3- Ecacité AB ε= (' 80 à 100%) AC....................................... Humidicateur Humidicateur adiabatique ou laveur L'eau sous forme de gouttelettes pulvérisées par des gicleurs est mise en contact avec l'air. Evolution de A vers B adiabatique. (AB) coupe la courbe de saturation en C ⇒ θC = θhB = θhA 26 ⇒ 2 caractéristiques 1- Consommation d'eau S S ṁa rA + ṁe = ṁa rB........................ 2- Rendement AB η= (' 70 à 90%) AC......................... Humidicateur à vapeur L'eau est sous forme de vapeur entre 100°C et 110°C. Rappel :........................................... Hypothèse : On néglige l'apport sensible de la vapeur. ⇒ 1 caractéristique Débit de vapeur S S ṁa rA + ṁv = ṁa rB........................ 27 3.3 Cycles fondamentaux Forme générale d'une installation de traitement d'air HIVER 1- Positionnement de E et de I 2- Calcul de M avec le CM 3- Calcul de S avec les bilans Comment passer de M à S ? →................................. →.......................... 28 Remarque : θS > θI ETE Comment passer de M à S ? 2 cas à considérer : Si (MS) coupe la courbe de saturation →............................................ (si ε