CLIMATISATION DE CONFORT

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1 Théorie Définitions Détermination des débits d air neuf et soufflage tude des évolutions fondamentales de l air : Mélange, Chauffage, Refroidissement Déshumidification Humidification CLIMATIATION D CONFORT PYCHROMTRI VOLUTION FONDAMNTAL Un système de climatisation regroupe l ensemble des appareils dont la fonction essentielle est de préparer l air à distribuer dans les locaux en fonction des charges de ces locaux. Par conséquent, pour déterminer et choisir ces appareils, on est d abord amené à calculer un certain nombre de caractéristiques fondamentales qui nous permettront : - de suivre les évolutions de l air humide au cours du traitement qu il subira - de connaître la puissance, le débit, des appareils à installer A i - HRi e - HRe VR TA V AR Point de soufflage A A - HR A A LC AI AI - HR AI Fig 1 : Dénominations TA = ystème de Traitement d Air LC = Local Climatisé = Air Neuf A = Air xtrait AR = Air Repris = Air Recyclé AM = Air Mélangé (dans un caisson de mélange) A = Air oufflé AI = Air Intérieur V = Ventilateur de oufflage VR = Ventilateur de Reprise Module.1.4 Page 1

2 La fonction première d un TA ystème de Traitement d Air consiste en l obtention des conditions de soufflage (débit spécifique de soufflage qm A et point de soufflage A), pour tous les cas de charge (apports déperditions de chaleur : sensible et hydrique) d un local au cours de l année climatique. Les évolutions psychrométriques au sein des différents composants du système de traitement d air (TA) doivent s enchaîner pour constituer un cycle fermé avec le point d ambiance du local LC à l extraction, et avec le point de soufflage A. A chaque composant du TA correspond une ou deux fonctions élémentaires de traitement : batterie «chaude» Chauffage batterie «froide» Rafraîchissement et Déshumidification humidificateur vapeur Humidification adsorbeur rotatif Chauffage et Déshumidification humidificateur à pulvérisation Rafraîchissement et Humidification caisson de mélange Recyclage et Qualité d air filtration Qualité d air ventilateurs xtraction et oufflage Autre disposition : Doc GA HAPPL Module.1.4 Page 2

3 1. tude des conditions de oufflage de l air dans un local : Bilans énergétique et hydrique d un local Du fait de la saison climatique (été et hiver), des conditions d occupation, de l éclairage, un local subit des apports ou des déperditions de chaleur, et/ou d humidité. La connaissance de ces valeurs passe par un calcul dit «CALCUL D CHARG CLIMATIQU» réalisé au travers de logiciels adaptés intégrant toutes les paramètres modifiant la température et l humidité de l air du local. Les conditions d ambiance (, HR) fixées par le Cahier des Charges (CCTP et fonction de la destination spécifique des locaux) seront maintenues par les conditions de débit «qm as en kg as /s», de température «A en C» et d humidité «r A en kg eau /kg as» de l air soufflé. OUFFL A Qm A h A r A LOCAL AI XTRAIT Qm A h AI r AI HO M (APPORT OU XTRACTION) C est l Air oufflé qui combattra les charges (pertes et/ou apports) du local. Par convention, on admettra : - Qu une perte de chaleur et/ou d humidité de l air d un local sera comptée NGATIVMNT - Qu un apport de chaleur et/ou d humidité de l air d un local sera compté POITIVMNT On définit : H 0 : CHARG GLOBAL ou CHARG NTHALPIQU en kw Composé de H 0 = CHARG NIBL + CHARG LATNT A noter : CHARG THRMIQU OU CHARG NIBL : H N modifient les caractéristiques thermométriques : ne modifient pas les caractéristiques hydriques : r CHARG D HUMIDIT OU CHARG LATNT : H LAT ne modifient pas les caractéristiques thermométriques : modifient les caractéristiques hydriques : r Module.1.4 Page 3

4 H 0 = H N + H LAT Avec : H N = qm A x C as x ( AI - A ) H LAT = qm A x Lv x ( r AI - r A ) = M x Lv où Lv () = ,226 : enthalpie latente de vaporisation de l eau et M = qm A x ( r AI r A ) en kg eau /s et : H 0 = qm A x ( h AI - h A ) i : H N > 0 : =( AI - A )> 0 H N < 0 : =( AI - A )< 0 M > 0 : r =( r AI - r A )> 0 M < 0 : r =( r AI - r A )< 0 A < AI : OUFFL PLU FROID A > AI : OUFFL PLU CHAUD r AI > r A : OUFFL PLU C r AI < r A : OUFFL PLU HUMID VOLUTION FONDAMNTAL Après avoir défini les débits d Air Hygiénique et de oufflage nécessaire aux locaux climatisés, il s agit maintenant de définir l évolution de l air dans le ystème de Traitement d Air. Dans l ordre possible de traitements, on retrouve : 1) Mélange d air : caisson de mélange Fonction : Recyclage et Qualité d air 2) Chauffage de l Air : batterie «chaude» Fonction : Préchauffage ou Chauffage 3) Refroidissement : batterie «froide» Fonctions : Rafraîchissement et Déshumidification L étude des évolutions fondamentales se déroulera uniquement sur le domaine de la Climatisation de Confort : Les différents traitements étudiés sont énumérés ci-dessous. : Mélange de deux Airs : Chauffage de l Air : Refroidissement de l Air sans Déshumidification : Refroidissement de l Air avec Déshumidification Module.1.4 Page 4

5 1) MLG D DUX AR A 3. Air Recyclé : Représentation : Diagramme Psychrométrique oit : un air ( ; HR ) mélangé à un air ( ; HR ) h AM A M h AM h A M r ge/kgas r r AM r ; HR AR C qm qm AM qm AR AM qm A qm M ; HR M A AR ; HR AR AR AR ; HR AR AR ; HR AR qm A = qm + qm qm AR = qm A + qm AR Représentation schématique A AM Objectifs Afin de réduire les frais d exploitation d une installation, on procède très souvent, lorsque cela est autorisé, au MLG D L RCYCL aux conditions (, HR) de l RPRI T D L NUF ; on parle aussi de fonction QUALIT D. La régulation est assurée par : Des registres motorisés ou non placés sur les arrivées et Des registres motorisés ou non placés sur les arrivées et et départ A AR AM A ZON D BROUILLARD A PROCRIR! Détermination du point de mélange AM M ; HR M HR HR A AR HR AR AR AR HR AR L enthalpie du mélange est la somme des enthalpies apportées par et On peut donc écrire : ( qm + qm ) h AM = qm h + qm h h AM =(qm h + qm h ) / (qm + qm ) Méthode des Bilans nergétiques La masse d humidité du mélange est la somme des masses d humidité apportées par et On peut donc écrire : ( qm + qm ) r AM = qm r + qm r r AM =(qm r + qm r ) / (qm + qm ) Le point de mélange M se trouve toujours plus près du point figuratif de l air dont le débit massique d air sec est le plus grand! Taux d : qm Aoufflé qm qm qm 1 Aoufflé qm Taux d : qm qm Aoufflé Application Déterminer les caractéristiques h M et r M d un mélange de deux airs (AM) dont les caractéristiques sont les suivantes : - air AR ( AR = 20 C ; HR AR = 50%) - air ( = 0 C ; HR = 80%) qm = 0,5 kg as /s et qm A = 1,2 kg as /s C HR % r g e /kg as h v m 3 /kg as ,01 7,5 0, ,26 38,35 0,840 AM 11,7 64,48 5,49 25,50 0,814 Caractéristiques du point M h AM =(qm h + qm h ) / (qm + qm ) h AM =(0,5 7,5 + 0,7 38,35) / (1,2) r AM =(qm r + qm r ) / (qm + qm ) r AM =(0,5 3,01 + 0,7 7,26) / (1,2) X AM = X + X X représente :, r, h, v = 0,417 qm = 0,50 = 0,583 qm = 1,2 0,50 = 0,70 h AM =25,50 AM =11,7 C r AM =5,49 g e /kg as HR AM = 64,48% Module.1.4 Page 5

6 (Relation NON VALABL pour HR!) Module.1.4 Page 6

7 2) Chauffage de l air : Batterie Chaude BC Représentation : Diagramme Psychrométrique Représentation schématique e eau NTR ORTI AU s eau h h a oit : un air ( ; HR ) chauffé jusqu'à ( ; HR ) r ge/kgas h a HR % HR % r = r C ntrée ; HR qm A = Constante < HR > HR r = r ortie ; HR ( ; HR ) Principe Un air soumis à un réchauffage simple est un air qui subit : - Modification de la température sèche : s - Pas de modification de la teneur en humidité : r = Cte Technologie ( ; HR ) Les batteries utilisées sont appelées «Batteries chaudes BC» Ces échangeurs, destinés à chauffer l air, peuvent être de type : - à ailettes au chaude / Air, Vapeur / Air - à ailettes Fluide frigorigène / Air (condenseur d une machine frigorifique) - résistance électrique en contact direct avec l air Détermination des Caractéristiques de la batterie chaude BC ( ; HR ) ( ; HR ) 1) Puissance Côté en kw PBC / air = qm A ( h a h a ) qm A = débit massique d air sec en kg as /s c as = capacité thermique massique de l air sec en kj/kg.k h a = enthalpie massique spécifique de l air entrant en h a = enthalpie massique spécifique de l air sortant en 2) Puissance Côté Fluide econdaire en kw PBC / eau = qm e c e e PBC / eau = PBC / air / TH qm e = débit massique d eau en kg/s c e = capacité thermique massique de l eau en kj/kg.k e = écart de température sur l eau en C TH = rendement thermique de BC sans unité Côté Application Côté Fluide econdaire Déterminer les puissances côté Air et au d une batterie chaude de CTA dont les caractéristiques sont les suivantes : Air : ( a = 12 C ; HR a = 70%) et ( a = 26 C ; HR a =??%) avec qm A = 1,2 kg as /s au : Régime : 40/30 C qv e = 1,5 m 3 /h TH =? % C HR % r g e /kg as h v m 3 /kg as ,08 27,29 0, ,2 6,08 41,46 0,856 3) fficacité d une batterie chaude : BC 1) Puissance fournie sur l Air 2) Puissance perdue par le secondaire On appelle efficacité de la batterie, le rapport de l évolution réelle à celle que l on obtiendrait avec une surface d échange infinie. BC = ( h a - h a ) / ( h e - h a ) h a = enthalpie massique spécifique de l air entrant en PBC / air = qm A ( h a h a ) = 1,2 * (41,46-27,29) PBC / air = 17 kw Rendement Thermique : TH = 17/17,4 = 0,977 soit 97,7 % PBC / eau = qm e c e e = 1000 * (1,5/3600)* 4,18 * 10 PBC / eau = 17,4 kw Module.1.4 Page 7

8 h a = enthalpie massique spécifique de l air sortant en h e = enthalpie massique spécifique de l eau à l entrée de la BC (lue sur diagramme pour HR= 100% et = eau ) 3) fficacité de la batterie chaude : BC = ( h a - h a ) / ( h e - h a ) = (41,46 27,29) / (165,35 27,29) BC = 0,10 oit 10% Module.1.4 Page 8

9 3) Refroidissement de l air sans déshumidification : Batterie froide sèche BF s eau NTR ORTI AU e eau Représentation : Diagramme Psychrométrique oit : un air ( ; HR ) refroidi jusqu'à ( ; HR ) et > rosée r ge/kgas h a ortie ; HR qm A = Constante ntrée ; HR ( ; HR ) Représentation schématique ( ; HR ) Principe Un air soumis à un refroidissement simple est un air qui subit : - Modification de la température sèche : s - Pas de modification de la teneur en humidité : r = Cte h a > Technologie h G HR % HR % r = r = r G HR < HR r = r Les batteries utilisées sont appelées «Batteries froides sèches BF» au glacée / Air : Ces échangeurs, destinés à refroidir l air, sont de type à ailettes L eau glacée, qui refroidit l air, est produite par un évaporateur rosée C Fluide frigorigène / Air : L air est refroidi directement par l évaporateur d une machine frigorifique. On parle alors de BF à «détente directe» oit ms = Température moyenne de surface de la batterie Batterie froide à eau glacée : ms = C Batterie froide à fluide frigorigène : ms = à 5 C i ms < rosée : Condensation sur la batterie!! On note : 0 la température d évaporation du fluide frigorigène dans l évaporateur en C Détermination des caractéristiques de la batterie froide BF ( ; HR ) ( ; HR ) 1) Puissance Côté en kw PBF / air = qm A ( h a - h a ) < 0 qm A = débit massique d air sec en kg as /s c as = capacité thermique massique de l air sec en kj/kg.k h a = enthalpie massique spécifique de l air entrant en h a = enthalpie massique spécifique de l air sortant en 2) Puissance Côté Fluide econdaire en kw PBF / eau = qm e c e e qm e = débit massique d eau en kg/s c e = capacité thermique massique de l eau en kj/kg.k e = écart de température sur l eau en C Côté Application Côté Fluide econdaire (au, ) Déterminer les puissances côté Air et au d une batterie froide de CTA dont les caractéristiques sont les suivantes : Air : ( a = 30 C ; HR a = 30%) et ( a = 15 C ; HR a =?) avec qm A = 1,2 kg as /s au : Régime d eau : 17/22 C qv e = 2,50 m 3 /h TH =? % C HR % r g e /kg as h v m 3 /kg as ,91 50,16 0, ,65 7,91 34,93 0,827 G 10, ,91 30,4 0,814 3) fficacité d une batterie froide : BF On appelle efficacité de la batterie, le rapport de l évolution réelle à celle que l on obtiendrait avec une surface d échange infinie. 1) Puissance absorbée sur l Air PBF / air = qm A ( h a - h a ) = 1,2 (34,93 50,16) PBF / air = -18,18 kw 2) Puissance récupérée par l eau PBF / eau = qm e c e e = (2,5/3600) ,18 5 PBF / eau = 14,51 kw Module.1.4 Page 9

10 BF = ( h a h a ) / ( h a - h G ) 3) fficacité de la batterie froide : BF =( h a h a ) / ( h a - h G ) = (50,16 34,93)/(50,16 30,40) = 0,77 h a = enthalpie massique spécifique de l air entrant en kj/kgas h a h G = enthalpie massique spécifique de l air sortant en kj/kgas = enthalpie massique spécifique de l air en G en kj/kgas Température moyenne de surface : ms = 19,5 C Température de rosée de l air entrant : rosée =10,54 C Condensation : Oui Non Module.1.4 Page 10

11 4) Refroidissement de l air avec Déshumidification : Batterie Froide Humide BFH Représentation : Diagramme Psychrométrique oit : un air ( ; HR ) refroidi jusqu'à ( ; HR ) et < rosée r ge/kgas ( ; HR ) Représentation schématique ( ; HR ) s eau NTR ORTI AU e eau h h a G h a h x HR % HR % x r a r a r G C ortie ; HR qm A = Constante < HR > HR ntrée ; HR r = (r - r = Quantité r ) d eau piégée ur la batterie froide Principe Un air soumis à une déshumidification par batterie froide est un air qui subit : - Modification de la température sèche : - Modification de la teneur en humidité : r Technologie Les batteries utilisées sont appelées Batteries froides humides BFH C est une des transformations les plus importantes en climatisation puisqu il s agit de refroidir de l air mais également d abaisser sa teneur en humidité. Pour cela, on met l air en contact avec une surface dont la température est inférieure à sa température de rosée : ms < rosée lles sont identiques à celles utilisées en refroidissement simple si ce n est l ajout d un bac à condensats et d un dispositif d évacuation des condensats. oit G = Point de rosée apparent de la Batterie ou ATP oit ms = Température moyenne de surface de la batterie < rosée ms > 5 C pour éviter le givrage des ailettes ms rosée valuation de ms Batterie froide à eau glacée : ms = (Te+Ts)/2 Batterie froide à fluide frigorigène : ms = à 5 C Détermination des caractéristiques de la batterie froide humide : BFH 1) Puissance totale Côté en kw PBFH / air = qm A ( h a - h a ) < 0 qm A = débit massique d air sec en kg as /s h a = enthalpie massique spécifique de l air entrant en h a = enthalpie massique spécifique de l air sortant en a) Puissance ensible en kw b) Puissance Latente en kw P sens/air = qm as ( h a h x ) P Lat/air = qm as ( h x h a ) 3) Débit de déshumidification qm déshum BFH / air = qm A ( r a - r a ) < 0 ( ; HR ) 2) Puissance Côté Fluide econdaire en kw PBFH / eau = qm e c e e PBFH / eau = PBFH / air / TH qm e = débit massique d eau en kg/s c e = capacité thermique massique de l eau en kj/kg.k e = écart de température sur l eau en C TH = rendement thermique de BFH [sans unité] ( ; HR ) Bac Condensats condensée Côté Application Côté Fluide econdaire Déterminer les puissances côté Air et au d une batterie froide de CTA dont les caractéristiques sont les suivantes : Air : ( a = 30 C ; HR a = 40%) et ( a = 14 C ; HR a = 80%) avec qm A = 1,2 kgas/s au : Régime d eau : 7/12 C qv e = 6,0 m 3 /h TH =? % C HR % r g e /kg as h v m 3 /kg as au , ,873 e 7 C , ,824 s 12 C G 9, , ,810 ms 9,50 C 4) fficacité et Facteur de Bipass d une batterie froide : BFH et BFP On appelle efficacité de la batterie, le rapport de l évolution réelle à celle que l on obtiendrait avec une surface d échange infinie. fficacité de la BFH BFH = ( h a h a ) / ( h a - h G ) Facteur de bipasse Le facteur de bipasse BPF ou by-pass factor Puissances absorbées sur l Air 1) Totale a) ensible b) Latente PBFH / air = -27,60 kw P sens/air = -19,20 kw P Lat/air = -8,40 kw 2) Puissance récupérée par l eau PBFH / eau = 34,83kW Rendement Thermique : TH = 0,79 Module.1.4 Page 11

12 BFH = ( r a r a ) / ( r a - r G ) = ( a a ) / ( a - ms ) h a, h a = enthalpie massique spécifique de l air entrant et sortant en kj/kgas h G = enthalpie massique spécifique de l air en G en kj/kgas représente le pourcentage d air non modifié au passage sur la batterie. BFP = 1 - BFH 3) Débit de déshumidification : qm déshum BFH / air = 1,2 (7,95 10,59) = -11,405 kg eau /h 4) fficacité de la batterie froide : BFH = 0,793 BFP = 0,207 Module.1.4 Page 12