STA - ABC CLIM : Formation métiers du froid et de la ...

Module EE.1.4

Théorie

CLIMATISATION DE CONFORT

PSYCHROMETRIE

EVOLUTIONS FONDAMENTALES

Définitions

Détermination des débits d’air neuf et soufflage

Etude des évolutions fondamentales de l’air : Mélange, Chauffage, Refroidissement

Déshumidification – Humidification

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

Fig 1 : Dénominations

avec : STA = Système de Traitement d’Air

LC = Local Climatisé

AN = Air Neuf

AE = Air Extrait

AR = Air Repris

ARC = Air Recyclé

AM = Air Mélangé (dans un caisson de mélange)

AS = Air Soufflé

AI = Air Intérieur

VS = Ventilateur de Soufflage

VR = Ventilateur de Reprise

STA VR

LC

AS

AI

AI - HRAI

AN

e - HRe

VS

AE

i - HRi

AR Point de soufflage AS

AS - HRAS

Module EE.1.4

La fonction première d’un STA – Système de Traitement d’Air – consiste en l’obtention des conditions de

soufflage (débit spécifique de soufflage qmAS et point de soufflage AS), 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 (STA) 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 AS.

A chaque composant du STA 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 Extraction et Soufflage

Autre disposition : Doc GEA HAPPEL

Module EE.1.4

1. Etude des conditions de Soufflage 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 DE CHARGES CLIMATIQUES » 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 « qmas en kgas/s », de température « AS en

°C » et d’humidité « rAS en kgeau/kgas » de l’air soufflé.

C’est l’Air Soufflé 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 NEGATIVEMENT

- Qu’un apport de chaleur et/ou d’humidité de l’air d’un local sera compté POSITIVEMENT

On définit : H0 : CHARGES GLOBALES ou CHARGES ENTHALPIQUES en kW

Composé de H0 = CHARGES SENSIBLES + CHARGES LATENTES

A noter : CHARGES THERMIQUES OU CHARGES SENSIBLES : HSENS

modifient les caractéristiques thermométriques :

ne modifient pas les caractéristiques hydriques : r

CHARGES D’HUMIDITE OU CHARGES LATENTES : HLAT

ne modifient pas les caractéristiques thermométriques :

modifient les caractéristiques hydriques : r

HO M

(APPORT OU EXTRACTION)

LOCAL

QmAS

hAS

rAS

QmAE

hAI

rAI

AIR

SOUFFLE

AIR

EXTRAIT

AS

AI

Module EE.1.4

H0 = HSENS + HLAT

Avec :

HSENS = qmAS x Cas x ( AI - AS )

HLAT = qmAS x Lv x ( rAI - rAS ) = M x Lv

où Lv() = 2490 - 2,226 : enthalpie latente de vaporisation de l’eau

et M = qmAS x ( rAI – rAS ) en kgeau/s

et : H0 = qmAS x ( hAI - hAS )

Si :

HSENS > 0 : S =( AI - AS )> 0 AS < AI : AIR SOUFFLE PLUS FROID

HSENS < 0 : S =( AI - AS )< 0 AS > AI : AIR SOUFFLE PLUS CHAUD

M > 0 : rS =( rAI - rAS )> 0 rAI > rAS : AIR SOUFFLE PLUS SEC

M < 0 : rS =( rAI - rAS )< 0 rAI < rAS : AIR SOUFFLE PLUS HUMIDE

EVOLUTIONS FONDAMENTALES

Après avoir défini les débits d’Air Hygiénique et de Soufflage nécessaire aux locaux climatisés, il s’agit

maintenant de définir l’évolution de l’air dans le Système 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 EE.1.4

1) MELANGE DE DEUX AIRS

Représentation : Diagramme Psychrométrique

Soit : un air ARC (ARC ; HRARC) mélangé à un air AN (AN ; HRAN)

Représentation schématique

Objectifs

Afin de réduire les frais d’exploitation d’une installation, on procède très souvent, lorsque cela est

autorisé, au MELANGE DE L’AIR RECYCLE aux conditions (, HR) de l’AIR REPRIS ET DE L’AIR NEUF ; on

parle aussi de fonction QUALITE D’AIR.

La régulation est assurée par :

Des registres motorisés ou non placés sur les arrivées AN et ARC

Des registres motorisés ou non placés sur les arrivées AN et ARC et départ AE

Détermination du point de mélange

Méthode des Bilans Energétiques Application

L’enthalpie du mélange est la somme des enthalpies

apportées par AN et ARC

On peut donc écrire :

( qmAN + qmARC ) hAM = qmAN hAN + qmARC hARC

hAM=(qmAN hAN + qmARC hARC) / (qmAN + qmARC)

La masse d’humidité du mélange est la somme des masses

d’humidité apportées par AN et ARC

On peut donc écrire :

( qmAN + qmARC ) rAM = qmAN rAN + qmARC rARC

rAM=(qmAN rAN + qmARC rARC) / (qmAN + qmARC)

Déterminer les caractéristiques hM et rM d’un mélange de deux airs (AM) dont les caractéristiques sont les suivantes :

- air AR (AR = 20°C ; HRAR = 50%)

- air AN (AN = 0°C ; HRAN = 80%) qmAN = 0,5 kgas/s et qmAS = 1,2 kgas/s

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 !

AN = 0,417 qmAN = 0,50

ARC = 0,583 qmARC = 1,2 – 0,50 = 0,70

°C HR % r ge/kgas h kJ/kgas v m3/kgas

AN 0 80 3,01 7,5 0,777

ARC 20 50 7,26 38,35 0,840

AM 11,7 64,48 5,49 25,50 0,814

Caractéristiques du point M

hAM=(qmAN hAN + qmARC hARC) / (qmAN + qmARC)

hAM=(0,5 7,5 + 0,7 38,35) / (1,2)

rAM=(qmAN rAN + qmARC rARC) / (qmAN + qmARC)

rAM=(0,5 3,01 + 0,7 7,26) / (1,2)

hAM =25,50 kJ/kgas AM =11,7°C

rAM =5,49 ge/kgas HRAM = 64,48%

Taux d’AN : AN Taux d’ARC : ARC

ARCANASoufflé qm qm qm

qm

qm

ASoufflé

ANAN 1 ARCAN

qm

qm

ASoufflé

ARCARC

XAM=AN XAN + ARC XARC

X représente : , r, h, v

AE AE

AR

ARC ARC

AR

AM AM

AR

AE AN

AM

3. Air Recyclé : ARC

°C

AM

ARC

AN

r

ge/kgas

AN

AM

ZONE DE BROUILLARD

A PROSCRIRE !

ARC

rAM

rAN

rARC

hARC

hAM

hAN

qmAN

qmARC

qmAM

qmAE

AR

AR ;

HRAR

AN

AN ;

HRAR

AM

M ; HRM

AE

AR ;

HRAR

ARC

ARC

AR ;

HRAR

qmAR

qmAS = qmAN + qmARC

qmAR = qmAE + qmARC

AM

M ; HRM ARC

ARC

HRARC

AN

AN

HRAN

AR

AR

HRAR

AE

AR

HRAR

AN AN

Module EE.1.4

(Relation NON VALABLE pour HR !)

Module EE.1.4

2) Chauffage de l’air : Batterie Chaude BC


Soit : un air E (E ; HRE) chauffé jusqu'à S (S ; HRS)


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

Les batteries utilisées sont appelées « Batteries chaudes BC »

Ces échangeurs, destinés à chauffer l’air, peuvent être de type :

- à ailettes Eau 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

1) Puissance Côté AIR en kW

PBC/ air = qmAS ( hSa – hEa )

avec :

qmAS = débit massique d’air sec en kgas/s

cas = capacité thermique massique de l’air sec en kJ/kg.K

hEa = enthalpie massique spécifique de l’air entrant en

kJ/kgas

hSa = enthalpie massique spécifique de l’air sortant en

kJ/kgas

2) Puissance Côté Fluide Secondaire en kW

PBC/ eau = qme ce e

PBC/ eau = PBC/ air / TH

avec :

qme = débit massique d’eau en kg/s

ce = 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

Application

Côté AIR Côté Fluide Secondaire

Déterminer les puissances côté Air et Eau d’une batterie chaude de CTA dont les caractéristiques sont les suivantes :

Air : E (Ea= 12°C ; HREa = 70%) et S (Sa= 26°C ; HRSa = ??%) avec qmAS = 1,2 kgas/s

Eau : Régime : 40/30°C qve = 1,5

m3/h TH= ? %


E 12 70 6,08 27,29 0,816

S 26 29,2 6,08 41,46 0,856

3) Efficacité d’une batterie chaude : BC

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 = ( hSa - hEa ) / ( hEe - hEa )

avec : hEa = enthalpie massique spécifique de l’air entrant en kJ/kgas

1) Puissance fournie sur l’Air

PBC/ air = qmAS ( hSa – hEa ) = 1,2 * (41,46 -27,29)

PBC/ air = 17 kW

2) Puissance perdue par le secondaire

PBC/ eau = qme ce e = 1000 * (1,5/3600)* 4,18 *

10

PBC/ eau = 17,4 kW

Rendement Thermique : TH = 17/17,4 = 0,977 soit 97,7 %

Entrée

AIR E ; HRE

E (E ; HRE)

S (S ; HRS)

E (E ; HRE)

S (S ; HRS)

°C

E

r

ge/kgas

S rE = rS

HRE % HRS %

E S

Sortie

AIR S ; HRS

E < S

HRE > HRS

rE = rS

qmAS = Constante

ENTREE

SORTIE

EAU

e eau

s eau

hEa

hSa

h

kJ/kgas

Module EE.1.4

hSa = enthalpie massique spécifique de l’air sortant en kJ/kgas

hEe = enthalpie massique spécifique de l’eau à l’entrée de la BC (lue sur diagramme pour HR= 100% et = eau) 3) Efficacité de la batterie chaude : BC = ( hSa - hEa ) / ( hEe - hEa ) = (41,46 – 27,29) / (165,35 – 27,29)

BC = 0,10 Soit 10%

Module EE.1.4

3) Refroidissement de l’air sans déshumidification : Batterie froide sèche BFS


Soit : un air E (E ; HRE) refroidi jusqu'à S (S ; HRS) et S > rosée


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

Technologie

Les batteries utilisées sont appelées « Batteries froides sèches BFS »

Eau 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

Fluide frigorigène / Air :

L’air est refroidi directement par l’évaporateur d’une machine frigorifique. On parle alors de BFS à « détente

directe »

Détermination des caractéristiques de la batterie

froide BFS

1) Puissance Côté AIR en kW

PBFS/ air = qmAS ( hSa - hEa ) < 0

avec :


cas = capacité thermique massique de l’air sec en kJ/kg.K


kJ/kgas


kJ/kgas


PBFS/ eau = qme ce e

avec :




Application

Côté AIR Côté Fluide Secondaire (Eau, …)

Déterminer les puissances côté Air et Eau d’une batterie froide de CTA dont les caractéristiques sont les suivantes :

Air : E (Ea= 30°C ; HREa = 30%) et S (Sa= 15°C ; HRSa = ?) avec qmAS = 1,2 kgas/s

Eau : Régime d’eau : 17/22°C qve = 2,50 m3/h TH= ? %


E 30 30 7,91 50,16 0,870

S 15 74,65 7,91 34,93 0,827

G 10,54 100 7,91 30,4 0,814

3) Efficacité d’une batterie froide : BFS

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

PBFS/ air = qmAS ( hSa - hEa) = 1,2 (34,93 – 50,16)

PBFS/ air = -18,18 kW

2) Puissance récupérée par l’eau

PBFS/ eau = qme ce e = (2,5/3600) 1000 4,18

5

PBFS/ eau = 14,51 kW

Sortie

AIR S ; HRS

E (E ; HRE)

S (S ; HRS)

E (E ; HRE)

S (S ; HRS)

°C

E

r

ge/kgas

S rE = rS = rG

HRS % HRE %

S E rosée

G

Entrée

AIR E ; HRE

E > S

HRE < HRS

rE = rS

qmAS = Constante

ENTREE

SORTIE

EAU

Soit ms = Température moyenne de surface de la batterie

Batterie froide à eau glacée : ms = 0 + 8°C

Batterie froide à fluide frigorigène : ms = 0 + 3 à 5°C

Si ms < rosée : Condensation sur la batterie !!

On note : 0 la température d’évaporation du

fluide

frigorigène dans l’évaporateur en °C

s eau

e eau

h

kJ/kgas

hEa

hSa

Module EE.1.4

BFS = ( hEa – hSa ) / ( hEa - hG )

avec : hEa = enthalpie massique spécifique de l’air entrant en kJ/kgas

hSa = enthalpie massique spécifique de l’air sortant en kJ/kgas

hG = enthalpie massique spécifique de l’air en G en kJ/kgas

3) Efficacité de la batterie froide : BFS =( hEa – hSa ) / ( hEa - hG ) = (50,16 – 34,93)/(50,16 –

30,40) = 0,77

Température moyenne de surface : ms = 19,5°C

Température de rosée de l’air entrant : rosée =10,54 °C Condensation : Oui Non

Module EE.1.4

4) Refroidissement de l’air avec Déshumidification : Batterie Froide Humide BFH


Soit : un air E (E ; HRE) refroidi jusqu'à S (S ; HRS) et S < E rosée


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 < E rosée

Elles 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.

Détermination des caractéristiques de la batterie

froide humide : BFH

1) Puissance totale Côté AIR en kW

PBFH/ air = qmAS ( hSa - hEa ) < 0

avec :



kJ/kgas


kJ/kgas


PBFH/ eau = qme ce e

PBFH/ eau = PBFH/ air / TH

avec :




TH = rendement thermique de BFH [sans unité]

Application

Côté AIR Côté Fluide Secondaire

Déterminer les puissances côté Air et Eau d’une batterie froide de CTA dont les caractéristiques sont les suivantes :

Air : E (Ea= 30°C ; HREa = 40%) et S (Sa= 14°C ; HRSa = 80%) avec qmAS = 1,2 kgas/s

Eau : Régime d’eau : 7/12°C qve = 6,0 m3/h TH= ? %

°C HR % r ge/kgas h kJ/kgas v m3

/kgas Eau

E 30 40 10,59 57 0,873 e 7°C

S 14 80 7,95 34 0,824 s 12°C

G 9,50 100 7,37 28 0,810 ms 9,50°C

a) Puissance Sensible en kW b) Puissance Latente en

kW

Psens/air = qmas ( hSa – hx ) PLat/air = qmas ( hx – hEa )

3) Débit de déshumidification

qmdéshum BFH/ air = qmAS ( rSa - rEa ) < 0

4) Efficacité 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.

Puissances absorbées sur l’Air

1) Totale a) Sensible b) Latente

Efficacité de la BFH

BFH = ( hEa – hSa ) / ( hEa - hG )

Facteur de bipasse

Le facteur de bipasse BPF ou by-pass factor

PBFH/ air = -27,60 kW Psens/air = -19,20 kW PLat/air = -8,40 kW

2) Puissance récupérée par l’eau PBFH/ eau = 34,83kW Rendement Thermique : TH = 0,79

Sortie

AIR S ; HRS

E (E ; HRE)

S (S ; HRS)

E (E ; HRE)

S (S ; HRS)

°C

E ms

Entrée

AIR E ; HRE

S < E

HRS > HRE

r = (rE -

rS)

qmAS = Constante

ENTREE

SORTIE

EAU

Soit G = Point de rosée apparent de la Batterie ou ATP

Soit ms = Température moyenne de surface de la batterie < E rosée

ms > 5°C pour éviter le givrage des ailettes

S

E

r

ge/kgas

S rSa

HRS %

HRE % rEa

rG

x G h

kJ/kgas

hSa

hx

hEa

E rosée Evaluation de ms

Batterie froide à eau glacée : ms = (Te+Ts)/2

Batterie froide à fluide frigorigène : ms = 0 + 3 à 5°C

s eau

e eau

r = Quantité d’eau piégée

Sur la batterie froide

Bac

Condensats

condensée

Module EE.1.4

BFH = ( rEa – rSa ) / ( rEa - rG ) = ( Ea – Sa ) / ( Ea - ms )

hEa, hSa = enthalpie massique spécifique de l’air entrant et sortant en kJ/kgas

hG = 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 : qmdéshum BFH/ air = 1,2 (7,95 – 10,59) 1E-3

3600 = -11,405 kgeau/h

4) Efficacité de la batterie froide : BFH = 0,793 BFP = 0,207

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