Les systèmes de climatisation couramment utilisés

^{Posté par GuidEnR le 26 mars 2015}

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Tableau comparatif synthétique

Système	Cout	Performance énergétique	Fluide frigorigène courant	Avantages	Inconvénients
Climatisation autonome Mono-bloc	200 €/kWElec	EERmax ≈ 4.5	R410A / R407C / R134A / R404A / R507	Faible cout Facilité de (dé)montage	Encombre la façade, notamment en cas de multiplicité d’appareils
Climatisation autonome Split System	250 €/kWElec	EERmax ≈ 4.5		Faible cout Facilité de (dé)montage La panne d’un split n’affecte pas les autres.	Encombre la façade, notamment en cas de multiplicité d’appareils
Climatisation autonome Armoire de climatisation	300 €/kWElec	EERmax ≈ 3.2		Faible cout Facilité de (dé)montage Récupération de chaleur facilement réalisable
Climatisation autonome Roof-Top	300 €/kWElec	EERmax ≈ 3.6		Faible cout Facilité de (dé)montage	Encombre la toiture
Climatisation centralisée Distribution par air froid	500 €/kWElec	EERmax ≈ 4.0		Faible quantité de fluide frigorigène Absence de réseaux d’évacuation des condensats Récupération de chaleur facilement réalisable	Traitement acoustique des réseaux aérauliques Encombrement des réseaux aérauliques
Climatisation centralisée Distribution par eau glacée	800 €/kWElec	EERmax ≈ 3.2		Faible quantité de fluide frigorigène. Récupération de chaleur facilement réalisable	Réseaux d’évacuation des condensats
Climatisation centralisée Distribution par eau glacée + stockage de glace	900 €/kWElec	EERmax ≈ 3.0		Faible quantité de fluide frigorigène. Récupération de chaleur facilement réalisable Permet d'optimiser les tarifs heures creuses / heures pleines Diminue la puissance du groupe froid	Réseaux d’évacuation des condensats Nécessite de prévoir un emplacement pour le stockage de glace
Climatisation centralisée Système DRV	600 €/kWElec	EERmax ≈ 4.2		Faible encombrement Réglage progressif selon les besoins Individualisation des ambiances	Quantité de fluide frigorigène importante en circulation dans les locaux Intervention de personnel spécialisé
Analyse de ces différents systèmes de climatisation

Principe de fonctionnement général

Bien qu’il existe de multiples principes physiques permettant de produire du froid, le procédé mécanique à compression de vapeur est aujourd’hui le plus répandu. Son principe consiste à exploiter les chaleurs latentes d’un fluide lors de ses changements de phase (liquide <=> gazeux). En effet :

• le passage de l’état liquide à l’état gazeux est une transformation endothermique (absorption de chaleur). Ainsi, lors de ce processus, on « créé du froid ».
• Le passage de l’état gazeux à l’état liquide est une transformation exothermique (production de chaleur). Ainsi, lors de ce processus, on créé du chaud.

On comprend alors que dans un système à compression de vapeur, on aura toujours, quelque soit la technologie, un élément qui produit du froid (c’est l’évaporateur) et un élément qui produit du chaud (c’est le condenseur).





Entre ces 2 éléments, on trouvera un système de compression et de détente afin d’ajuster la pression du fluide permettant les changements de phase vis-à-vis des conditions de température.

Finalement, un système à compression de vapeur ne « produit pas de froid », et il convient plutôt de dire qu’il effectue un transfert de chaleur entre 2 zones. C’est la raison pour laquelle le rendement de production de froid est supérieur à 1, alors que physiquement cela n’a pas de sens. On ne parlera donc pas de rendement, mais de « coefficient de performance » noté communément EER. Celui-ci est en général compris entre 2.4 et 4.5. Il est le rapport entre la puissance froid fournie et la puissance électrique consommée par le système de climatisation (mesuré dans des conditions standard de test).

EER = P_Froid / P_Electrique > 1

Les systèmes autonomes de climatisation

On parle de système autonome lorsque la batterie froide est parcourue directement par le fluide frigorigène. Dans cette configuration, la batterie froide constitue l’évaporateur : on parle alors également de « détente directe ».

De plus, les systèmes autonomes sont caractérisés par le fait que toutes les pièces constituantes le système sont entièrement montées d’usine, ce qui leur confèrent une préférence notable de la part des professionnels, car plus simple à mettre en œuvre (absence d’interaction avec d’autres corps d’état).

Les climatiseurs individuels

Les monoblocs fixes
Les monoblocs fixes regroupent les 2 unités, intérieures (évaporateur) et extérieures (condenseur), dans un seul corps. Les liaisons frigorifiques entre ces 2 unités sont quasi nulles.







Climatisation individuelle de type "split-system"
« Split » est un mot anglais qui signifie « diviser, séparer ». Il se distingue donc des climatiseurs monobloc par le fait que les unités intérieure (évaporateur) et extérieure (condenseur) sont séparés l’une de l’autre. Les avantages par rapport au climatiseur monobloc sont les suivants :

• La partie la plus bruyante, en l’occurrence l’unité extérieure (condenseur), peut être installée à un endroit spécifique.
• L’unité intérieure (évaporateur) peut être placée judicieusement à l’intérieur de la pièce afin d’améliorer la diffusion de l’air frais.
• Il est possible de raccorder jusqu’à 6 unités intérieures (évaporateurs) à l’unité extérieure (condenseur).

Les inconvénients par rapport au climatiseur monobloc sont les suivants :

• La quantité de fluide frigorigène est d’autant plus importante que les 2 unités sont éloignées.
• Le risque de fuite de fluide frigorigène est plus important, car les différents constituants (évaporateur, tuyauteries, condenseur) ne sont pas montés d’usine mais sur le site même.

Exemples

Les climatiseurs autonomes

Ce qu’on appelle « climatiseurs autonomes » sont des climatiseurs individuels monobloc à la différence qu’ils présentent une puissance frigorifique plus importante et disposent de fonctionnalités supplémentaires plus évoluées.

On distingue les armoires de climatisation et les unités dites « roof-top » (en toiture). Nous les présentons ci-après.

Les armoires de climatisation
Une armoire de climatisation est destinée à climatiser un seul local. Elle est utilisée pour des surfaces à climatiser allant 80 m² à 400 m² (en dessous de 80 m², on utilisera plutôt un climatiseur individuel) ou des locaux spécifiques nécessitant des conditions de température particulière (comme des locaux informatiques par exemple).

Ces unités étant spécifiquement dédié à la climatisation de locaux spécifique (ex : serveur informatique), elles sont situés à l’intérieur du local, et en conséquence, l’évacuation de la chaleur ne peut pas se faire via l’air environnant.

L’évacuation de la chaleur du condenseur est réalisée, sur la photographie ci-dessus, grâce à un raccordement d’eau. L’armoire doit donc être raccordée au réseau d’eau sanitaire. Dans ce dernier cas, l’eau chaude ainsi produite peut être intéressante du point de vue énergétique.

La puissance froid ne dépasse pas, en général, 40 kWf.



Les unités autonomes de toiture (roof-tops)


Les systèmes autonomes monobloc de toiture (roof-top) peut traiter un local allant jusqu’à 1 000 m², soit une puissance froid de l’ordre de 100 kWf.

L’usage privilégié est la climatisation d’un grand local tel qu’un atelier ou un supermarché.

Le système est déposé en toiture par une grue. Eventuellement, un réseau de gainages améliore la distribution homogène de l’air climatisé dans le local. L’évacuation de la chaleur du condenseur est effectuée par échange thermique avec l’air extérieur.

Exemple de roof-top

La climatisation centralisée

Les systèmes centralisés se composent de 3 parties distinctes :

• La production de froid, qui est appelée « groupe de production de froid » dans le jargon des frigoristes;
• La distribution du froid par l’intermédiaire d’un réseau et d’un fluide caloporteur ;
• La diffusion de l’air froid (à l’intérieur du local à climatiser);

On parle de climatisation « centralisée » car le système de production de froid est commun à l’ensemble des unités de diffusion de froid à l’intérieur des locaux à climatiser.

Notons que la climatisation centralisée est mise en œuvre pour des bâtiments de grandes surfaces plus ou moins complexes à traiter. De ce fait, les climatiseurs autonomes ne sont plus vraiment adaptés.

Climatisation centralisée	Unité autonome (voir § précédent)
Assemblage de 3 parties distinctes, ce qui permet de concevoir un réseau de climatisation adaptée au besoin du bâtiment	Entièrement monté d’usine. Ne permet pas de climatiser plusieurs pièces de façon optimale
Différences majeures entre les systèmes de climatisation centralisée et les systèmes autonomes

De nombreux types de matériels et de technologies peuvent se combiner pour former un vaste choix de systèmes, particulièrement adaptés au secteur des bâtiments tertiaires (bureaux, grands magasins, hôtels, etc.). On distingue les systèmes « tout air » et les systèmes « à eau ». Nous les présentons ci-après.

Les systèmes tout air

Dans ce procédé, l’air est refroidi grâce au système centralisé de production de froid situé dans un local technique aéré ou en toiture. C’est ce qu’on appelle le groupe de production de froid. L’évacuation de la chaleur du condenseur est donc effectuée par échange thermique avec l’air extérieur.

L’air refroidi est ensuite envoyé dans les pièces à climatiser à travers des gaines d’air frais (distribution).

On notera que l’air qui est refroidi par le groupe peut provenir :

• soit de l’environnement extérieur dans le cadre du renouvellement de l’air intérieur vicié,
• soit de l’environnement intérieur ; on parle alors d’ « air repris », ce qui permet de réaliser des économies d’énergie (car l’air extérieur est plus chaud que l’air repris).

Le principal inconvénient provient du fait que la consigne en température est ajustée au niveau de la centrale de production de froid. Les occupants ne peuvent pas maitriser la température de soufflage. Ils peuvent néanmoins jouer sur le débit d’air injecté, mais ce procédé ne permet pas un confort hygrothermique optimal.

En conséquence, ces systèmes sont mal adaptés au traitement d’un grand nombre de petits locaux ayant des besoins différents les uns des autres. Néanmoins, les systèmes centralisés tout air sont bien adaptés aux locaux :

• Dont les conditions d’ambiance sont dans une plage de tolérance étroite ;
• Qui ont un besoin important de renouvellement d’air. Dans ce cas, le système tout air s’adapte facilement à la centrale de traitement d’air.
• Qui font l’objet de charges thermiques élevées et variables comparées à celle du reste du bâtiment.

Avec une seule centrale par local, il convient pour les salles de sport, les restaurants, laboratoires, salles informatiques, salles de traitement thérapeutique en milieu hospitalier, salles de réunion à géométrie variables.

Les systèmes à eau

Dans un système de climatisation à eau, l’air du local est traité directement dans un appareil terminal (alors que pour les systèmes tout-air, l’air est refroidi au niveau du groupe de production de froid), qui est alimenté en froid par de l’eau qui assure le transfert entre les générateurs centralisés et les terminaux. Le bâtiment n’est donc plus parcouru par des conduits d’air, mais par des boucles d’eau froide, dont la température se situe entre 2°C et 7°C.



Avantages
L’eau transporte plus d’énergie que l’air, ce qui permet un encombrement du réseau de distribution (tuyauteries) moins important que les réseaux aérauliques. Egalement, les réseaux hydrauliques sont plus silencieux. La diffusion de l’air frais s’effectue par des ventilo-convecteurs ou par des cassettes en plafond. Les températures standard d’entrée/sortie des ventilo-convecteurs sont les suivantes : 7°C/12°C en mode climatisation pour une température ambiante de 27°C. Ceux-ci sont reliés au réseau d’eau froide et il est possible de régler (manuellement ou automatiquement) le débit d’eau froide, permettant ainsi de contrôler les conditions de confort à l’intérieur du local.

Inconvénients
Les principaux inconvénients proviennent des unités de diffusion de l’air (les ventilo convecteurs) :

• Il y a formation de condensat au niveau de chaque unité. Il convient donc de les évacuer via un réseau d’évacuation des condensats.
• La présence d’un ventilateur, permettant la circulation de l’air à travers le ventilo-convecteur, induit une consommation électrique non-négligeable (environ 50 W par unité).

Indépendamment de toute considération d’ordre technique, les systèmes alimentés par eau présentent un inconvénient : l’intervention de multiples fournisseurs, avec les risques que cela comporte (allongement des temps nécessaire à l’installation, mauvaise adéquation des composants).

Applications
Employés dans les limites de leurs performances de débits et de puissances, combinés avec des centrales d’air neuf, les ventilo-convecteurs sont bien adaptés aux locaux « divisés » : bureaux, salles de classe, chambres d’hôtel, salles informatiques.

Les unités semi-centralisées sur boucle d’eau
Il s’agit d’unités reliées entre elles par une boucle d’eau. Le froid n’est pas produit de façon centralisée, mais localement, grace à un petit groupe thermo-dynamique réversible incorporé à l’appareil de diffusion. En mode de refroidissement, les appareils cèdent les calories à la boucle et la réchauffent. La chaleur de la boucle est évacuée vers d’autres usages ou un aéroréfrigérant. Le système répond donc à 2 attentes :

• Personnalisation des ambiances.
• Grande flexibilité d’installation.

Les avantages :

• Le système répond bien à la rénovation de locaux pour lesquels il est souvent difficile de dégager le volume nécessaire à la centralisation de la production de froid. Il peut permettre une rénovation par zone tout en laissant les autres en activité.
• Sa souplesse d’utilisation le rend particulièrement adapté aux centres commerciaux où les boutiques sont livrés nues de tout traitement d’ambiance, mais à qui on peut offrir de se connecter sur la boucle.
• La décentralisation complète de la production frigorifique est également favorable pour des usages intermittents et très disparates d’un même établissement, ou pour des mises en services étalées dans le temps (locaux d’hébergement).

L’inconvénient :

• La régulation sur les unités à faibles puissance (fonctionnement en tout-ou-rien).

Exemple

Le stockage de glace

Principe de fonctionnement
La climatisation à eau, vue au paragraphe F.2, présente sur le plan thermique un avantage qui peut se révéler décisif dans le tertiaire : le stockage de froid. En effet, compte-tenu de la tarification d’EDF, il est plus intéressant de consommer l’électricité la nuit que le jour. L’énergie électrique est difficile à stocker, mais la glace si. Ainsi, la production de froid s’effectue la nuit, quand l’électricité est la moins chère. Elle est ensuite restituée le jour sur les appareils de climatisation.



On estime à 40% le gain envisageable sur la seule puissance installée.

Deux procédés sont envisageables :

• Le stockage d’eau froide (sous forme liquide) : cette technique est peu utilisée car elle requiert des volumes de stockage importants.
• Le stockage de glace : cette technique, plus complexe à mettre en œuvre, est beaucoup plus employée parce que moins volumineuse.

Dimensionnement
La capacité de stockage doit, au minimum, permettre d’arrêter totalement le groupe frigorifique pendant les heures de pointe. Suivant les besoins de climatisation, on pourra envisager :

• Une capacité d’appoint au groupe pendant les heures pleines.
• Le stockage total : le froid accumulé pendant les heures creuses couvre l’intégralité des besoins.

Les systèmes à débit de réfrigérant variable (DRV)

Ces systèmes utilisent directement le fluide frigorigène comme vecteur de froid dans les locaux. L’unité extérieure dessert plusieurs unités intérieures par l’intermédiaire d’une liaison frigorifique. Celles-ci contiennent donc du fluide frigorigène. En ce sens, sa réalisation devra être confiée à un professionnel spécialement formé à cet effet.



Le principal avantage est l’absence de fluide caloporteur, ce qui permet de s’exempter de quelques échangeurs de chaleurs. Par suite, le coefficient de performance est meilleur. Egalement, le coût est attrayant.

Par contre, les inconvénients majeurs sont les suivants :

• La quantité de fluide frigorigène est d’autant plus importante que les 2 unités sont éloignées.
• Le risque de fuite de fluide frigorigène est plus important, car les différents constituants (évaporateur, tuyauteries, condenseur) ne sont pas montés d’usine mais sur le site même.

Ce système permet de répondre de manière satisfaisante à la variation de charge de chaque local. Pour cette raison, il sera particulièrement apprécié dans les chambres d’hôtels et les immeubles de bureaux.

Exemples

Glossaire

Détente directe
Les systèmes de production de froid par détente direct se distinguent par le fait que la vaporisation du fluide frigorigène s’effectue directement au niveau de l’émetteur de froid. En conséquence, les réseaux hydrauliques de ces systèmes contiennent le fluide frigorigène.

Le groupe froid
On appelle « groupe froid » la machine centrale qui produit le froid. Ce froid est ensuit transporté (par des réseaux) puis distribué (par des émetteurs) à l’intérieur des pièces.

Batterie froide
La batterie froide est l’échangeur de chaleur qui permet de refroidir l’air d’un local.



Mono-split / Multi-split
Tout système de climatisation se compose au minimum d’une unité extérieure, produisant le chaud ou le froid, et d’une unité intérieure de diffusion. Un mono-split désigne l’ensemble composé d’une unité intérieure et d’une unité extérieure. Il permet de climatiser une pièce d’appartement ou une petite surface. Il devient multi-split quand l’unité extérieure est reliée à plusieurs unités intérieures (jusqu’à 5), si l’on veut par exemple climatiser plusieurs pièces d’un grand appartement ou d’une maison.

Technologies inverter
Parmi les modèles énergétiquement performants, on notera le système “Inverter” qui, à la différence des climatiseurs individuels fontionnant en tout ou rien, adapte sa puissance de fonctionnement par rapport à la température souhaitée (moteur à fréquence variable). La puissance appelée est alors plus importante en début de cycle, permettant d’atteindre rapidement la température souhaitée pour passer ensuite en vitesse de croisière et maintenir la température avec précision et une consommation électrique plus faible.

British Thermal Unit (BTU)
Unité anglo-saxonne d'énergie définie par la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'une livre anglaise d'eau d'un degré °F à la pression constante d'une atmosphère. Cette mesure est couramment utilisée pour les appareils de climatisation de petite puissance. Ratio de dimensionnement pour la climatisation des locaux : 800 BTU/h par m² de surface climatisée. 1 Wf = 3.413 BTU/h

Aéroréfrigérant
Un aéroréfrigérant est un dispositif permettant de transférer de l'énergie thermique du fluide interne vers l'air extérieur.