Concevoir une climatisation dans le diagramme h-x : pas à pas

Toute conception de climatisation commence par deux questions : quelles sont les conditions d’entrée (air extérieur, charges intérieures) et quelles sont les conditions de sortie souhaitées (température et humidité du local) ? Le diagramme h-x visualise ces conditions, permet de choisir la bonne séquence de procédés (refroidissement, mélange, chauffage, humidification) et de calculer la puissance de chaque composant. Cet article déroule la démarche de façon simplifiée sur un exemple : un bureau de 100 personnes à Prague, en régime estival, sans récupération de chaleur.

Étape 1 : définir les conditions de base

Air extérieur — conditions de base estivales

Les conditions de base se tirent des données climatiques, pas de l’intuition. L’ASHRAE Climatic Design Data donne, pour chaque site, les valeurs correspondant à un dépassement de 0,4 %, 1 % ou 2 % par an. Pour Prague, les conditions estivales de base sont d’environ 32 °C (température sèche) à φ = 40 % — dans le diagramme h-x, cela correspond à l’état $h = 63\ \text{kJ/kg}$, $x = 11{,}9\ \text{g/kg}$, température humide d’environ 21 °C.

Conditions intérieures de base

Les conditions souhaitées découlent des normes de confort thermique. L’ASHRAE Standard 55 et la NF EN 16798-1 définissent pour les bureaux typiquement 24–26 °C / φ 40–60 %. Nous choisissons 25 °C / φ = 50 % — enthalpie d’environ $50\ \text{kJ/kg}$, teneur en eau $10\ \text{g/kg}$.

Étape 2 : calculer les charges intérieures thermique et hydrique

• Chaleur sensible : occupants (100 × 65 W = 6,5 kW) + éclairage + informatique + apports solaires. Au total, pour l’exemple, une somme de 30–40 kW.
• Chaleur latente : évaporation de la sueur (100 × 55 W = 5,5 kW) + humidité issue des matériaux de construction. Au total, pour l’exemple, une somme de 6–8 kW.

Le rapport entre charge sensible et charge totale (SHR, sensible heat ratio) indique la pente de la droite d’état du local dans le diagramme. Pour notre bureau, $\text{SHR}=0{,}82$.

Étape 3 : tracer l’état du local et de l’air soufflé

L’état de l’air intérieur (25 °C / 50 % HR) est le point de départ. De là, on trace la droite de charge dans la direction donnée par le SHR — elle montre comment l’état de l’air évolue en absorbant les charges thermique et hydrique. L’air soufflé doit se situer sur cette droite, généralement à une température de 14–16 °C. Une température de soufflage plus basse implique un débit plus faible mais un risque de courant d’air plus élevé ; à l’inverse, une température plus haute exige un débit plus grand.

Étape 4 : mélange de l’air extérieur et de l’air recirculé

Le système introduit une part d’air neuf extérieur (minimum hygiénique selon la NF EN 16798-1, resp. le Code du travail, art. R4222) et recircule le reste. Supposons 30 % d’air extérieur et 70 % d’air recirculé. L’état résultant du mélange se situe sur la droite reliant l’état extérieur et l’état intérieur, à une distance de 30 % du point intérieur (donc 70 % du point extérieur — plus près de la fraction massique la plus grande, la recirculation) — soit environ 27 °C / φ = 47 %, $h = 54\ \text{kJ/kg}$.

Étape 5 : refroidir et déshumidifier jusqu’à l’état de l’air soufflé

On refroidit le mélange jusqu’à l’état d’air soufflé voulu (14–16 °C). L’air condense au passage l’humidité excédentaire. De façon simplifiée (cas idéal, sans facteur de contournement), la ligne descend d’abord verticalement (refroidissement sensible) jusqu’au point de rosée, puis longe la courbe de saturation vers le bas et la gauche (déshumidification) — une batterie froide réelle tend en fait vers le point de rosée de l’appareil (ADP), et l’air soufflé n’atteint jamais tout à fait la courbe de saturation ; l’ampleur de l’écart s’exprime par le facteur de contournement (bypass factor).

$$P_{\text{froid}} = \dot{m} \cdot (h_{\text{mélange}} - h_{\text{soufflage}})$$

L’écart d’enthalpie est d’environ $54 - 34 = 20\ \text{kJ/kg}$. Pour un débit de $4\ \text{kg/s}$, on obtient $P_{\text{froid}} = 80\ \text{kW}$ (dont une part revient à la charge apportée par l’air neuf extérieur, au-delà de la charge propre du local calculée à l’étape 2).

Étape 6 : post-chauffage et choix des composants

Si l’air soufflé après refroidissement est trop froid ou trop humide (φ > 95 %), on ajoute un post-chauffage — dans le diagramme, une ligne verticale vers le haut (x constant, t augmente). À partir des écarts d’enthalpie et des débits, on choisit ensuite la puissance de la batterie froide, des batteries chaudes, le débit de fluide caloporteur et la puissance d’humidification pour le régime hivernal. Chaque valeur a un équivalent visuel direct dans le diagramme h-x.

Régime hivernal : autre diagramme, même logique

En hiver, l’air extérieur est froid et sec, et le local doit être chauffé et humidifié. Les conditions de base pour Prague sont d’environ −12 °C / φ = 80 % (conformément à la NF EN 12831-1). L’air extérieur a une teneur en eau extrêmement faible ($x \approx 1{,}1\text{–}1{,}2\ \text{g/kg}$), et son humidité relative, après chauffage à 22 °C, tombe à seulement 7 %. Une récupération de chaleur avec transfert d’humidité (échangeur enthalpique) peut atténuer en partie la situation. L’humidification reste néanmoins, pour atteindre des conditions idéales en hiver, pratiquement indispensable dans tout bâtiment à ventilation mécanique.

L’itération de conception est fastidieuse sur le papier. Dans PsychroView, vous saisissez l’état de l’air extérieur et intérieur, réglez le taux de recirculation et voyez immédiatement l’état du mélange, le déroulement du refroidissement et les puissances résultantes — modifier un paramètre se répercute aussitôt sur tout le schéma.

Questions fréquentes

Pourquoi la puissance froide se calcule-t-elle à partir de l’enthalpie, et non de la température ? La batterie froide évacue de la chaleur sensible et de la chaleur latente. L’écart de température ne capte que la part sensible ; la chaleur de la vapeur qui se condense n’apparaît que dans l’écart d’enthalpie. Dimensionner sur la seule température conduit à une batterie durablement sous-dimensionnée.

Où se situe l’état du mélange air extérieur / air recirculé dans le diagramme ? Sur le segment entre les deux états, à la position donnée par le rapport des débits — plus près de l’état ayant la plus grande fraction massique. Avec 30 % d’air extérieur et 70 % de recirculation, le mélange est à 30 % du point intérieur (70 % du point extérieur).

Où trouver les conditions de base de l’air extérieur pour mon site ? Dans les bases de données climatiques (ASHRAE Climatic Design Data, données Météo-France, éventuellement bases climatiques nationales), généralement comme valeur à 0,4 % de probabilité de dépassement annuel.