Procédés de l'air humide dans le diagramme h-x : chauffage, froid, humidification

Le diagramme h-x représente chaque état de l’air humide par un point et chaque procédé thermodynamique par une ligne. Il existe quatre procédés de base qui constituent les briques de tout système de traitement d’air — chauffage, refroidissement, humidification et séchage. Chacun a une allure différente dans le diagramme, modifie des grandeurs différentes et présente des besoins énergétiques différents. Leur combinaison décrit même les schémas de climatisation les plus complexes.

Chauffage : le procédé le plus simple du diagramme

Le chauffage par batterie chaude (résistance électrique, échangeur à eau chaude ou à vapeur) est, dans le diagramme h-x, une ligne verticale vers le haut. La température augmente, l’enthalpie augmente, mais la teneur en eau $x$ reste constante — on n’ajoute ni ne retire d’eau à l’air. Il en résulte une baisse de l’humidité relative, car la capacité maximale de l’air en vapeur croît avec la température et l’air s’éloigne de la courbe de saturation. Le choix du type de chauffage découle des sources de chaleur disponibles.

Puissance de la batterie chaude :

$$P = \dot{m} \cdot c_{pa} \cdot \Delta t \quad \text{[kW]}$$

où $\dot{m}$ est le débit massique [kg/s], $c_{pa} = 1{,}006\ \text{kJ/(kg·K)}$ et $\Delta t$ l’écart de température [K]. Plus précisément, la puissance correspond à l’écart d’enthalpie $P = \dot{m} \cdot \Delta h$.

Applications typiques : préchauffage de l’air neuf soufflé en hiver, post-chauffage en aval de la batterie froide en été.

Refroidissement : tout dépend d’où l’on part

Le refroidissement n’est pas le simple inverse du chauffage — le résultat dépend de si la température descend au-dessus ou en dessous du point de rosée.

Refroidissement au-dessus du point de rosée (refroidissement sensible)

Si la température ne descend pas sous le point de rosée, il s’agit de refroidissement sensible. Dans le diagramme, une ligne verticale vers le bas : la température baisse, $x$ reste constant, l’humidité relative augmente (on se rapproche de la courbe de saturation). Aucune condensation, aucune extraction d’humidité.

Refroidissement sous le point de rosée (refroidissement avec déshumidification)

Dès que la température atteint le point de rosée, la condensation commence. L’air continue de se refroidir le long de la courbe de saturation ($\varphi = 100\ \%$) — température et teneur en eau $x$ diminuent toutes deux. Le condensat s’écoule de la batterie sous forme d’eau. C’est exactement ainsi que fonctionne une climatisation classique en été.

La puissance de la batterie froide comprend les parts sensible et latente ; la grandeur pertinente est donc l’enthalpie, et non la température :

$$P = \dot{m} \cdot (h_1 - h_2) \quad \text{[kW]}$$

Humidification : deux voies vers le même résultat

Humidification isotherme (humidificateur à vapeur)

Apport de vapeur d’eau à température constante : dans le diagramme, une ligne horizontale vers la droite : $x$ augmente, la température reste à peu près constante, l’enthalpie augmente. Les humidificateurs à vapeur électriques ou à gaz sont plus gourmands en énergie, mais leur contrôle est précis. Ils conviennent aux installations exigeant une propreté, une hygiène et une précision élevées.

Humidification adiabatique (humidificateurs à eau)

Évaporation d’eau liquide dans l’air sans apport de chaleur extérieur : l’air se déplace le long de la ligne d’enthalpie constante (obliquement vers la droite et le bas) : la température baisse, l’humidité augmente, l’enthalpie reste quasi constante. C’est ainsi que fonctionnent le refroidissement adiabatique et le brumisateur à ultrasons. L’énergie d’évaporation provient de la chaleur de l’air lui-même : l’humidification adiabatique ne demande donc pas d’énergie supplémentaire, contrairement à l’isotherme. Comparaison des méthodes dans l’article Types d’humidification de l’air. Elle s’emploie surtout dans l’industrie, là où les conditions aux limites le permettent : lorsque ni le produit ni le local ne pâtissent de l’humidité relative plus élevée de l’air soufflé.

Séchage : retirer l’humidité de l’air

Séchage par condensation (refroidissement sous le point de rosée)

La méthode la plus répandue : l’air est refroidi sous le point de rosée, l’humidité se condense et s’écoule, après quoi l’air est généralement réchauffé jusqu’à la température voulue. On obtient un air à la température requise, mais à teneur en eau (et donc humidité relative) plus faible. On l’emploie surtout là où les besoins en capacité de déshumidification restent modestes.

Séchage par adsorption (par sorbant)

L’air traverse un matériau sorbant (gel de silice, zéolithes) qui fixe la vapeur d’eau. Dans le diagramme h-x, l’air va obliquement vers la gauche et le haut, l’humidité baisse, mais la température augmente (la sorption dégage de la chaleur). Cela permet d’atteindre des points de rosée très bas (jusqu’à sous −40 °C), hors de portée économique du séchage par condensation. Détails dans l’article Déshumidification par dessiccation. Elle trouve sa place dans l’agroalimentaire, la pharmacie et les procédés spécialisés de fabrication ou de stockage.

Mélange d’air : un procédé combiné

En pratique, on mélange presque toujours deux flux, par exemple de l’air neuf extérieur avec de l’air intérieur recirculé. L’état résultant du mélange se situe sur la droite reliant les deux états d’entrée, à la position déterminée par le rapport massique des flux. Mélanger ⅓ d’air extérieur et ⅔ d’air intérieur place le point résultant à une distance de 1/3 de l’état intérieur, en direction de l’extérieur.

Procédés combinés : un schéma de climatisation réel

La climatisation estivale d’un bureau ressemble à peu près à ceci dans le diagramme h-x :

1. Mélange — l’air extérieur (32 °C / 50 % HR) se mélange à l’air recirculé (26 °C / 55 % HR).
2. Refroidissement avec déshumidification — le mélange est refroidi sous le point de rosée, par exemple à 12–14 °C / 95 % HR.
3. Chauffage — l’air est réchauffé jusqu’à la température de soufflage (16–18 °C) pour éviter les courants d’air.
4. Soufflage dans le local — l’air absorbe progressivement les charges thermique et hydrique et revient vers les conditions de projet.

Tout le cycle est une suite de lignes reliant les points d’état. La démarche de conception est détaillée dans l’article Conception d’une climatisation dans le diagramme h-x.

Questions fréquentes

Pourquoi l’humidité relative baisse-t-elle lors du chauffage, alors qu’on n’ajoute pas d’eau ? Le chauffage augmente la capacité de l’air en vapeur d’eau. La teneur en eau reste identique, mais son rapport à une capacité plus grande — l’humidité relative — diminue.

Quelle différence entre humidification isotherme et adiabatique ? L’isotherme (à vapeur) ajoute de la vapeur à température constante et consomme de l’énergie pour produire cette vapeur. L’adiabatique (à eau) évapore de l’eau liquide le long de la ligne d’enthalpie constante — l’air se refroidit alors et prélève l’énergie d’évaporation sur sa propre chaleur.