Qu'est-ce que la psychrométrie ? Guide de l'air humide

La psychrométrie est la branche de la thermodynamique qui décrit le comportement de l’air humide — un mélange d’air sec et de vapeur d’eau. À l’aide de quelques grandeurs (température, teneur en eau, humidité relative, enthalpie, point de rosée) et d’un seul graphique — le diagramme h-x (de Mollier), l’équivalent continental du diagramme psychrométrique — elle permet de prévoir la condensation, de dimensionner une climatisation ou encore de piloter un séchoir. L’air n’est jamais simplement chaud ou froid : il est aussi humide ou sec, et c’est cette seconde propriété qui gouverne la condensation sur les fenêtres, la consommation d’une climatisation et la durée de conservation du grain stocké.

Ce que la psychrométrie étudie réellement

L’air qui nous entoure n’est pas un gaz pur. C’est un mélange composé à 99 % d’azote et d’oxygène, mais qui contient aussi de la vapeur d’eau. La quantité de cette vapeur et son comportement aux différentes températures, voilà précisément l’objet de la psychrométrie.

Le mot vient du grec psychros (froid) et metron (mesure) — à l’origine, il désignait la mesure de l’humidité par refroidissement. Aujourd’hui, il recouvre l’ensemble de la thermodynamique de l’air humide.

L’outil central de la discipline est le diagramme h-x, appelé aussi diagramme de Mollier ou diagramme psychrométrique. Sur un seul graphique, il représente toutes les grandeurs importantes de l’air humide et permet de suivre visuellement ce qui se passe lorsqu’on chauffe, refroidit, humidifie ou assèche l’air.

Les grandeurs de base de l’air humide

Le diagramme n’a aucun sens sans quelques notions — passons-les en revue pour savoir ce qu’on y lit réellement.

Température sèche (t)

La température que mesure un thermomètre ordinaire. On la note $t$ [°C] et elle forme l’axe horizontal du diagramme h-x.

Teneur en eau (x)

Elle indique combien de grammes de vapeur d’eau sont contenus dans 1 kg d’air sec — soit $x$ [g/kg d’air sec]. Cette grandeur ne change pas lors d’un simple chauffage de l’air ; l’air monte bien dans le diagramme, mais $x$ reste identique. Un grand nombre de calculs en ventilation reposent sur cette propriété.

Humidité relative (φ)

Elle donne le rapport entre la pression réelle de vapeur d’eau et la pression de vapeur saturante à la même température ($\varphi = p_w/p_{ws}$) — en clair, à quel pourcentage de saturation l’air se trouve à une température donnée. Attention : à teneur en eau constante (même $x$), l’humidité relative varie avec la température. Chauffez l’air de 20 à 30 °C et l’humidité relative chute à peu près de moitié (plus précisément à environ 55 % de la valeur initiale). C’est exactement pour cela que l’air d’un logement chauffé est si sec en hiver. Détails dans l’article Humidité relative de l’air.

Enthalpie (h)

L’enthalpie $h$ [kJ/kg d’air sec] exprime le contenu thermique total de l’air humide — la somme de la chaleur sensible (qui dépend de la température) et de la chaleur latente (qui dépend de la teneur en vapeur d’eau). Pour le bilan énergétique d’une climatisation, c’est la grandeur la plus importante : la différence d’enthalpie entre l’air soufflé et l’air repris donne l’énergie spécifique par kilogramme d’air — en la multipliant par le débit massique d’air, on obtient directement la puissance requise.

Température de point de rosée ($t_d$)

Lorsqu’on refroidit l’air à teneur en eau constante, la vapeur d’eau commence à un certain moment à se condenser — l’air est saturé. La température à laquelle cela se produit est le point de rosée. La surface d’une fenêtre en hiver, une bouteille froide en été — la condensation se forme toujours dès que la température de surface descend sous le point de rosée de l’air ambiant.

Comment le diagramme h-x met tout cela en image

Richard Mollier, ingénieur allemand et professeur de physique et de mécanique appliquées, a publié en 1923 le diagramme qui porte son nom. L’axe oblique représente l’enthalpie $h$, l’axe vertical la teneur en eau $x$, et un réseau d’isothermes (lignes de température constante) traverse tout le diagramme. L’élément clé est la courbe de saturation ($\varphi = 100\ \%$), qui sépare le domaine de l’air humide de celui du brouillard et des gouttelettes.

Chaque état de l’air est un point unique dans le diagramme. Et chaque processus — chauffage, refroidissement, humidification, mélange de deux flux — est une ligne. Voilà l’élégance qui fait du diagramme h-x l’outil le plus utilisé en génie climatique.

Où l’on rencontre la psychrométrie en pratique

• Climatisation et ventilation — tout ingénieur en génie climatique travaille quotidiennement avec le diagramme h-x, du dimensionnement des composants au réglage de la régulation.
• Séchage industriel — bois, grain, aliments, textiles ; le contrôle précis de l’humidité de l’air de séchage détermine à la fois le coût et la qualité.
• Physique du bâtiment — la condensation dans les parois, la ventilation des sous-sols et la conception des pare-vapeur dépendent toutes du comportement de la vapeur d’eau aux différentes températures.
• Agriculture — serres, silos à grain et séchage post-récolte décident de la qualité et de la conservation de la récolte.
• Centres de données — une humidité trop faible provoque des décharges électrostatiques, trop élevée de la corrosion ; le couloir étroit des conditions admissibles est fixé, par exemple, par les recommandations ASHRAE (le manuel Thermal Guidelines for Data Processing Environments, comité technique TC 9.9).

Là où la psychrométrie prend de l’importance

La pression sur l’efficacité énergétique conduit à traiter plus finement chaque étape de préparation de l’air et à optimiser des systèmes autrefois couramment surdimensionnés. Le free cooling et le refroidissement adiabatique reposent sur une lecture précise de l’état de l’air — c’est pourquoi le diagramme h-x reprend du service même dans des installations qu’il suffisait jadis de dimensionner à l’estime. L’optimisation du séchage agricole aussi : autant de domaines où une bonne compréhension de l’air humide génère des économies réelles. Et c’est précisément pour cela qu’existent des outils modernes comme le diagramme h-x interactif de PsychroView, qui transforme tableaux et formules en une vue visuelle, immédiatement compréhensible.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre teneur en eau et humidité relative ? La teneur en eau $x$ est la quantité absolue d’eau par kilogramme d’air sec et ne change pas lors du chauffage. L’humidité relative $\varphi$ est le rapport à la capacité maximale à une température donnée — c’est pourquoi elle diminue pendant le chauffage, alors même que la quantité d’eau dans l’air reste inchangée.

Le diagramme psychrométrique et le diagramme de Mollier sont-ils la même chose ? Ils représentent les mêmes grandeurs, mais diffèrent par l’orientation des axes. Le diagramme de Mollier (h-x) à coordonnées obliques est la norme en Europe centrale ; le diagramme psychrométrique anglo-saxon (de Carrier) utilise des coordonnées orthogonales avec la température sur l’axe horizontal.

Faut-il savoir manier les formules pour utiliser le diagramme ? Non. Il suffit de saisir deux grandeurs indépendantes (par exemple la température et l’humidité relative) et PsychroView calcule automatiquement toutes les autres. Les formules sont utiles pour comprendre, pas pour le travail quotidien.