Chapitres
La climatisation, présentation
On définit la climatisation comme une technique qui permet de modifier les conditions climatiques d'un intérieur donné. Pour ce faire, la climatisation influe sur différents paramètres dont les les principaux sont le taux d'humidité et la température.
La climatisation a tout d'abord vu le jour à des fins techniques avant de devenir un outil de confort. Dans cet article nous allons voir quels sont les différents types de climatisation, les appareils qui permettent de la mettre en place et enfin ses applications.
Histoire de la climatisation
Par définition, climatiser signifie contrôler le climat. Cependant, on se sert plus souvent de la climatisation pour réduire la température que pour l'augmenter.
Si les hommes ont eu recours à l'utilisation de grottes ou d'endroits naturellement froids comme les glaciers, les ruisseaux de montagne ou les cavités rocheuses pour conserver les aliments, ce sont les les Romains qui furent les premiers à avoir recours à techniques pour réfrigérer leur environnement de vie. Ils creusaient des tunnels souterrains afin d'apporter de l'air frais dans leur logement. En effet, selon le principe du puits canadien, l'air sous terre se situe entre 10° C et 12° C quelle que soit la saison ou la période de l'année.
S'en suivront ensuite des modes de réfrigération plus sophistiqués avec par exemple des circuits d'eau qui rafraichissent un endroit par ruissellement.
Il faudra cependant attendre le XVIIIe siècle pour voir apparaître les premiers systèmes de climatisation plus performants. On a cette fois recours à des réseaux de ventilation à l'entrée desquels sont installés des blocs de glace (importés de glaciers ou découpés des lacs gelés l'hiver). Pour conserver la glace, on l'entreposait entre des fines couches de paille, de bois, de sciures.
La première tentative de créer du froid chimiquement remonte à 1851. C'est James Harrison, un imprimeur écossais qui a l'idée de comprimer de l'éther pour le rendre liquide et de le laisser revenir à l'état gazeux afin de refroidir l'air. Cette idée lui vient d'une découverte involontaire en nettoyant ses lettres d'imprimerie à l'éther, ces dernières refroidissaient fortement.
Cependant, si le principe fonctionne et est efficace, l'utilisation de glace importée reste meilleur marché et l'invention d'Harrison reste sur le côté.
Pourtant, quelques années plus tard, des compresseurs seront utilisés en combinaison avec de l'éther pour obtenir l'ancêtre de nos réfrigérateurs modernes. Embarqués principalement sur des bateaux, ils permettaient de conserver les aliments pendant les longs voyages en mer. L'ammoniaque viendra même remplacer l'éther pour son meilleur rendement. De nos jours, les réfrigérateurs à l'ammoniaque sont encore utilisés dans l'industrie.
Le premier réfrigérateur breveté arrivera en 1857. C'est Ferdinand Carré, un ingénieur français qui le déposera devant l'Exposition universelle de 1862 à Londres. Si ce réfrigérateur à eau et ammoniaque n'équipera pas les foyers, il sera très utilisé par les brasseurs qu'il aide à conserver les boissons au frais et à créer de la glace.
Le climatiseur moderne, tel que nous le connaissons aujourd'hui a été inventé en 1902, aux Etats-Unis, par Willis Carrier, un ingénieur américain. Son système repose sur une réfrigération centrifuge contrôlée par un compresseur central. Il sera mis en place pour la première fois dans une salle de spectacle de Times Square, le Rivoli Theater.
Puits canadien
Aussi connu sous le nom de puits provençal, cheminée solaire ou encore puits climatique, un puits canadien n'est ni plus ni moins qu'un échangeur air-sol. Il permet par échange géothermique de réguler l'air d'une habitation en utilisant pour cela l'inertie thermique du sol. Que ce soit pour refroidir l'air en été ou le réchauffer en hiver, selon l'endroit dans le sol que l'air traverse, on peut choisir la température de l'air qui sera injecté dans l'habitation. L'air est alors le fluide caloporteur tandis que le tube dans le sol agit comme un échangeur thermique.
Le fonctionnement de la climatisation
Pour fonctionner, un système de climatisation doit prendre en charge trois contraintes :
- Agir sur la température de l'air ;
- Faire baisser le taux d'humidité de l'air ;
- Assurer la qualité de l'air.
Agir sur la température de l'air
Pour faire baisser la température, l'air intérieur est aspiré par un ventilateur centrifuge qui le souffle à travers un échangeur de refroidissement. Dans cet échangeur circule un fluide de réfrigération dont la température est contrôlée selon la demande de l'utilisateur qui agit sur un compresseur qui en détendant le fluide le rends plus ou moins frais.
Faire baisser le taux d'humidité de l'air
Pour éviter le phénomène de condensation dû au refroidissement de l'air, les climatiseurs sont équipés de déshumidificateurs. Leur fonctionnement est simple. Lorsque l'air intérieur est aspiré par le ventilateur et refroidi, l'eau présente dans l'air se condense. Elle est alors récupérée et rejetée vers l'extérieur par échangeur.
C'est pour cela que la plupart des climatisations disposent d'une fonction déshumidificateur.
Assurer la qualité de l'air
Pour que l'air dans l'environnement climatisé reste de qualité (concentration en oxygène et dioxyde de carbone acceptables notamment), les climatisations sont équipées de systèmes de filtration de l'air. Que ce soit par le biais de filtres, d'extraction forcée de l'air vers l'extérieur ou d'insertion forcée d'air extérieur pour renouveler l'air intérieur, les climatiseurs sont pensés de telle façon que l'air respiré soit toujours le meilleur possible.
Les différents renouvellements d'air
Pour renouveler l'air de la pièce climatisée, il existe plusieurs techniques. Il existe par exemple les systèmes tout air qui augmentent légèrement la pression du local afin d'empêcher l'air extérieur d'y enter et de venir le polluer. Dans ces cas, le débit d'air soufflé est supérieur au débit d'air repris. Cela permet de faire baisser significativement l'activité de refroidissement et de rejeter moins d'air climatisé à l'extérieur.
On trouve aussi les systèmes en tout air neuf. Ces derniers sont utilisés dans des endroits où il est important de garder un air propre et sans pollution extérieure (chambre de peinture ou bloc opératoire par exemple). L'air ambiant est en surpression pour empêcher les échanges avec l'extérieur.
Il existe également les systèmes en recyclage total. Ceux-ci préparent l'air dans une centrale dite d'air neuf afin de l'injecter directement aux conditions demandées. Dans ces conditions, on a un débit d'air rejeté égal au débit d'air aspiré.
Pour finir, les systèmes avec récupérateur d'énergie échangent la chaleur entre l'air neuf et l'air usé lors du passage dans un échangeur air/air, permettant de réinjecter le froid de l'air usé dans l'air extérieur.
Les avantages de la climatisation
Dans la vie de tous les jours, la climatisation a apporté un confort incontestable en permettant de refroidir facilement les lieux de vie tels que les habitations ou les habitacles des moyens de transport (voiture, camion, train, avion par exemple).
Dans l'industrie, la climatisation permet de maintenir des conditions de travail acceptables pour les ouvriers ou de créer des conditions de conservation indispensables, notamment dans le domaine de l'alimentaire.
Les inconvénients de la climatisation
Au delà des nuisances sonores qui peuvent être causées par les compresseur de climatisation dans les habitations collectives, les climatiseurs présentent également des risques pour la santé. C'est le cas notamment à cause de l'humidité et de la condensation qui peut se produire dans les canalisations ou dans la partie froide de l'installation. Cette dernière peut entretenir le développement de bactéries et autres organismes pathogènes.
En cas de mauvais entretient, les filtres des systèmes de climatisation peuvent aussi être à l'origine de développements de microbes qui risquent d'infecter les locaux.
Pour finir, la différence de température causée par un environnement frais en intérieur et très chaud en extérieur (notamment en période estivale et caniculaire) peut causer des chocs thermiques pouvant avoir de graves conséquences. Il est recommandé de ne pas créer de différence de température à 7°C entre l'intérieur et l'extérieur.
Ecotoxicité
On dit d’un objet ou d’un élément qu’il est écotoxique lorsqu’il est toxique pour l’environnement, c’est-à-dire polluant
Si la climatisation permet d'améliorer nos conditions de vie, les agences de protection de l'environnement mettent en garde sur l'augmentation de la consommation électrique occasionnée par les compresseurs de climatisation, même si cette dernière n'atteint pas même en période de canicule les pics de consommations dus au chauffage de l'hiver.
De plus, les rejets d'air chaud dans l'atmosphère participent à l'augmentation de la température en aire urbaine (jusqu'à 2°C de plus sur Paris en période estivale).
Pour finir, les gaz réfrigérants utilisés dans les climatiseurs sont des gaz polluants responsables de l'effet de serre dont le retraitement n'est pas toujours très clair. C'est notamment le cas des climatisations des voitures retirées de la circulation.
Exercices d'application
Exercice 1 : Calcul de l'efficacité d'un climatiseur
On assimile un climatiseur à un appareil faisant subir à un fluide une compression isotherme quasi statique, puis une détente adiabatique et enfin un réchauffement isobare. La compression est obtenue grâce à un compresseur alimenté en énergie électrique. Le détendeur est un système passif et le circuit de réchauffement isobare est seulement un long tuyau serpentant devant un ventilateur. Le fluide se réchauffe, donc l’air de la pièce se refroidit à son contact.
Lors de la première transformation, compression isotherme, on assimile le fluide à un gaz parfait de masse molaire M = 0,056 kg.mol-1.
Lors de la seconde transformation, détente adiabatique, la pression du fluide est divisée par 2,72. Lors de la dernière transformation, réchauffement isobare, on suppose que le fluide a une capacité thermique massique à pression constante cp = 4000 J.K-1.kg-1. Le débit massique du fluide est D = 0,1 kg.s-1.
Pendant la phase de réchauffement isobare, il passe de -15°C à +5°C. Pendant l’intervalle de temps dt, calculer la masse dm de fluide passant, en déduire le transfert thermique δQ prise à l’air, et la puissance frigorifique P du climatiseur. Calculer de même le travail δW nécessaire à la compression de dm, et en déduire la puissance électrique consommée. En déduire enfin l’efficacité du climatiseur.
Exercice 2 : Se chauffer grâce à des serveurs
Un centre de données (datacenter en anglais) est un lieu où se trouvent regroupés les équipements constituant le système d’information de l’entreprise (ordinateurs centraux, serveurs, baies de stockage, équipements réseaux et de télécommunications, etc.). Les plus connus sont ceux de Google, Facebook, Apple, …
Au Val d’Europe, en Seine-et-Marne, le centre de données de Natixis permet de chauffer le nouveau centre aquatique et une pépinière d’entreprises.
Piscine et pépinière d’entreprises (près de 6000 m2 au total) sont pourtant loin d’utiliser toute l’énergie disponible. Selon Dalkia, la filiale commune de Veolia et d’EDF qui exploite le réseau de chauffage, le centre de données peut chauffer jusqu’à 600 000 m2.
Un centre de données de cette importance, avec de telles batteries de serveurs à alimenter et à refroidir en permanence, consomme une énergie électrique considérable : autant qu’une ville moyenne de 50 000 habitants. 30 % de cette énergie est utilisée pour le refroidissement des serveurs. Plutôt que de gaspiller en pure perte cette énergie, autant récupérer la chaleur que dégage la climatisation.
Données numériques :
- 1 kW.h = 3,6 × 106 J ;
- Tableau des conductivités thermiques par type de matériau :
| Matériau | Laine de verre | Polystyrène | Laine de roche | Béton armé | Polymère |
|---|---|---|---|---|---|
| Conductivité thermique λ ( W.K-1.m-1) | 0,032 | 0,038 | 0,034 | 2,2 | 0,18 |
Données :
Conditions d’obtention du label HQE (Haute Qualité Environnementale) :
On note Z la résistance thermique d’une paroi ayant une surface de 1 m2. Pour obtenir le label HQE, la valeur de Z doit avoir une valeur minimale notée ZHQE. Cette valeur minimale dépend de la paroi étudiée. Les valeurs minimales sont données sur le schéma ci-dessous.
- L’énergie thermique transférée à un système par un flux thermique j pendant la durée Δt est :
Avec :
-
- Q : énergie thermique transférée (J) ;
- φ : flux thermique (W) ;
- Δt : durée du transfert (s).
- Lorsque les températures extérieure Text et intérieure Tint sont constantes au cours du temps, avec Tint > Text, le flux thermique j à travers une paroi s’exprime par :
Avec :
-
- φ : flux thermique (W) ;
- Rth : résistance thermique de la paroi considérée (K.W-1).
- La résistance thermique Rth d’une paroi plane est définie par la relation :
Avec :
-
- e : épaisseur de la paroi (m) ;
- λ : conductivité thermique (en unité du système international USI) ;
- S : surface de la paroi (m2) ;
- Z : résistance thermique d’une paroi ayant une surface égale à 1 m2.
- Les résistances thermiques de plusieurs matériaux superposés s’ajoutent.
1. Isolation thermique des murs du centre de données
Lors de l’élaboration des plans du centre de données, l’objectif était d’obtenir le label HQE pour le bâtiment. Dans toute cette partie, on raisonnera sur un mur extérieur dont la surface est de 1,0 m2.
1.1 Quelle devrait être l’épaisseur du mur extérieur si celui-ci n’était constitué que de béton armé ?
L’épaisseur des murs en béton armé est en réalité de 20 cm.
Pour améliorer la résistance thermique des murs, on se propose d’ajouter une couche d’isolant et de la recouvrir de panneaux en polymère de 5,0 cm d’épaisseur afin de réaliser une étanchéité à l’eau et à l’air (schéma ci-contre).
1.2 L’isolant choisi est la laine de verre. Justifier ce choix.
1.3 Déterminer l’épaisseur minimale de laine de verre nécessaire pour que la condition d’obtention du label HQE soit vérifiée.
2. Bilan thermique du centre de données
Un bâtiment contenant 20 000 serveurs a une longueur de 80 m, une largeur de 50 m et une hauteur de 10 m. Le reste du bâtiment contient des bureaux et des locaux techniques qui ne seront pas pris en compte.
Le bâtiment respecte les normes HQE.
La puissance électrique consommée par un serveur est de 480 W.
On admettra que toute l’énergie électrique consommée par les 20 000 serveurs est transformée en énergie thermique.
On se placera dans la situation où la valeur de la résistance thermique de chaque paroi de surface de 1,0 m2 est égale à la valeur minimale ZHQE.
2.1 Citer les trois modes de transfert qui permettent aux ordinateurs de céder de l’énergie thermique à la pièce où ils sont stockés
2.2 Montrer, dans le cadre des hypothèses faites, que l’énergie thermique Qserveurs libérée en une journée par les serveurs est égale à 8,3 × 1011
2.3 Les températures moyennes au Val d’Europe au cours d’une journée d’hiver sont rassemblées dans le tableau ci-dessous.
| Air extérieur | Sol | Intérieur | |
|---|---|---|---|
| Température (°C) | 7,0 | 11 | 23 |
2.3.1 Calculer le transfert thermique Qsol à travers le sol pour une journée d’hiver.
2.3.2 Sachant que les transferts thermiques à travers les murs et la toiture, pour une journée d’hiver, sont respectivement Qmurs = 9,0 × 108 J et Qtoiture = 6,8 × 108 J, déterminer l’énergie thermique totale perdue par l’ensemble des parois du centre de données au cours d’une journée d’hiver.
2.4 Que risque-t-il de se passer au niveau du bâtiment du centre de données si rien n’est fait ?
3. Valorisation de l’énergie produite par les serveurs
3.1 L’énergie thermique libérée en six mois par les serveurs est égale à 1,5 × 1014
On estime qu’il faut 50 kW.h pour chauffer 1 m2 de logement récent durant les six mois de l’année où le chauffage est en fonctionnement.
Quelle surface de logement ce système permet-il de chauffer, durant ces six mois, grâce au centre de données ?
La valeur annoncée dans le texte introductif est-elle réaliste ?
3.2 Plutôt que de rejeter de l’air chaud à l’extérieur, il est possible d’utiliser l’énergie thermique libérée pour chauffer des bureaux ou des logements voisins. Une machine thermique, aussi appelée climatiseur, refroidit l’air du centre de données et chauffe l’eau d’un circuit d’eau chaude primaire. Le circuit d’eau chaude primaire permet ensuite de chauffer l’eau des différents bâtiments par l’intermédiaire d’un échangeur.
Dans le cadre d’un modèle simplifié, les échanges énergétiques au niveau de la machine thermique peuvent être représentés sur le schéma ci-dessous :
Avec :
- Qair, énergie thermique fournie par l’air en une journée
- Qair = 5,2 × 1011 J
- Qeau, énergie thermique reçue par l’eau en une journée
- W, énergie électrique reçue par la machine thermique en une journée
- W = 1,0 × 105 kW.h.
Sachant que la machine thermique ne fait que convertir sans perte l’énergie qu’elle reçoit, donner la relation entre Qeau, Qair et W.
3.3 Sachant que dans le circuit primaire l’eau entre dans la machine thermique à la température moyenne de 10°C pendant les 6 mois de fonctionnement du chauffage des logements et bureaux, avec un débit de 2 × 102 m3.h-1, quel mode de chauffage peut-on envisager pour chauffer les logements voisins ?
Données :
| Mode de chauffage | Température de l’eau |
|---|---|
| Radiateur | 50°C à 65°C |
| Plancher chauffant | 25°C à 30°C |
- Capacité calorifique de l'eau (J.kg-1.K-1) : 4185 ;
- Masse volumique de l'eau (kg.m-3) : 1,0 × 103.
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