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Réf. : TBA2770 V2

Date de publication : 10 septembre 2017

Systèmes de climatisation

Cet article est issu de : Construction et travaux publics | Techniques du bâtiment : le second oeuvre et les lots techniques par André BERGNER

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Systèmes de climatisation par André BERGNER Ingénieur ITP, IAE Poitiers

Parution : septembre 2017 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200051267 - universite du havre // 195.220.135.38

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9 - 2017

1. 1.1 1.2 1.3 1.4

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Généralités ............................................................................................ Conditionnement de l’air et climatisation............................................. Calcul du bilan thermique ...................................................................... Pompes à chaleur mises en œuvre pour la climatisation.................... Centrale de traitement de l’air indispensable pour le conditionnement ........................................................................

TBA 2 770v2 - 2 — 2 — 2 — 3 —

7 7 7 8 8 8 9 9

2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Différents systèmes de climatisation............................................ Systèmes à détente directe .................................................................... Systèmes « air-air » ................................................................................ Systèmes « tout-eau » ............................................................................ Systèmes de pompes à chaleur sur boucle d’eau................................ Roof-Top .................................................................................................. Système MTA des établissements Carrier............................................

— — — — — — —

3. 3.1 3.2

Pompes à chaleur réversibles avec terminal alimenté en eau froide ou chaude.................................................................... Pompes à chaleur (production).............................................................. Terminaux................................................................................................

— — —

4.

Centrales de traitement de l’air ......................................................

—

11

5. 5.1 5.2

Climatisation solaire .......................................................................... Principes de fonctionnement d’une solution solaire ........................... Exemple de climatisation solaire réversible avec la société Helioclim ........................................................................

— —

11 11

—

13

6. 6.1 6.2

VMC (ventilation mécanique contrôlée) ....................................... VMC simple flux ...................................................................................... VMC double flux......................................................................................

— — —

13 13 14

7.

Puits canadien......................................................................................

—

15

8.

Conclusion.............................................................................................

—

16

9.

Acronymes ............................................................................................

—

16

10. Glossaire ................................................................................................

—

17

10 10 10

Pour en savoir plus ...................................................................................... Doc. TBA 2 770v2

L

es systèmes de climatisation permettent d’assurer le confort en été et en hiver en modifiant la température de l’air ambiant en fonction des saisons par le chauffage ou le refroidissement des habitations, bureaux, commerces, ateliers, etc. Le confort thermique, c’est la satisfaction d’un individu vis-à-vis des conditions climatiques de son environnement. On parle de confort thermique lorsque la personne ne souhaite avoir ni plus chaud, ni plus froid. Il est important que les locaux traités soient parfaitement étanches et correctement isolés, ce qui imposera de prévoir très souvent une ventilation mécanique contrôlée.

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Dans cet article, c’est essentiellement la climatisation qui sera traitée, et pas le conditionnement de l’air. D’autre part, il ne sera pas donné d’indications sur les crédits d’impôts, car les conditions évoluent et évolueront ; les informations données risqueraient d’être erronées. Il est nécessaire de se renseigner au moment des travaux.

1. Généralités

Résumé de la norme NF EN ISO 7730 de mars 2006

1.1 Conditionnement de l’air et climatisation

Cette norme présente des méthodes de prévision de la sensation thermique générale et du degré d’inconfort (insatisfaction thermique) général des personnes exposées à des ambiances thermiques modérées. Elle permet de déterminer analytiquement et d’interpréter le confort thermique par le calcul des indices PMV et PPD et par des critères de confort thermique local, donnant les conditions des ambiances thermiques considérées acceptables du point de vue du confort thermique général et les conditions représentant les inconforts locaux. Elle est applicable aux hommes et aux femmes en bonne santé, exposés à des ambiances intérieures où le confort thermique est recherché, mais où des écarts modérés dudit confort thermique peuvent se produire, pour concevoir de nouvelles ambiances ou pour évaluer les ambiances existantes. Spécifiquement développée pour les environnements de travail, elle peut cependant être appliquée à d’autres types d’environnement. Elle est censée être utilisée avec une référence à l’ISO/TS 14415:2005, 4.2, eu égard aux personnes ayant des exigences particulières, dont les personnes physiquement handicapées. Il s’avère également nécessaire de prendre en compte les différences ethniques, nationales et géographiques lorsque l’on considère les espaces non climatisés. L’indice PMV (Predicted Mean Vote ) prédit la valeur moyenne des votes d’un grand groupe de personnes sur l’échelle de sensation thermique aux sept points suivants : – + 3 très chaud ; – + 2 chaud ; – + 1 légèrement chaud ; – 0 ni chaud, ni froid ; – – 1 légèrement froid ; – – 2 froid ; – – 3 très froid. L’indice PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied ) prédit quantitativement le pourcentage de personnes insatisfaites, car trouvant l’ambiance thermique trop chaude ou trop froide et qui voteraient – 3, – 2, + 2, + 3.

1.1.1 Conditionnement Le conditionnement est la technique qui consiste à intervenir sur les conditions climatiques d’un local en modifiant la température, l’humidité, le niveau des poussières en fonction des besoins (locaux techniques tels que ceux utilisés dans l’industrie de précision, les laboratoires, les hôpitaux, les salles informatiques, etc.). Dans cet article, le conditionnement de l’air ne sera pas traité.

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1.1.2 Climatisation

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La climatisation assure le confort d’été et d’hiver des habitations, des bureaux, des commerces, des ateliers, en modifiant la température de l’air. Les courants d’air froids ou chauds sont souvent associés à la climatisation ; cela peut être dû à une mauvaise implantation du climatiseur ou à une diffusion trop brutale de l’air soufflé. En général, il est possible de régler sur plusieurs niveaux la puissance de soufflage. L’emplacement de l’unité intérieure est très important pour éviter que les occupants soient agressés par les courants d’air. La température intérieure en été ne doit pas être inférieure de plus de 5 à 6 °C par rapport à la température extérieure. Suivant le type de climatisation, les locaux étant obligatoirement étanches, l’air n’est pas renouvelé ; ces locaux, dans ce cas, doivent être équipés d’une ventilation mécanique contrôlée. Le confort thermique est subjectif et dépend des perceptions individuelles. Il est influencé par l’activité physique, l’habillement et les fluctuations des caractéristiques de l’ambiance thermique (température de l’air, de rayonnement, de contacts, humidité et vitesse de l’air). Il est traité par la norme NF EN ISO 7730 de mars 2006 – Ergonomie des ambiances thermiques – Détermination analytique et interprétation du confort thermique par le calcul des indices PMV et PPD et par des critères de confort thermique local.

d’autant plus important que les techniques de la climatisation risquent d’évoluer rapidement avec la réglementation thermique, et en particulier avec la RT2020.

1.1.3 Assurance décennale Dans un arrêt daté du 24 septembre 2014, la cour de cassation (C. cass, civ, 3e, 24 septembre 2014 n° 13-19615) est venue préciser qu’un système de climatisation par pompe à chaleur constitue un ouvrage au sens des articles 1792 et suivants du Code civil, de sorte que la garantie décennale doit pouvoir s’appliquer (voir l’analyse effectuée par Maître Aurélien Boudeweel, avocat : www.green-law-avocat.fr/tag/decennale/). Cette information est importante et l’installateur devra justifier de la validité de son assurance au moment des travaux. Pour éviter les surprises, l’entreprise devra demander à son assurance une attestation portant la référence du chantier. C’est

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1.2 Calcul du bilan thermique Le calcul du bilan thermique de la climatisation permet de déterminer la puissance de l’installation en été et en hiver en fonction principalement de deux critères : 1) les apports internes (occupants, éclairage, appareils ménagers) qui sont relativement constants suivant les périodes de la journée ; il est important d’en tenir compte en été ; 2) les apports externes (ensoleillement et apports de chaleur ou de froid à travers les murs, les ouvertures comme les vitrages, la toiture, le plafond, les sols et le renouvellement de l’air) qui sont

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dépendants de l’isolation, de l’orientation des pièces et des variations de la température extérieure.

Une pompe à chaleur peut fonctionner dans les deux sens : elle produit du frais en été et de la chaleur en hiver.

Il devra être réalisé par un bureau d’études spécialisé.

En mode rafraîchissement, elle fonctionne en machine frigorifique.

1.3 Pompes à chaleur mises en œuvre pour la climatisation

Le fonctionnement Inverter (voir glossaire) est le complément indispensable pour améliorer encore les performances et le confort d’utilisation d’une pompe à chaleur en limitant les arrêts et les démarrages souvent sujets de litiges avec les voisins.

1.3.1 Principes de fonctionnement des pompes à chaleur Une pompe à chaleur est un dispositif thermodynamique qui capte les calories présentes naturellement dans l’environnement (air, sol, eau) et, grâce à un compresseur, les porte à une température plus élevée qu’elle diffuse vers un autre dispositif.

La pression du fluide varie, ainsi que son état : il passe de l’état liquide à l’état gazeux en modifiant sa température. La pompe à chaleur comprend quatre pièces maîtresses (figures 1 et 2) qui permettent de faire circuler le fluide frigorigène à l’intérieur de la pompe à chaleur :

Cette transformation est rendue possible en utilisant un gaz : le fluide frigorigène. En passant successivement de l’état liquide à

1) l’évaporateur : en amont de l’évaporateur, le fluide a une pression basse et un état liquide, puis, à l’intérieur de celui-ci, il se

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Vapeur basse pression

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l’état gazeux, le fluide frigorigène va transmettre l’énergie récupérée.

VANNE D’INVERSION DE CYCLE

Vapeur haute pression

CAPTEURS EXTÉRIEURS Source froide

ÉMETTEURS DANS L’HABITAT Source chaude ÉVAPORATEUR

CONDENSEUR

COMPRESSEUR

Liquide basse pression

Liquide haute pression

DÉTENDEUR

Figure 1 – Principe de la pompe à chaleur (© Aivia Energy)

Compresseur CAPTEURS extérieurs

ÉMETTEURS intérieurs

Vapeur haute pression

Vapeur basse pression Condenseur

Évaporateur Liquide haute pression Liquide basse pression

Détendeur

Radiateur Plancher chauffant

Figure 2 – Système géothermique (© Sofath)

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SYSTÈMES DE CLIMATISATION _______________________________________________________________________________________________________

charge en calories captées sur la source froide (air, sol, eau). C’est à ce moment que se produit une élévation de la température du fluide qui passe à l’état gazeux ; 2) le compresseur : le fluide frigorigène est aspiré par le compresseur puis comprimé sous haute pression. Cela se traduit par une augmentation de pression dans la pompe à chaleur qui procure une élévation de la température. À la sortie du compresseur, le fluide frigorigène est à l’état gazeux et à haute pression ; 3) le condenseur : quand le fluide arrive dans le condenseur, il est à l’état gazeux et à haute température. À cet instant, il entre en contact avec le circuit de la source chaude. Le gaz baisse en température et cède les calories transportées par condensation et retourne à l’état liquide ; 4) le détendeur : il crée un environnement sous basse pression. Lors de son retour dans l’évaporateur, le fluide est à nouveau prêt à capter les calories. Le détendeur a aussi pour fonction de réguler le débit du fluide frigorigène dans le circuit de la pompe à chaleur.

1.3.2 Différents types de pompes à chaleur ■ Pompe à chaleur air extérieur/eau (aérothermie) monobloc Elle peut être installée à l’extérieur ou dans un local semi-ouvert. Il faut bien choisir son emplacement car une pompe à chaleur est bruyante et si les voisins sont incommodés, ils peuvent obliger le propriétaire à la déplacer.

Figure 3 – Captage par forage profond avec pompe à chaleur eau glycolée/eau (© Sofath)

■ Pompe à chaleur eau/eau géothermique Parution : septembre 2017 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200051267 - universite du havre // 195.220.135.38

Elle fonctionne selon trois principaux systèmes de captage.

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1) Captage par forage profond avec pompe à chaleur eau glycolée/eau (figure 3) : la pompe est installée dans un local technique avec un circuit de tubes (2 ou 4 tubes) en PEHD (polyéthylène haute intensité) disposés verticalement dans un forage dans lesquels circule de l’eau glycolée. 2) Captage horizontal enterré avec pompe à chaleur eau glycolée/eau ou fluide/eau (figure 4) : la pompe est installée dans un local technique avec un circuit de tubes (2 ou 4 tubes) en PEHD disposés horizontalement dans le sol (géothermie). Les pompes à chaleur sol/sol à détente directe prélèvent la chaleur dans le sol à l’aide de capteurs enterrés et le même fluide (eau glycolée) circule dans un échangeur. Il peut également circuler dans les canalisations du plancher chauffant ; la détente du fluide frigorifique est directement réalisée lors de son passage sous le plancher qui assure l’émission de chaleur. Ce système encore utilisé en rénovation ne l’est plus en installation neuve non pris en compte dans la RT2012. 3) Captage sur la nappe phréatique avec pompe à chaleur eau/eau sur nappe aquifère (figure 5) : cette pompe à chaleur fonctionne en puisant de l’eau dans une nappe souterraine, un puits ou une source (attention le débit de cette dernière doit être suffisant en permanence). Ce dernier système de captage, comme le captage profond, offre comme avantage de n’avoir aucune emprise sur le terrain comme les capteurs horizontaux. Le captage sur nappe présente par ailleurs le meilleur rendement actuel (coefficient de performance : 5,50) sur le marché de la géothermie. Les installations de pompes à chaleur sur nappe continuent à se développer car elles correspondent à des techniques de chauffage et de refroidissement particulièrement bien adaptées aux secteurs tertiaire et résidentiel. Par ailleurs, ces équipements sont susceptibles de devenir une alternative à la tour de refroidissement des installations de climatisation au titre de la prévention des risques sanitaires (légionellose). Le BRGM (Bureau de recherches géologiques et minières) a été chargé d’une mission d’expertise pour produire des documents synthétiques, check-lists, fiches techniques d’aide à l’élaboration et à l’examen des dossiers. Le lecteur est invité à se renseigner auprès de la préfecture ou du BRGM, car en cas de puisage dans la nappe, le rejet doit se faire à une certaine distance du point de puisage.

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Figure 4 – Captage horizontal enterré avec pompe à chaleur eau glycolée/eau ou fluide/eau (© Sofath)

■ Pompe à chaleur air/air Il existe plusieurs formes de pompes à chaleur air-air réversibles. La plus connue est le split mural. C’est un module que l’on place au mur ou au plafond qui peut être soit en monosplit ou en multisplit. Pour les logements comportant plusieurs pièces à climatiser, et pour éviter les multisplits, il existe un modèle de pompe à chaleur air-air réversible gainable, dont le module est placé dans les combles ou le faux plafond et raccordé à une pompe à chaleur. Chaque pièce est pourvue d’une grille de soufflage. Il existe également des modèles de climatisation gainable sans module extérieur.

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Exemple la climatisation gainable AEROCLIM’easy (suite)

Principe du doublet géothermique

Pompe d’injection

Échangeur thermique

Forage d’injection

Forage de production Pompe de production

Eau froide

Eau chaude

Cette climatisation peut être pilotée à distance avec un thermostat compatible, commandée à distance avec votre téléphone mobile. Caractéristiques techniques, dimensions – pompe à chaleur réversible sans unité extérieure, poids total 42 kg ; – hauteur 30 cm ; largeur 35 cm et 1 m de long ; – puissance en mode chauffage selon EN 14511 (+ 7/6 °C-20 °C), 4 200 W COP 4 ; – puissance en veille 11 W ; – puissance en mode froid selon EN 14511 (35/24-27 °C) 4 800 W ; – produit réfrigérant utilisé : R410a, qui est un gaz fluoré ne présentant pas de risque pour la santé en cas d’inhalation. Pour son fonctionnement, la pompe à chaleur AEROCLIM’easy capte l’air intérieur, pour le réchauffer ou le refroidir, en évacuant les calories dans les combles. AEROCLIM’easy a un niveau sonore très faible. La pompe à chaleur AEROCLIM’easy garantit une plage de fonctionnement étendue avec une puissance et une capacité garantie.

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Extrait de la documentation XPAIR

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Figure 5 – Captage sur la nappe phréatique avec PAC eau/eau sur nappe aquifère (© Ademe/© BRGM)

Exemple la climatisation gainable AEROCLIM’easy AEROCLIM’easy est une pompe à chaleur réversible sans unité extérieure pour climatiser et chauffer une habitation jusqu’à 100 m2. Le groupe de climatisation s’installe facilement dans les combles, le vide-sanitaire ou un espace ventilé et ne nécessite pas de groupe à l’extérieur de l’habitation. La transmission de l’air chaud ou froid est réalisé par des gaines isolées. Description du produit Climatisation et chauffage en une seule unité installée dans les combles, la pompe à chaleur AEROCLIM’easy diffuse de l’air chaud ou de l’air froid par des bouches de soufflage reliées à des gaines isolées. Un kit pour évacuer les calories directement en toiture lorsque l’espace est trop peu ventilé. Le kit comprend : – le groupe monobloc pompe à chaleur ; – un thermostat sans fil ; – 4 bouches de soufflage diamètre 160 mm ; – 1 bouche d’aspiration en diamètre 160 mm sur une grille de 350 × 350 mm ; – 10 m de gaine isolée pour l’aspiration et 20 m isolées pour le soufflage ; – 2 Y de distribution et 13 colliers de serrage avec un scotch alu pour l’étanchéité.

Pour une construction très bien isolée, la pompe à chaleur air-air part d’un concept simple de détente directe utilisant le vecteur air. Pas de fluide eau intermédiaire, donc une installation plus simple qu’une installation à eau chaude (figure 6). Les dernières techniques de régulation permettent ainsi avec une pompe à chaleur en modèle plafonnier d’assurer le confort de plusieurs zones de chauffe avec une zonification ou système de zoning. Ces solutions permettent ainsi de travailler avec des pompes à chaleur mode Inverter, de jouer sur les vitesses de ventilation pour économiser au maximum l’énergie des auxiliaires, et de réguler pièce par pièce chaque salle. Les possibilités d’installation sont nombreuses et plutôt développées technologiquement : grilles intelligentes, régulations sans fil adaptées à la rénovation, gestion domotique globale avec actions sur stores, éclairage...

1.3.3 Principales caractéristiques des pompes à chaleur – Modèle : air/eau, eau/eau, sol/eau, air/air. – Inverter : oui/non. – Basse ou haute température. – Températures limites de fonctionnement été/hiver. – Niveaux acoustiques été/hiver. – COP (coefficient de performance) été/hiver. – Alimentation électrique. – Dimensions. – Poids. – Nombre d’unités connectables.

1.3.4 Coefficient de performance (COP) COP = énergie restituée/énergie consommée La liste des pompes à chaleur certifiées NFPAC est disponible sur le site de Certita (www.certita.org).

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SYSTÈMES DE CLIMATISATION _______________________________________________________________________________________________________

PASSERELLE D’INTÉGRATION 1. Mode de fonctionnement 2. Température des zones 3. Température de consigne 4. Vitesse du ventilateur de l’unité intérieure

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Figure 6 – Pompe à chaleur air-air (© www.Xpair.com)

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L’efficacité d’une pompe à chaleur est définie par l’énergie restituée par rapport à l’énergie consommée. Le coefficient de performance d’une pompe à chaleur est étroitement lié à la température du circuit primaire (air, sol, eau) et est limité en puissance par le circuit secondaire (chauffage ou climatisation). La chaleur utile échangée dans le compresseur ainsi que la quantité d’énergie utilisée sont exprimées kW (kilo watt).

Résumé de la norme NF EN 14825 annulée le 8 juillet 2016 Cette norme couvre les climatiseurs, les pompes à chaleur et les groupes refroidisseurs de liquide. Elle s’applique aux appareils fabriqués en usine définis dans la norme EN 14511-1 d’octobre 2013, excepté les appareils à simple raccordement, les appareils pour armoire de commande et les appareils pour enceinte contrôlée. Elle donne les méthodes de calcul permettant de déterminer l’efficacité frigorifique saisonnière SEER et SEERon de référence, et le coefficient de performance saisonnier SCOP, SCOPon et SCOPnet de référence. Ces méthodes de calcul peuvent être fondées sur des valeurs mesurées ou calculées. Dans le cas de valeurs mesurées, la norme européenne NF EN 14825 [annulée le 8 juillet 2016] couvre les méthodes d’essai relatives à la détermination des puissances et des valeurs d’EER et de COP pendant le mode actif, dans les conditions de charge partielle. Elle couvre également les méthodes d’essai relatives à la consommation d’énergie électrique en mode arrêt par thermostat, en mode veille, en mode arrêt et en mode dispositif de chauffage de carter. Cette norme sert d’entrée pour le calcul de l’efficacité frigorifique en mode chauffage des systèmes de pompes à chaleur spécifiques situés dans des bâtiments, comme stipulé dans la norme EN 15316-4-2 de janvier 2010 [annulée le 3 juin 2017].

Le coefficient de performance annuel d’une pompe à chaleur ne peut être interprété que s’il est accompagné de deux températures de référence. Lorsque l’on parle d’un COP de 3 (+ 7 °C, + 65 °C) pour une pompe à chaleur air/eau cela signifie que s’il fait 7 °C dehors, la pompe consomme 1 kWh d’électricité pour générer 3 kWh de chauffage en chauffant l’eau à 65 °C. Le COP est meilleur lorsque la différence entre ces deux températures est plus faible. Il existe d’autres paramètres permettant de comparer les performances à charges partielles, comme le SCOP (coefficient de performance saisonnier) selon la norme NF EN 14825 de novembre 2013. Le SCOP représente la performance annuelle de la pompe à chaleur.

1.3.5 Entretien Pour une pompe à chaleur utilisant l’air ambiant, les filtres doivent être nettoyés régulièrement afin d’éviter la prolifération de bactéries. Les détenteurs d’équipements de réfrigération ou de climatisation sont tenus de s’assurer du bon entretien de leurs équipements selon le décret n° 98-560 du 30 juin 1998 modifiant le décret n° 92-1271 du 7 décembre 1992 relatif à certains fluides frigorigènes utilisés dans les équipements frigorifiques et climatiques. Ils doivent faire procéder par une entreprise remplissant les conditions prévues par ce décret, au moins une fois par an ainsi que lors de la mise en service et lors de modifications importantes de leurs équipements, à un contrôle d’étanchéité des éléments assurant le confinement des fluides frigorigènes, en prenant toutes mesures pour mettre fin aux fuites de fluides frigorigènes constatées. Ils tiennent à la disposition de l’Administration les pièces attestant que ce contrôle et les interventions nécessaires ont été réalisés. Le non-respect de la réglementation peut entraîner des amendes.

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1.3.6 Contrôles L’inspection est effectuée à l’initiative du propriétaire ou du syndicat de copropriété de l’immeuble ; elle doit être réalisée au moins une fois tous les cinq ans par un inspecteur certifié par un organisme accrédité (décret n° 2010-349 du 31 mars 2010 relatif à l’inspection des systèmes de climatisation et des pompes à chaleur réversibles). En cas de remplacement d’un système de climatisation ou d’une pompe à chaleur réversible, ou d’installation d’un nouveau système de climatisation ou d’une nouvelle pompe à chaleur réversible, la première inspection doit être effectuée au plus tard au cours de l’année civile suivant le remplacement ou l’installation.

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________________________________________________________________________________________________________ SYSTÈMES DE CLIMATISATION

L’inspection comporte l’analyse documentaire, l’évaluation, lors du contrôle sur site, du rendement du système de climatisation et de son dimensionnement par rapport aux exigences en matière de refroidissement du bâtiment, ainsi que la fourniture des recommandations nécessaires portant sur le bon usage du système en place, les améliorations possibles de l’ensemble de l’installation, l’intérêt éventuel du remplacement de celui-ci et les autres solutions envisageables. Elle donne lieu à la remise, par la personne ayant effectué l’inspection, d’un rapport dans un délai maximum d’un mois suivant sa visite au commanditaire de l’inspection mentionné. La meilleure solution est de souscrire un contrat de maintenance. Le contrôle se déroule en trois étapes : 1) une analyse documentaire ; 2) une étude de performance énergétique simplifiée (neuf critères) ; 3) un contrôle des équipements.

1.4 Centrale de traitement de l’air indispensable pour le conditionnement

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Une centrale de traitement d’air (CTA) est un équipement de traitement d’air qui va modifier les conditions thermiques de l’air visant à modifier les caractéristiques d’un flux d’air dédié au chauffage, au rafraîchissement, à l’humidification ou à la déshumidification des locaux qui ont besoin d’une ambiance particulière.

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Elle permet : – de ventiler par l’introduction d’air neuf et l’extraction d’air vicié ; – de filtrer l’air ; – de chauffer par soufflage d’air chaud ; – de rafraîchir par soufflage d’air froid ; – de déshumidifier par condensation de la vapeur d’eau ; – d’humidifier par vaporisation d’eau ; – de purifier à l’aide de lampe UV. L’air traité sera ensuite diffusé dans les locaux desservis grâce à des réseaux de gaines métalliques ou autres de formes et sections adaptées, avec des diffuseurs correspondant aux besoins. Il s’agit de conditionnement et non de climatisation.

2. Différents systèmes de climatisation En été, une climatisation doit permettre de maintenir la température ambiante d’une pièce à 5 à 6 °C en dessous de la température extérieure et le taux d’humidité à un niveau acceptable (65 %), selon les conditions extérieures. Pour des raisons d’esthétique et de nuisances sonores, il faut bien choisir le lieu d’implantation de l’unité extérieure afin de ne pas incommoder le voisinage qui peut se plaindre et vous obliger à déplacer la pompe à chaleur. Elle ne doit pas être placée dans une zone fortement ensoleillée, sinon le condenseur aura des difficultés pour évacuer la chaleur. Il existe plusieurs façons de classer les systèmes de climatisation ; généralement on distingue quatre familles de produits : – les systèmes à détente directe ; – les systèmes air/air ; – les systèmes tout-eau ; – les systèmes de pompe à chaleur sur boucle d’eau.

2.1 Systèmes à détente directe Le climatiseur à détente directe produit de l’air froid en prélevant de la chaleur dans l’air intérieur ; il le refroidit et peut le rejeter à l’extérieur. Le fluide frigorigène de la machine circule dans les échangeurs en contact avec l’air intérieur (évaporateur) et l’air extérieur (condenseur à air). Sur l’évaporateur, le refroidissement de l’air amène la formation de condensats. Leur évacuation est nécessaire ; elle peut se faire par gravité lorsque l’évaporateur se trouve au-dessus d’un point d’évacuation. À défaut, certains climatiseurs sont équipés d’une minipompe de relevage permettant l’évacuation des condensats. Cette famille regroupe plusieurs appareils.

■ Les unités monobloc Le monobloc regroupe dans une même unité les équipements pour la détente (détendeur + évaporateur) et la compression (condenseur + compresseur), les calories extraites étant rejetées à l’extérieur. Les climatiseurs type Windows (chauffage seul ou réversible) s’installent généralement dans une paroi au droit d’une fenêtre ou en partie haute dans un magasin, par exemple. Ils sont composés : – d’un compresseur ; – d’un condenseur ; – d’un déshydrateur capillaire ; – d’un évaporateur ; – d’une tuyauterie haute pression ; – d’une tuyauterie liquide ; – d’une tuyauterie basse pression.

■ Les climatiseurs mobiles Il s’agit d’un simple refroidisseur d’air à détente directe. Ces appareils imposent de passer un tuyau par un orifice ou dans l’entrebâillement d’une fenêtre pour évacuer le flux de chaleur du condenseur. Ce sont des appareils à puissance frigorifique limitée.

■ Les split-systems Les split-systems sont composés d’une unité extérieure PAC (condenseur + compresseur) et d’une unité intérieure (détendeur + évaporateur) reliées par une liaison frigorifique en tubes cuivre. Ils fonctionnent pour produire du froid ou de la chaleur, le local devant être étanche. Le monosplit est composé d’une unité extérieure et une seule unité intérieure ; il ne refroidit qu’une pièce à la fois et fonctionne en circuit fermé. Il ne rejette pas d’air à l’extérieur, d’où l’obligation d’installer une VMC. Le multisplit est composé d’une unité extérieure et de plusieurs unités intérieures permettant de refroidir plusieurs pièces à la fois, et fonctionne en circuit fermé ; les unités intérieures ne rejettent pas d’air à l’extérieur, d’où l’obligation d’installer une VMC.

■ Les variantes La climatisation VRV (volume réfrigérant variable) – DRV (débit réfrigérant variable) est un système muni d’une détente directe. Une unité extérieure va être capable d’alimenter des unités intérieures via des tubes frigorifiques. Ce type de climatisation est souvent utilisé dans les hôtels, bureaux, grandes villas. Ils ont tous deux une unité située à l’extérieur, et peuvent aller jusqu’à 25/30 unités à l’intérieur. Chaque fabricant a son propre système, mais le principe de fonctionnement est le même. L’unité extérieure peut adapter le volume de réfrigérant et sa puissance selon ce que nécessite l’installation. Les principales spécificités selon les fabricants sont : – un COP (coefficient de performance) élevé ; – un fonctionnement avec des températures extérieures de – 15 °C ;

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– une adaptation des températures de soufflage en fonction de la température extérieure ; – une puissance frigorifique de 5 à 90 kW ; – jusqu’à 60 unités intérieures sur un circuit ; – des longueurs de tube de 1 000 m cumulés maximum ; – un dénivelé entre unités intérieures et extérieures de 90 m ; – la possibilité d’optimiser la régulation par zone en fonction de l’orientation des bâtiments ; – une charge automatique de la quantité de réfrigérant ; – une facilité d’installation grâce à des tubes de petites dimensions ; – une large gamme d’unités intérieures, cassettes, plafonniers, etc. de puissances différentes ; – des unités extérieures peu encombrantes ; – des modèles à condensation à air ou à eau ; – un large choix de télécommandes simplifiées, programmables, centralisées, infrarouge ; – la gestion par télésurveillance par ordinateur ou par Internet.

chaque pièce, ainsi qu’une grille de reprise pour éviter de mettre la pièce en pression.

Ces différents équipements ne prennent pas en charge le renouvellement de l’air dans le bâtiment et nécessitent l’ajout d’une VMC simple ou double flux.

Ce système décentralisé de climatisation fonctionne à partir d’une boucle d’eau en circuit fermé où circule une eau maintenue à une température comprise entre 18 et 40°.

2.2 Systèmes « air-air »

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Ils comprennent la préparation, le transport et la distribution de l’air traité.

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Le mélange d’air neuf et d’air repris en provenance des locaux climatisés est diffusé directement dans les pièces via un réseau de gaines et de bouches de soufflage au sein du bâtiment. Ces équipements prennent donc en charge le renouvellement de l’air dans le bâtiment en introduisant un mélange d’air neuf et repris nécessaire à l’obtention des conditions d’hygiène requises. Ils ne nécessitent pas obligatoirement l’ajout d’une VMC simple ou double flux. Dans le cas qui nous intéresse, ces systèmes sont des pompes à chaleur. Le système de pompe à chaleur air/air gainable est adapté aux particuliers. Une pompe à chaleur alimente une unité d’évaporation placée dans les combles ou dans un faux plafond et distribue l’air à différentes pièces. Il y a seulement une bouche de soufflage dans

2.3 Systèmes « tout-eau » Ces systèmes préparent, transportent via un réseau au sein du bâtiment et distribuent l’eau glacée aux pièces afin de refroidir l’air localement. Le groupe refroidisseur de liquide produit de l’eau glacée qui est ensuite transportée vers les pièces afin de climatiser l’air. À la différence de la catégorie air-air, un système de renouvellement d’air est indispensable pour satisfaire les conditions d’hygiène. Ce système est adapté pour des installations concernant de grands ensembles tertiaires, résidentiels ou industriels ; il ne concerne pas les particuliers.

2.4 Systèmes de pompes à chaleur sur boucle d’eau

C’est un intermédiaire entre les systèmes tout-eau et à détente directe. Les pompes à chaleur réversibles réparties sur la boucle d’eau prélèvent ou rejettent de la chaleur vers cette dernière en fonction des besoins du local qu’elles desservent. Un système de renouvellement d’air est indispensable pour satisfaire les conditions d’hygiène. Ce système est utilisé pour des centres commerciaux, immeubles de bureaux, résidences hôtelières, galeries commerciales, dont les facteurs climatiques varient dans la journée. Il ne concerne pas les particuliers. C’est en demi-saison que le fonctionnement de cette boucle est énergétiquement intéressant, quand simultanément des locaux marchent en chauffage et en climatisation permettant un transfert d’énergie entre eux en minimisant le fonctionnement de la chaudière ou de la tour de refroidissement (figure 7). Les avantages sont les suivants : – installation rapide et souple ; – régulation indépendante ; – facturation de la consommation individuelle énergie) ; – individualisation du confort ; – économies d’énergie en demi-saison.

Chaudière

PAC

: Vanne 3 voies PAC

PAC

Tour refroidissement

ABCCLIM Bouteille de mélange

Figure 7 – Système de pompe à chaleur sur boucle d’eau (© ABCCLIM)

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(compteur

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Ventilateur condenseur Échangeur Filtres Compartiment électrique

Ventilateur

ur

Danger

Filtres

Éch

an

ge

Compresseur Registres

Air neuf

Mode froid

Reprise

Soufflage

Figure 8 – Roof-top (© ABCCLIM)

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2.5 Roof-Top

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Le Roof-Top (figure 8) est un appareil de climatisation et de chauffage monobloc qui peut être, selon les cas, positionné en toiture ou au sol. Il convient au traitement des locaux de grandes surfaces tels que les supermarchés et grands magasins. Lorsqu’il est installé en toiture, le Roof-Top est positionné sur un châssis métallique. Le soufflage de l’air dans la surface traitée peut se faire avec : – un réseau de gaines (circulaires ou rectangulaires) en acier galvanisé avec des diffuseurs circulaires en acier ; – un réseau de gaines textiles perforées. Le Roof-top se compose : – d’un circuit frigorifique complet (échangeurs, compresseur, détendeur + protection du circuit) ; – d’un ventilateur de soufflage (motoventilateur) ; – d’un coffret électrique complet (sectionneur, télécommande, régulation par automate programmable) ; – d’une supervision, protocol ModBus, LON ; – d’un ensemble de filtrations sur l’air repris et sur l’air neuf avec détection encrassement filtre ; – d’un volet de mélange, air neuf/air repris permettant d’assurer un renouvellement d’air optimal ; – de résistances électriques d’appoint gérées par l’automate, utilisées en relevage quand les températures sont basses. Il existe plusieurs types de roof top ; les plus fréquents se présentent ainsi : – froid seul – air/air ; – froid seul – air/air + résistances électriques ; – froid seul – air/air + batterie eau chaude ; – froid seul – air/air + générateur (brûleur gaz) ; – pompe à chaleur (réversible) – air/air + résistances électriques ; – pompe à chaleur (réversible) – air/air + batterie eau chaude.

2.6 Système MTA des établissements Carrier Le MTA n’est pas un simple système de climatisation qui permet de régler la température ambiante. C’est un « système global de confort intégré au bâtiment ».

Le module de traitement d’air Carrier 42GR est une unité de climatisation compacte, disponible en deux tailles utilisables de 350 à 500 m3/h (97 à 139 L/s) permettant de traiter des locaux de 25 à 40 m2. Il comporte principalement un ventilateur centrifuge, un filtre à air, une batterie à eau chaude ou électrique, une batterie à eau froide, le tout asservi par une régulation numérique Carrier ou autre. Ce module est raccordé sur le chantier par deux gaines souples (gaines isophoniques, calorifugées au soufflage, hors fournitures Carrier) à un ou plusieurs plénums comportant un diffuseur linéaire Carrier à haut pouvoir d’induction, parfaitement intégré dans le faux plafond du local à climatiser (gamme Moduboot Carrier 35BD/35SR) et pouvant assurer simultanément le soufflage et la reprise d’air (selon le type d’unité sélectionnée). En version haut de gamme, le 42GR MTA peut être équipé d’une régulation numérique Carrier ; chaque occupant aura alors à sa disposition un boîtier de commande à distance (microterminal domotique) placé sur son bureau ou fixé au mur (support mural), lui permettant le choix et la visualisation des conditions de confort selon ses désirs, à savoir : – température ambiante du local ; – mise en mode occupé ou inoccupé par l’utilisateur de chaque 42GR MTA pour répondre aux exigences d’économie d’énergie ; – fonction air forcé (renouvellement de l’air du bureau) ; – allumage ou extinction des sources lumineuses (en option) ; – réglage de l’inclinaison des stores aux fenêtres ; – montée/descente/inclinaison (en option). En outre, la gestion technique centralisée (GTC) du bâtiment permet de contrôler chaque module en fonction des impératifs de l’exploitant ou des réglementations locales. Les 42GR MTA sont conçus pour être installés dans un local technique au centre de l’espace à climatiser. Ils sont disposés côte à côte, et leur grande pression disponible leur permet de pouvoir fonctionner avec des réseaux de gaines importants. La centralisation des 42GR MTA dans un local technique facilite beaucoup la maintenance de l’installation. Pour avoir toutes les informations, le lecteur est invité à consulter le site Carrier (www.carrier.fr/produits_carrier_climatisation_chauffage/.../24243_iom_02_2005.pdf).

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3. Pompes à chaleur réversibles avec terminal alimenté en eau froide ou chaude

chaleur prélevée dans l’eau est émise par des radiateurs, des ventilo-convecteurs et des planchers chauffants.

3.2 Terminaux 3.2.1 Radiateurs 3.2.1.1 Radiateurs haute température

3.1 Pompes à chaleur (production) 3.1.1 Pompe à chaleur air/eau aérothermie Dans les années 2010, les pompes à chaleur cessaient de fonctionner dès que la température descendait en dessous les – 5 °C ; aujourd’hui, la plupart des pompes à chaleur fonctionnent encore à – 15 °C, voire – 25 °C. Cela était un problème car les utilisateurs des tarifs spéciaux EDF, EJP ou TEMPO ne pouvaient pas utiliser leur pompe à chaleur quand le tarif était le plus cher, ce qui obligeait de disposer d’une chaudière en relève. Il ne faut pas oublier que le coefficient de performance chute lorsque la température est basse.

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Les pompes à chaleur air/eau réversibles fonctionnent également pour produire de l’eau froide pour rafraîchir en été lorsque les logements sont équipés de planchers chauffants, de ventilo-convecteurs ou de radiateurs.

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Les radiateurs haute température actuellement disponibles sur le marché doivent être alimentés par une pompe à chaleur haute température, après éventuellement avoir été alimentés par une chaudière. Ces pompes à chaleur sont capables de fournir une eau à 80 °C par une température de – 20 °C, ce qui est largement suffisant pour alimenter les radiateurs, même si ceux-ci étaient alimentés au préalable par une chaudière. 3.2.1.2 Radiateurs basse température Ces radiateurs, plus volumineux, sont alimentés par les pompes à chaleur classiques.

3.2.2 Ventilo-convecteurs

3.1.2 Pompe à chaleur géothermique

Le ventilo-convecteur est un appareil qui permet de traiter l’air d’un local, aussi bien en chauffage qu’en climatisation. L’air repris dans la pièce est filtré, puis il traverse un ou deux échangeurs avant d’être pulsé par un ventilateur dans la pièce. Il peut être placé au sol, fixé au mur, au plafond ou encore intégré dans un plafond avec un réseau de gaines.

La pompe à chaleur géothermique récupère les calories présentes dans le sol par l’intermédiaire de capteurs souterrains. Il existe trois types de captage : horizontal, vertical et sur eau « de nappe ».

Le ventilo-convecteur permet d’assurer le confort thermique en toutes saisons. Ce n’est qu’un radiateur équipé d’un ventilateur et d’un moteur basse consommation. Sa particularité est qu’il est réversible et peut donc produire la chaleur comme la fraîcheur, ce qui n’est pas le cas d’un radiateur.

Rappel Les capteurs horizontaux tubes en polyéthylène disposés en serpentin sont enterrés juste en dessous de la surface du sol. Le système est enterré à une profondeur comprise entre 0,60 et 1,20 m, sur une surface de terrain de 1,5 à 3 fois égale à la surface habitable à chauffer, d’où la nécessité de disposer d’une surface suffisante. La chaleur prélevée dans le sol est émise par des radiateurs, des ventilo-convecteurs et/ou des planchers chauffants. Les capteurs verticaux sont placés dans un ou plusieurs forages, à une profondeur comprise entre 80 et 120 m. Cette solution est utilisée quand la surface du terrain est insuffisante. La chaleur prélevée dans le sol est émise par des radiateurs, des ventilo-convecteurs et/ou des planchers chauffants.

3.1.3 Pompe à chaleur hygrothermique Le captage s’effectue sur eau « de nappe » (pompe à chaleur eau-eau). Ce système ne peut être installé qu’en présence d’une source d’eau (cours d’eau, nappe phréatique, source ayant un débit constant et suffisant, etc.). Des sondes verticales permettent de prélever et de réinjecter l’eau de nappe. Il faut se renseigner auprès de la DIRE (Direction régionale de l’industrie, de la recherche et de l’environnement) pour les déclarations nécessaires en fonction, par exemple, de la profondeur des puisages et de la distance entre puisage et réinjection. Les calories ainsi récupérées sont ensuite utilisées pour faire fonctionner la pompe à chaleur géothermique selon les mêmes principes généraux que les pompes à chaleur air-air et air-eau. La

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Les atouts du ventilo-convecteur sont nombreux : – rapidité de chauffe : le système de ventilation permet de chauffer une pièce plus rapidement qu’un système hydraulique ; – avec une pompe à chaleur réversible, le ventilo-convecteur peut servir de climatisation l’été ; – air sec et sain : cet équipement est censé fournir un air filtré. Le bac de récupération des condensats est raccordé au réseau d’évacuation. Dans le cas où le ventilateur est accroché au plafond, cette évacuation n’est pas toujours aisée. On a parfois recours à une pompe de relevage. Le ventilo-convecteur présente cependant quelques inconvénients : – bruyant : malgré les progrès techniques, certains ventilo-convecteurs restent assez bruyants. En général, ils possèdent trois vitesses réglables, ce qui permet, suivant les besoins, de le rendre moins bruyant ; – peu d’inertie : il chauffe rapidement, mais la chaleur s’estompe dès que le ventilo-convecteur est éteint comme c’est le cas d’un split ; – l’installation du réseau de gaines peut s’avérer complexe selon la configuration des lieux pour les ventilateurs devant alimenter plusieurs pièces.

3.2.3 Planchers chauffants rafraîchissants Le choix d’un plancher ou d’un mur alimenté par une pompe à chaleur réversible air-eau, sol-eau ou eau-eau permet de chauffer les habitations en hiver alimentés en eau à 25/35 °C et de les rafraîchir en été avec une eau à 16/18 °C. Il existe différentes solutions de planchers chauffants, et il est préférable pour les planchers et murs réversibles de choisir une solution à faible inertie. C’est le cas des planchers et des murs de faible épaisseur.

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Alimentation en air primaire à 15° C Soufflage le long du plafond de l’air primaire + de l’air ambiant recyclé

Alimentation en eau à 15 °C

Recyclage de l’air ambiant Figure 9 – Principe de fonctionnement de la poutre froide (© www.Xpair.com)

3.2.4 Plafonds chauffants et rafraîchissants Le principe de fonctionnement du plafond chauffant réfrigérant hydraulique s’apparente à celui du chauffage au sol. Mais contrairement au chauffage au sol, le chauffage par le plafond ne rencontre aucun obstacle, comme un meuble ou un tapis, pour diffuser la chaleur et monte plus rapidement en température.

2) la CTA double flux (figure 11) qui permet toutes les combinaisons possibles entre la reprise d’air, l’air neuf, l’air rejeté, l’air traité, suivant la configuration. Ce système est particulièrement bien adapté pour le chauffage et le rafraîchissement des grands volumes dans lesquels on veut maintenir de très bonnes conditions de température, été comme hiver, tels que les : – salles polyvalentes à dominante culturelle ou sportive ; – supermarchés et hypermarchés ;

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3.2.5 Poutres froides

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– salles recevant du public (cinémas, salles de spectacles) ;

La poutre froide (figure 9) est un appareil terminal de climatisation effectuant les fonctions suivantes : – refroidissement ; – chauffage ; – ventilation. Les poutres froides sont alimentées en air primaire et en eau à environ 14 °C. L’air primaire est soufflé de part et d’autre de l’appareil en longeant le plafond. Cet air primaire entraîne l’air ambiant par induction au travers de la grille centrale, et celui-ci se refroidit au contact de la batterie froide alimentée en eau à 14 °C. Il n’y a ni condensation, ni filtre. Le recyclage de l’air ambiant se fait de façon individuelle et sans communication avec le plénum constitué par le faux plafond. Le chauffage est assuré par l’intermédiaire d’une résistance électrique placée dans la batterie froide. Ces appareils peuvent fonctionner indépendamment en mode refroidissement ou chauffage en fonction de la demande de l’utilisateur. Aucun organe mécanique, ventilateur, terminal ou pièce mobile n’est nécessaire pour assurer le bon fonctionnement de la poutre froide. Il n’y a pas de risque de panne, ni d’entretien ou de maintenance spécifique.

4. Centrales de traitement de l’air Une centrale de traitement de l’air (CTA) peut être de type monobloc, ou constituée de modules additionnés les uns aux autres suivant la configuration, les modules ventilation, batteries froides et chaudes, filtres, etc. Il existe deux types de centrales de traitement d’air : – 1) la CTA simple flux (figure 10) qui est soit tout air neuf, soit tout air repris ou encore un mélange des deux flux ;

– halls de stockage ; – ateliers de haute technologie (salles blanches) ; – hôpitaux.

5. Climatisation solaire La climatisation solaire désigne l’ensemble des systèmes utilisant l’énergie solaire comme ressource énergétique primaire afin de refroidir un bâtiment. En théorie, il existe plusieurs moyens de produire du froid à partir de la ressource énergétique du soleil : – convertir l’énergie solaire thermique en énergie mécanique couplée avec un climatiseur à compression ; – utiliser l’énergie solaire thermique pour alimenter une machine à froid dite à « sorption » (absorption ou adsorption) ; – utiliser l’énergie solaire thermique pour alimenter un système de conditionnement d’air par évaporation. Actuellement, les systèmes de climatisation solaire les plus répandus sont les systèmes à « absorption », mais n’oublions pas que nous sommes au début de cette technologie.

5.1 Principes de fonctionnement d’une solution solaire Une solution solaire de production d’eau chaude et de chauffage se compose de capteurs placés sur le toit, d’un ballon de stockage de chaleur, de modules hydrauliques et d’une unité de régulation. Les capteurs absorbent les rayons du soleil, les modules hydrauliques transfèrent la chaleur vers le ballon qui centralise le stockage et redistribue la chaleur nécessaire pour la production d’eau chaude sanitaire et de chauffage. Si l’énergie fournie par le soleil ne suffit pas à satisfaire la demande, la pompe à chaleur utilise l’air environnant (figure 12).

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SYSTÈMES DE CLIMATISATION _______________________________________________________________________________________________________

Sonde de reprise

Pressostat filtres Pressostat variateur vitesse + – ΔP + – Thermostat antigel ΔP Volet incendie + moteur

Volet de reprise Sonde d’air neuf

DAD

Caisson de mélange

Volet air neuf

Sonde de soufflage

Filtration

Tête détection incendie

Moteur + ventilateur

Vannes 3 voies chaude

Vannes 3 voies froide

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Figure 10 – Détails d’une centrale de traitement d’air, simple flux (© ABCCLIM)

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+

ΔP

– +

ΔP

–

Figure 11 – Centrale double flux (© ABCCLIM)

■ Dispositif à « absorption » La technique de climatisation solaire la plus courante utilise des capteurs solaires pour fournir de la chaleur à un dispositif à absorption. Ce dispositif dissocie par ébullition une solution d’eau et de bromure de lithium. Après refroidissement, la recombinaison des deux composants produit du froid qui est distribué dans un système de climatisation classique dans le bâtiment.

■ Dispositif à « adsorption » Une autre technologie utilisée, moins répandue que la précédente, est la technique de climatisation solaire à adsorption. Ce dispositif présente un grand intérêt pour l’avenir de la climatisa-

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tion grâce à l’énergie solaire. Comme pour les systèmes à absorption, le dispositif à adsorption produit de l’eau glacée qui peut être utilisée dans une centrale de traitement de l’air. La différence provient de l’utilisation d’un récipient sous vide et de gel de silice pour absorber la vapeur d’eau.

■ Système de climatisation par évaporation Une troisième technologie utilisée consiste à concevoir un système ouvert où l’eau est en contact direct avec l’air à refroidir. Ces systèmes de climatisation par dessiccation (DEC), ou évaporation, augmentent l’humidité de l’air et réduisent la température ambiante.

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Groupe de transfert solaire

HKM20HE

Ballon de stockage (PSR-E)

Eau froide

Ca

Eau chaude sanitaire

pt eu

r

________________________________________________________________________________________________________ SYSTÈMES DE CLIMATISATION

Pompe à chaleur Circulateur système (CPHP)

Module d’eau sanitaire

Figure 12 – Principe de fonctionnement d’une solution solaire assistée par pompe à chaleur (© www.Xpair.com)

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5.2 Exemple de climatisation solaire réversible avec la société Helioclim

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Helioclim propose une solution de climatisation solaire réversible pour répondre aux besoins en climatisation, chauffage, eau chaude sanitaire, mais également à tout besoin frigorifique (jusqu’à – 60 °C) (tableau 1).

Tableau 1 – Modes de chauffage et climatisation possibles par la climatisation solaire

Mode standard

Options

• Mode froid en été pour les besoins en climatisation • Mode chaud en hiver pour les besoins en chauffage • Stockage intégré de l’énergie en chaud ou en froid • Énergie de relève en cas d’ensoleillement insuffisant • Froid industriel (4 °C ; – 18 °C, – 24 °C et jusqu’à – 60 °C) • Eau chaude sanitaire (jusqu’à + 60 °C) • Climatisation à hygrométrie contrôlée

Ce système est basé sur une machine à absorption eau/ammoniac, intégrant une solution interne de stockage de l’énergie et alimenté par un ensemble de capteurs solaires thermiques à concentration (figure 13). Il utilise une pompe à chaleur thermique, ce qui permet de produire plus d’énergie que l’énergie solaire collectée, notamment en mode chauffage ; cela permet d’envisager une fraction solaire très importante des besoins en chauffage, même dans les zones où l’ensoleillement est plus faible. Cette solution est adaptée aux petites et grandes surfaces, et se raccorde aux systèmes de distribution classiques.

■ Principe de fonctionnement Quatre entités composent la machine à absorption : le condensateur, l’évaporateur, le désorbeur et l’absorbeur. Le mélange eau/ammoniaque contenu dans le désorbeur est chauffé par la source d’énergie (dans ce cas, la chaleur issue des capteurs solaires à concentration). L’ammoniac s’évapore et passe à travers un rectifieur qui vient purifier les vapeurs de l’eau résiduelle. Le

mélange appauvri en ammoniaque est conduit vers l’absorbeur. L’ammoniac pur à l’état gazeux est ensuite recondensé au niveau du condenseur, avec production de chaleur. Après le passage de l’ammoniac liquide dans un échangeur liquide vapeur qui va prérefroidir le fluide, un détendeur va permettre l’évaporation de l’ammoniac dans l’évaporateur, conduisant à la production de froid. La vapeur d’ammoniac est ensuite dirigée dans l’absorbeur où elle va s’absorber dans la solution pauvre en ammoniaque issue du désorbeur. Cette nouvelle solution, riche en ammoniaque, est ensuite reconduite au désorbeur pour un nouveau cycle (figure 14).

6. VMC (ventilation mécanique contrôlée) La VMC a pour objectif de renouveler l’air intérieur vicié des habitations pour la santé de leurs occupants. Elle permet, pour les locaux climatisés, de renouveler l’air en contrôlant sa quantité. Couplée à un puits canadien ou puits géothermique, elle permet de rafraîchir naturellement le logement.

6.1 VMC simple flux L’air extérieur entre par les grilles d’entrée d’air situées dans les pièces principales, généralement placées dans la traverse haute des fenêtres et portes-fenêtres, puis traverse les habitations. Il est ensuite rejeté à l’extérieur par des grilles placées dans les salles de bains, WC et cuisines (figure 15). Le groupe peut être placé dans les combles ou dans un placard. Il existe deux types de VMC simple flux : – la VMC autoréglable qui garantit des débits d’air constants quelles que soient les conditions d’humidité extérieure et intérieure ; – la VMC hygroréglable qui adapte automatiquement le débit d’air aux besoins des occupants selon les variations du taux d’humidité.

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SYSTÈMES DE CLIMATISATION _______________________________________________________________________________________________________

Système de climatisation solaire réversible

Capteurs solaires Concentrateurs cylindroparaboliques à très haut rendement et faible masse permettant de chauffer le fluide circulant dans l’absorbeur au foyer de la parabole. Aucun problème d’éblouissement.

Machine à absorption

Parution : septembre 2017 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200051267 - universite du havre // 195.220.135.38

Machine permettant de produire de l’eau glacée pour la climatisation et de l’eau chaude pour le chauffage : • Froid industriel (4° C ; – 18° C, – 24° C et jusqu’à – 60° C). • Eau chaude sanitaire • Climatisation à hygrométrie contrôlée.

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Absorbeur

Stockage de l’énergie

Energie de relève

Stockage innovant intégré à la machine, pour répondre à l’intermittence solaire. Stockage de faible volume et sans perte dans le temps contrairement au stockage thermique.

En cas d’indisponibilité solaire prolongée le système fait appel à une énergie de relève. Même dans ce cas le système reste écologiquement intéressant grâce au rendement de 160 % sur PCI en mode chauffage.

Distribution La chaleur provenant des capteurs solaires alimente la machine. La machine produit de l’eau glacée et de l’eau chaude et se raccorde aux systèmes de distribution classiques

Tube absorbeur sous vide avec traitement sélectif à très faible émissivité et très haute absorptivité solaire

Figure 13 – Climatisation solaire réversible (© Helioclim)

CONDENSEUR

ÉVAPORATEUR

EAU TIÈDE POUR CHAUFFAGE

EAU GLACÉE POUR CLIM DÉTENDEUR

ÉCHANGEUR LIQUIDE/VAPEUR RECTIFIEUR

EAU CHAUDE SOLAIRE

EAU TIÈDE POUR CHAUFFAGE

DÉTENDEUR

DÉSORBEUR

ÉCHANGEUR DE SOLUTIONS POMPE

ABSORBEUR

Figure 14 – Principe de fonctionnement de la machine à absorption eau/ammoniac (© Helioclim)

6.2 VMC double flux Le principe est le même que pour la VMC simple flux. La présence d’un échangeur permet de récupérer la chaleur de l’air extrait pour réchauffer l’air extérieur entrant dans l’habitation par

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une ou plusieurs grilles placées dans la paroi extérieure (figure 16). Elle permet de faire des économies par rapport à la VMC simple flux.

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________________________________________________________________________________________________________ SYSTÈMES DE CLIMATISATION

Figure 15 – VMC simple flux (© Aldes)

Figure 16 – VMC double flux (© Aldes)

Le sol présente, de par son inertie, une température qui varie très lentement. Le principe recherché est d’insuffler dans un habitat un air extérieur à une température proche de 10 à 20 °C selon les saisons.

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Le terme « puits canadien » (qui ne vient pas du Canada), ou « puits provençal », désigne une solution technique permettant de préchauffer ou rafraîchir l’air introduit dans l’habitat par une VMC en utilisant la température du sol autour de la maison. C’est un système géothermique de surface.

En alternative à la solution précédente, on retrouve les puits à eau glycolée, remplaçant les collecteurs géothermiques à air. Le principe est proche : le circuit d’eau circulant dans le sol capte les calories du sol et les restitue à l’air soufflé avec une batterie d’échange (figures 17 et 18).

Grille prise d’air neuf Prise d’air extérieure inox ∅ 200 mm

Coude 90°

Gaine isolée ∅ 200

Vanne ∅ 200 Traversée de mur

Barre 1 m ∅ 200 mm

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7. Puits canadien

Coude 90°

Té inégal 200-160 (vers VMC Aldès) + Réduction 160-150 (vers VMC Unelvent) + Réduction 160-125 (vers VMC Atlantic) Coude 90°

Barres 3 m ∅ 20 0 mm Longueu r ~ 30 m

Évacuation condensats

Figure 17 – Puits canadien à air : schéma de principe pour installation en bâtiments avec sous-sol – maison avec cave (© Unelvent)

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SYSTÈMES DE CLIMATISATION _______________________________________________________________________________________________________

Grille prise d’air neuf

Coude 90°

Prise d’air extérieure inox ∅ 200 mm

Gaine isolée ∅ 200 Vanne ∅ 200

Barre 1 m ∅ 200 mm

Té inégal 200-160 (vers VMC Aldès) + Réduction 160-150 (vers VMC Unelvent) + Réduction 160-125 (vers VMC Atlantic)

Coude 90°

Coude 90°

Traversée de mur

Parution : septembre 2017 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200051267 - universite du havre // 195.220.135.38

Barres 3 m ∅ 20 0 mm Longueu r ~ 30 m

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Figure 18 – Puits canadien à air : schéma de principe pour installation en bâtiments sans sous-sol – maison sans cave (© Unelvent)

8. Conclusion

9. Acronymes

La fonction de la climatisation est d’assurer le confort d’été et d’hiver des habitations, des bureaux, des commerces, des ateliers en modifiant la température de l’air pour que les occupants n’aient pas la sensation de froid ou de chaud.

BRGM

Bureau de recherches géologiques et minières

COP

Coefficient de performance

Il est important que la température intérieure en été ne soit pas inférieure de plus de 5 à 6 °C par rapport à la température extérieure pour éviter les risques de maladie, alors qu’en hiver, seule la température intérieure est à prendre en considération.

CTA

Centrale de traitement d’air

DEC

Climatisation par dessiccation

DIRE

Direction régionale de l’industrie, de la recherche et de l’environnement

DRU

Débit réfrigérant variable

GTC

Gestion technique centralisée

NFPAC

Normes françaises des pompes à chaleur

PAC

Pompe à chaleur

PEHD

Polyéthylène haute intensité

PMV

Predicted Mean Vote

PPD

Predicted Percentage of Dissatisfied

SEER

Seasonal Efficiency Energy Ratio

SCOP

Coefficient de performance saisonnier

VMC

Ventilation mécanique contrôlée

VRD

Volume réfrigérant variable

Dans les habitations individuelles existantes, les splits alimentés par une pompe à chaleur inverter se sont développés en privilégiant des splits par pièce par rapport aux multisplits qui ne sont pas plus économiques. Ces installations sont nettement plus faciles à mettre en place qu’une installation avec gaines. Les solutions avec radiateurs sont réservées au remplacement d’une chaudière par une pompe à chaleur, car ils ne produisent pas de froid en été. Dans les habitations en construction, la solution du plancher chauffant réversible doit être posée, car en hiver, le confort est nettement supérieur à l’utilisation d’un split, bien que moins efficace en été. Si le budget n’est pas un problème, mieux vaut privilégier les pompes sol/eau ou eau/eau aux pompes air/eau, le coefficient de performance étant supérieur, en particulier quand la température extérieure est basse. Pour les installations importantes (grandes surfaces, immeubles, ateliers etc.), l’intervention d’un bureau d’études est impérative.

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________________________________________________________________________________________________________ SYSTÈMES DE CLIMATISATION

10.Glossaire

Climatiseur gainable

Aérothermie Système de chauffage ou de climatisation utilisant l’air comme énergie. Air neuf Air pris à l’air libre. Cet air doit être pris hors des sources de pollution.

Air pris et réintroduit dans un local.

Élément moteur du climatiseur qui véhicule le fluide frigorigène entre l’évaporateur et le condenseur. Condensation

Condensats

Air repris Air extrait des locaux et qui sera soit partiellement recyclé, soit rejeté à l’air extérieur.

Eau résiduelle provenant de la condensation de l’eau contenue dans l’air sur l’évaporateur. Condenseur

Apports calorifiques Somme de toutes les sources thermiques qui sont responsables du réchauffement d’un bâtiment (à l’intérieur : occupants, éclairage, bureautique, appareils ménager ; venant de l’extérieur : apport d’air extérieur, ensoleillement, air neuf).

Échangeur thermique dont la fonction est d’évacuer les calories. À l’intérieur de celui-ci, le fluide frigorigène gazeux se condense en cédant sa chaleur à l’air extérieur ou à un circuit d’eau. Confort Sensation que l’on éprouve quand on n’a ni chaud ni froid.

Bac à condensats Récipient situé sous la batterie froide qui sert à récupérer les condensats pour les évacuer. Calorie Parution : septembre 2017 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200051267 - universite du havre // 195.220.135.38

Compresseur

Phénomène se produisant quand la vapeur d’eau revient à l’état liquide.

Air recyclé

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Un climatiseur gainable est un climatiseur monosplit dont l’unité intérieure est prévue pour être installée avec un réseau de gaines de distribution d’air. Il se place dans les combles ou dans un faux plafond.

Unité de mesure utilisée pour les besoins en chaleur avant d’être remplacée par le kW. Cassette Se dit d’un climatiseur à détente directe, encastré dans le faux plafond du local traité. Chaleur latente

Ce confort est très variable suivant le mode d’émission de chaleur dans la pièce (radiateur, ventilo-convecteur, chauffage par le sol, les murs ou le plafond, et un appareil à air chaud), en particulier en fonction de la température des parois. Convection Air en mouvement permettant de chauffer ou rafraichir un local. Généralement un radiateur chauffe par convection. Degré hygrométrique Il exprime en pourcentage la quantité d’eau contenue dans l’air à une température donnée. La zone de confort se situe environ entre 40 et 60 %.

Énergie thermique qui provoque un changement d’état, de liquide à gazeux par exemple, sans changement de température.

Déshumidification

Chaleur sensible

Action de condenser tout ou partie de l’eau contenue dans l’air afin de diminuer son degré hygrométrique.

Énergie thermique qui provoque un changement de température sans changement d’état.

Détendeur

Climatisation La climatisation assure le confort d’été et d’hiver des habitations, des bureaux, des commerces, ateliers, etc. Climatisation réversible La climatisation réversible décrit un équipement qui peut rafraîchir en été ou chauffer en hiver un local pour le climatiser. Climatiseur mobile Un climatiseur mobile est un appareil de climatisation compact qui peut être déplacé pour son utilisation et qui nécessite un tuyau d’évacuation vers l’extérieur. Climatiseur à détente directe

Organe dont la fonction est de faire chuter la pression du fluide frigorigène. Eau glycolée Eau normale additionnée d’un pourcentage de glycol qui l’empêche de geler. Évaporateur Élément du climatiseur qui capte la chaleur de l’air ambiant afin de le rafraîchir. Filtration Séparation au moyen d’un filtre des particules solides ou liquides du fluide dans lequel elles sont en suspension. Les splits sont équipés de filtres qu’il faut nettoyer régulièrement.

Le climatiseur à détente directe utilise le fluide réfrigérant comme fluide caloporteur pour évacuer les calories vers l’extérieur et les transmettre à l’intérieur des pièces à climatiser.

Filtre

Climatiseur monobloc

Fluides frigorigènes

Le climatiseur monobloc, mobile, regroupe toutes les fonctions d’un climatiseur classique dans un seul carénage. Il produit du froid tout en évacuant de la chaleur. Il ne possède pas d’unité d’extérieure, mais il dispose d’un tuyau d’évacuation pour l’air chaud à faire passer par une ouverture.

Il sert à capturer les particules en suspension dans l’air et ainsi à le purifier dans les locaux climatisés. Élément assurant le transfert de chaleur. Gainable Climatiseur qui peut être raccordé à un réseau de gaines pour la diffusion de l’air dans différentes pièces.

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SYSTÈMES DE CLIMATISATION _______________________________________________________________________________________________________

Groupes de condensation

Multisplit

Partie d’un climatiseur qui sert à évacuer les calories prélevées dans les locaux climatisés. Hygrométrie

Le multisplit est composé d’une unité extérieure et de plusieurs unités intérieures permettant de refroidir plusieurs pièces à la fois ; il fonctionne en circuit fermé. Les unités intérieures ne rejettent pas d’air à l’extérieur.

L’hygrométrie est la quantité relative d’eau présente dans un gaz. De façon générale, ce gaz est assimilé comme étant de l’air.

Pompe à chaleur réversible

Inertie

Pompe à chaleur permettant de produire du chaud en hiver et du froid en été.

Capacité à ralentir un transfert de froid ou de chaud.

Puissance frigorifique

Inverter La technologie Inverter qui équipe actuellement la quasi-totalité des pompes à chaleur est une technologie qui permet au climatiseur de réguler et d’adapter automatiquement sa vitesse et sa puissance selon la demande de climatisation ou de chauffage intérieure.

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Puits canadien (puits provençal)

Tubes de cuivre reliant différents organes du circuit frigorifique (par exemple entre la pompe à chaleur et les splits ).

Il désigne une solution technique permettant de préchauffer ou rafraichir l’air introduit dans l’habitat en utilisant la température du sol autour de la maison. C’est un système géothermique de surface. Il peut être ou non raccordé à une VMC double flux.

Monosplit

Split-system

Le monosplit est composé d’une unité extérieure et une seule unité intérieure ; il ne refroidit qu’une pièce à la fois et fonctionne en circuit fermé. Il ne rejette pas d’air à l’extérieur.

Climatiseur individuel composé de deux unités distinctes (pompe à chaleur et terminal) reliées entre elles par une canalisation en cuivre véhiculant le fluide frigorigène.

Liaison frigorifique

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Détermine la quantité de chaleur qu’un matériel de refroidissement est capable de soustraire à l’ambiance. Elle est exprimée en kW.

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P O U R

Systèmes de climatisation par

André BERGNER

E N

Ingénieur ITP, IAE Poitiers

Normes et standards NF EN ISO 7730

03-06

NF EN 14825

11-13

Ergonomie des ambiances thermiques – Détermination analytique et interprétation du confort thermique par le calcul des indices PMV et PPD et par des critères de confort thermique local Climatiseurs, groupes refroidisseurs de liquide et pompes à chaleur avec compresseur entraîné par moteur électrique pour le chauffage et la réfrigération des locaux – Essais et détermination des caractéristiques à charge partielle et calcul de performance saisonnière [annulée le 8 juillet 2016]

EN 14511-1

10-13

EN 15316-4-2

01-10

Climatiseurs, groupes refroidisseurs de liquide et pompes à chaleur avec compresseur entraîné par moteur électrique pour le chauffage et la réfrigération des locaux – Partie 1 : termes, définitions et classification Systèmes de chauffage dans les bâtiments – Méthode de calcul des besoins énergétiques et des rendements des systèmes – Partie 4-2 : systèmes de génération de chauffage des locaux, systèmes de pompes à chaleur [annulée le 3 juin 2017]

S A V O I R

Parution : septembre 2017 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200051267 - universite du havre // 195.220.135.38

Doc. TBA 2 770v2

9 - 2017

Sites Internet

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http://www.xpair.com http://www.abcclim.net http://www.brgm.fr/ http://www.ademe.fr/ http://www.aivia-energy.fr/ http://www.helioclim.fr/technologies/ http://www.energieplus-lesite.be/ http://www.sofath.com/

http://www.unelvent.com/ http://www.aldes.fr http://www.carrier.fr/produits_carrier_climatisation_chauffage/.../24243_iom_02_2005.pdf https://particuliers.engie.fr/ http://www.quelleenergie.fr/ http://www.certita.org/ http://www.geothermie-perspectives.fr/sites/default/files/rp-52450-fr1.pdf

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P L U S

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