Choisir un système d’humidification

Autrefois, l’air n’était pas humidifié…

Force est de constater que nous vivons généralement chez nous dans une ambiance non humidifiée de manière artificielle. Nous pouvons néanmoins indiqué que dans une maison, l’humidification principale de l’air se fait naturellement par la salle de bain et la cuisine. Dans un bâtiment de bureaux, le besoin d’humidification est plus important car ces pièces d’eau ne sont pas présentes.

Cependant, aujourd’hui, une ventilation est organisée dans nos bâtiments, et un besoin réel d’humidification existe alors en hiver. Il est lié à l’apport d’air neuf hygiénique. L’air extérieur froid, une fois réchauffé, est un air sec. Dans les bureaux, pour assurer un bon confort thermique, l’air est porté à un taux d’humidité relative minimum de 40 %.

Cette humidification est énergétiquement coûteuse et il est utile d’en limiter l’intensité.

L’analyse des besoins

Le besoin d’humidification est directement lié au taux de renouvellement d’air puisque c’est l’air neuf qu’il faut humidifier en hiver. Il y a donc lieu de définir précisément les besoins réels en apport d’air neuf.

À noter que certains locaux ne nécessitent pas d’humidification : une salle de restaurant, une cafétéria, une salle d’archives, un musée…

Si un local nécessite un taux de renouvellement horaire de 5, sans obligation de contrôler le taux d’humidité, alors que les autres locaux n’ont besoin que d’un taux de 1 mais avec nécessité d’humidifier, il peut être intéressant de concevoir deux installations différentes.

Il sera utile de définir le niveau d’humidification : du “tout centralisé” au départ des circuits si les besoins semblent homogènes, vers le “tout décentralisé”, chaque local ayant des besoins différents.

Contrôle de l’humidité strict où humidification minimale de base ?

Il est fréquent de trouver dans les cahiers des charges une demande de “maintien des locaux à 21°C et 50 % HR”.

Cette simple phrase peut générer des consommations non négligeables et inutiles.

Le contrôle strict du taux d’humidification n’est-il pas nécessaire uniquement au niveau du local informatique ? D’une manière générale, on vérifiera si l’humidification décentralisée d’une zone limitée dans le bâtiment ne pourrait pas suffire. Le restant du bâtiment étant humidifié au niveau de la centrale de traitement d’air neuf ou mixte “neuf-repris” avec une humidification minimale (par exemple, un taux d’humidité réglé sur 35 % en sortie de centrale et un arrêt total de l’humidification en mi-saison et en été).

Si néanmoins un contrôle de l’humidité est choisi, l’hygrostat sera placé soit dans un local témoin non sujet à beaucoup d’infiltrations d’air (fenêtres ouvrantes, par exemple), soit dans la reprise d’air.

“Humidifier, c’est augmenter la teneur en vapeur d’eau dans l’air”.

On distingue trois types de technologies pour y arriver.

• les humidificateurs à gicleurs d’eau froide (ou “laveurs d’air”),
• les humidificateurs rotatifs,
• les humidificateurs à pulvérisation par air comprimé + eau,
• les humidificateurs à ultrasons,
• les humidificateurs à pulvérisation d’eau chaude.

2. Injecter de  la vapeur :

• issue d’un réseau de vapeur (si bâtiment équipé d’une chaudière à vapeur),
• issue d’un générateur autonome (appareil de production de vapeur électrique).

3. Évaporer de l’eau chaude  ou froide :

• par ruissellement d’eau sur un média,
• par contact à la surface d’un plan d’eau.

« Humidifier, c’est maîtriser l’énergie de vaporisation de l’eau. »

On distingue les appareils suivant l’origine de la chaleur de vaporisation. Deux techniques sont possibles et les coûts qui en résultent sont fort différents.

La chaleur de vaporisation de l’eau liquide est prise sur l’air (qui se refroidit), et le système de chauffage de l’air devra fournir cette chaleur complémentaire. On parle “d’humidificateurs à enthalpie constante”

• les humidificateurs à gicleurs d’eau froide (ou “laveurs d’air”),
• les humidificateurs par contact avec de l’eau froide (plaque fixe, roue, nid d’abeille),
• les humidificateurs par ultrasons.

L’énergie de vaporisation est donnée par le combustible qui alimente la chaudière (fuel, gaz, …)

La chaleur de vaporisation de l’eau est, en tout ou en partie, fournie par l’humidificateur. On parle “d’humidificateurs à enthalpie variable”

• les humidificateurs à vapeur,
• les humidificateurs par pulvérisation à eau chaude,
• les humidificateurs par contact avec de l’eau chaude.

L’énergie est d’origine électrique (et présente donc un coût plus élevé…).

“Humidifier, c’est risquer d’introduire des micro-organismes et des sels dans l’air…”

Le contact eau-air est favorable à la propagation de bactéries. Ce sera particulièrement critique dans les installations où l’humidification est faite « à reflux » car on y retrouve les conditions favorables au développement bactérien.

On a dès lors développé des installations à pulvérisation d’eau avec un débit limité : le débit d’eau est alors totalement vaporisé (aérosols). Une fois la goutte d’eau froide évaporée, les sels contenus dans l’eau se retrouvent pulvérisés dans l’atmosphère et risquent de former des dépôts (calcium, sodium) sur les appareils (fine poussière)…  C’est le cas des humidificateurs rotatifs, des humidificateurs à pulvérisation par air comprimé + eau, … De l’eau déminéralisée peu alors être utilisée.

Les humidificateurs à vapeur garantissent la stérilité du traitement et l’absence de sel dans l’air humidifié, … mais les sels se déposent dans le préparateur de vapeur, causant beaucoup de soucis à la maintenance ! De plus, le coût d’exploitation est élevé ainsi que l’impact environnement de l’humidification avec ce type de système….

Le coût en eau d’une installation d’humidification peut être non négligeable. Et la tendance actuelle (augmentation du prix du m^³ d’eau) va amplifier ce coût.

La situation est particulièrement critique pour les installations à recyclage d’eau. En effet, au bas de l’humidificateur, un bac recueille l’excédent d’eau. Suite à l’évaporation partielle de l’eau, la teneur en sels dans l’eau du bac augmente progressivement. Une déconcentration régulière par injection d’un débit d’eau fraîche est réalisée, avec évacuation de l’excédent vers l’égout.

En pratique, le risque est grand que le débit de déconcentration soit beaucoup trop élevé : à défaut de calcul, “par sécurité”, le robinet reste souvent ouvert en permanence…

Pour maîtriser ce coût de l’eau, il est possible de prévoir une automatisation des périodes de déconcentration en fonction de la teneur en sels de l’eau du bac.

Au coût de l’eau, il faudra encore ajouter le coût de son traitement éventuel pour l’élimination des sels.

Deux sources de consommation sont présentes

• l’énergie mécanique des pompes (pour la pulvérisation, par exemple),
• l’énergie nécessaire à la vaporisation de l’eau.

La première est négligeable, au plus quelques % face à la seconde !

Par contre, l’énergie nécessaire pour faire passer l’eau de l’état liquide à l’état vapeur est fort élevée : c’est la chaleur latente de vaporisation. Et suivant le type d’humidificateur, le coût de cette énergie sera fort différent

• Si l’humidificateur travaille à partir d’eau froide, c’est l’air qui donnera l’énergie de vaporisation. C’est donc la batterie de chauffe de l’air qui, indirectement, fournira la chaleur. Si la batterie est alimentée par de l’eau chaude, le prix de revient de la chaleur de vaporisation sera fixé par le prix du combustible en chaufferie.

• Si l’humidificateur diffuse directement de la vapeur, soit la vapeur provient d’une chaudière vapeur et l’on se retrouve dans une situation similaire au point précédent, soit la vapeur est d’origine électrique et le coût de l’opération se trouve multiplié par un facteur 3 (c’est pratiquement toujours de l’électricité de jour…).

Pour faire passer 1 kg d’eau à 10° (température moyenne du réseau) à l’état vapeur, il faut fournir une chaleur de :

Si on prend un coût de l’énergie électrique à 0,1 €/kWh (tarif de jour pour le régime haute tension, pointe de puissance comprise), le coût peut être estimé à 7,25 c€/kg_eau.

Pour une installation au gaz naturel ou au fuel, sur base d’un coût moyen du kWh utile (rendement compris) estimé à 3,5 c€/kWh, on obtient 2,5 c€/kg_eau.

Différents systèmes permettent à l’humidificateur de moduler le débit entre 0 et 100 %.

Pour les installations de conditionnement d’air

Humidificateurs à vapeur

La régulation est basée sur le schéma suivant :

En fonction de l’écart entre l’humidité relative mesurée sur l’air extrait (H2) et la valeur de consigne réglable sur le régulateur, il y a action sur l’humidificateur. Un limiteur maximal d’humidité relative de l’air soufflé (H1) limite le débit de vapeur pulvérisé. Une sonde de sécurité (H3, en option) commande directement l’arrêt de l’humidificateur.

C’est le même régulateur qui agit en cascade sur la batterie froide, pour la déshumidification éventuelle.

Ce système doit être complété par deux dispositifs de sécurité qui interdisent la pulvérisation de vapeur lors de l’arrêt du ventilateur

• Le verrouillage électrique entre l’humidificateur et le ventilateur. Un pressiomètre qui vérifie le fonctionnement effectif par la mise en pression de la gaine (si la courroie du ventilateur casse, le ventilateur est électriquement en fonctionnement…)

Attention à ne pas placer les appareils de contrôle (thermomètre et hygromètre) trop prêt de la rampe. A priori, une distance de 3 m minimum est recommandée, mais cette distance dépend de la température de l’air humidifié.

Humidificateurs à pulvérisation et à évaporation

La régulation des laveurs d’air est traditionnellement basée sur le point de rosée du point de soufflage. Autrement dit, l’humidificateur fonctionne en continu et humidifie toujours l’air au maximum ( …85 %… en pratique). Le réglage de la batterie de post-chauffe se fait sur la température de l’ambiance, le réglage de la batterie de préchauffe se fait sur une température de point de rosée à la sortie de l’humidificateur, corrigée en fonction du degré d’humidité relative de l’ambiance.

Cette régulation est tout à fait correcte en hiver, mais risque de poser des problèmes en mi-saison et en été en fonction du mode de régulation : humidification excessive (même en hiver), fonctionnement simultané des batteries chaudes et froides. Ce sera le cas si le fonctionnement de l’humidificateur n’est pas asservi à une sonde d’humidité ambiante (ou de reprise) et si les batteries de préchauffe et de refroidissement sont commandées par la même consigne de point de rosée.

Quel type de régulation ?

Pour éviter ces problèmes, voici comment la régulation du groupe de traitement d’air peut être configurée en présence d’un humidificateur de type “laveur d’air” :

• La batterie de préchauffe sera commandée par un régulateur en fonction de l’humidité relative de l’air repris ou de l’air ambiant, sans que l’humidité de l’air pulsé ne dépasse pour autant une valeur limite.

• Les batteries de postchauffe et de refroidissement seront, elles, commandées, selon les cas, en fonction de la température de pulsion ou de la température ambiante ou de la température de reprise.
• Le fonctionnement de l’humidificateur sera asservi à une sonde d’humidité ambiante ou située dans la gaine de reprise commune. Cet asservissement se fera en tout ou rien, de façon modulante ou par palier, en fonction du type d’humidificateur (avec une consigne d’humidité sera abaissée au maximum : 40%).

Pour les humidificateurs d’ambiance directe

On utilise généralement des humidificateurs par action tout ou rien (sur la pompe de gicleurs ou par étagement de rampes), l’hygrostat enclenchant l’appareil lors du dépassement d’un seuil réglable. Un hygrostat supplémentaire de sécurité est également prévu pour limiter le risque en cas de panne du premier régulateur.

Précautions générales

Asservissement au fonctionnement du ventilateur

Il est prudent d’asservir le fonctionnement de l’humidificateur à celui du ventilateur, pour éviter tout risque d’humidification des gainages lors de l’arrêt (volontaire ou non) du ventilateur.

La possibilité d’arrêter l’humidification en mi-saison

La régulation en fonction de l’humidité relative sur la reprise d’air est fiable, mais à défaut ou en plus, il est également possible de commander le fonctionnement de l’humidificateur en fonction de la température extérieure (interrupteur en série). En pratique, le critère qui consiste à “stopper l’humidification si T°_ext > 5°C” est simple et efficace. La sonde peut être placée à l’extérieur ou dans la gaine d’air frais. De toute façon, un air extérieur à 5°C est, en Belgique, en moyenne chargé de 4,5 grammes d’_eau par kg _d’air. Une fois chauffé, il atteint 20°C et 30 % HR (ce qui est déjà temporairement supportable). L’apport en eau interne des bureaux (plantes, occupants,…) amène facilement l’air à 40 % HR.

Un seuil maximal de l’ordre de 8°C peut être choisi si le bâtiment présente très peu d’apports internes en eau et/ou si l’installation travaille en “tout air” neuf (c’est-à-dire en climatisation “tout air” sans recyclage partiel de l’air extrait).

De plus, on se prémunit ainsi :

• D’un dérèglement de la régulation : il arrive, rarement il est vrai, de rencontrer un caisson de traitement d’air où, en mi-saison, l’humidification est combattue par la déshumidification de la batterie de froid …!

• Du fonctionnement sporadique de l’humidificateur en mi-saison, avec son cortège de développement bactérien si l’installation n’est pas automatiquement vidangée…

Si l’humidificateur est du type à pulvérisation, ou “laveur d’air”, la difficulté de régulation en mi-saison de ce type d’équipement justifie davantage encore son arrêt total.

L’humidification de l’ambiance avec maintien strict des consignes

Lorsque les consignes de température et d’humidité doivent être maintenues de façon stricte (centraux informatiques), on est souvent amené à refroidir l’air ambiant (donc à le déshumidifier) et ensuite à le réhumidifier. Il s’en suit une destruction d’énergie (déshumidification et humidification).

Pour réduire cette dernière, on a intérêt à fixer la consigne d’humidité la plus basse possible, compatible avec l’utilisation du local. Par exemple, est-ce qu’il est réellement nécéssaire de maintenir 60% d’HR ? Est-ce que 50% d’HR ne pourrait pas convenir ?

De plus, il importe que la batterie de refroidissement limite la déhumidifiant en travaillant avec la température d’eau la plus élevée possible (variant en fonction des besoins).

La précision de la régulation

La précision de la régulation d’un humidificateur doit être perçue en prenant en compte l’interaction entre la température et l’humidité relative de l’air. Autrement dit, toute fluctuation de la température de l’air se répercute sur le taux d’humidité.

Ainsi, exiger une régulation de 20°C et 50 % à +/- 2 %, impose au minimum une régulation de température de 20°C à +/- 0,5° près. Et encore faudra-t-il un type d’humidificateur adéquat : une régulation centralisée par “point de rosée”, par exemple, est impossible. Si une telle précision est requise, on privilégiera une humidification par local : les humidificateurs à vapeur électriques sont particulièrement bien adaptés à cette situation. Ils peuvent être précédés d’une humidification centralisée minimale de base.

Trois types de régulateurs sont disponibles : régulateur on-off, régulateur proportionnel (P) ou régulateur proportionnel-intégral (PI). Le diagramme ci-dessous (issu d’un constructeur) permet de choisir le type de régulateur et la bande proportionnelle du système en % HR, en fonction :

• de la précision attendue (plus la tolérance est faible, plus on aura tendance à sélectionner un PI avec petite bande proportionnelle),

• de la quantité relative d’humidité absolue à fournir (plus celle-ci est grande, plus on sélectionnera un appareil PI fiable, puisqu’on est proche de la saturation).

Si le système est en mode on-off, il travaillera généralement avec un différentiel de 5 %. On réservera dès lors les régulateurs on-off au contrôle de limite haute de sécurité.

Ensuite, pour les appareils électriques, la puissance appelée est de 750 Watts par kg/h de débit de vapeur souhaité, environ.